“高分四號(hào)”衛(wèi)星觀(guān)測(cè)能力與應(yīng)用前景分析

王殿中 何紅艷

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星觀(guān)測(cè)能力與應(yīng)用前景分析

王殿中 何紅艷

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星是中國(guó)高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)工程中首顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星，也是目前世界上地球同步軌道上第一顆高分辨率遙感衛(wèi)星，它具有較高空間分辨率、極高時(shí)間分辨率、多種譜段選擇、廣闊的觀(guān)測(cè)范圍等特點(diǎn)。為使“高分四號(hào)”衛(wèi)星充分發(fā)揮觀(guān)測(cè)能力，成為災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及防災(zāi)減災(zāi)的有效工具，文章對(duì)應(yīng)典型遙感應(yīng)用，總結(jié)歸納出了五種觀(guān)測(cè)模式，分別是凝視模式、跟蹤模式、巡航模式、簽到模式、夜間模式，并分析給出各種模式下相應(yīng)的觀(guān)測(cè)策略。文中還以現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星為例，討論了影響“高分四號(hào)”衛(wèi)星應(yīng)用的兩種重要因素，即數(shù)據(jù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，其中針對(duì)巡航模式對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性的潛在影響提出了“高分四號(hào)”衛(wèi)星在軌使用建議，針對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性提出了一種評(píng)價(jià)模型。該文對(duì)于有關(guān)方面應(yīng)對(duì)多種觀(guān)測(cè)需求、合理使用“高分四號(hào)”衛(wèi)星在軌觀(guān)測(cè)能力具有一定參考價(jià)值。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星 觀(guān)測(cè)能力 地球同步軌道 高分辨率 航天遙感

0 引言

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，自然災(zāi)害種類(lèi)多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失重[1]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，地震、滑坡、泥石流、低溫雨雪冰凍等災(zāi)害影響進(jìn)一步加劇，臺(tái)風(fēng)、洪澇、干旱等災(zāi)害持續(xù)多發(fā)，突發(fā)性巨災(zāi)時(shí)有發(fā)生。為更加及時(shí)有效地應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害，迫切需要增強(qiáng)對(duì)地觀(guān)測(cè)能力及其應(yīng)用水平[2]。目前我國(guó)已經(jīng)自主擁有了包括“資源一號(hào)”衛(wèi)星、“資源三號(hào)”衛(wèi)星、“環(huán)境一號(hào)”衛(wèi)星、“實(shí)踐九號(hào)”衛(wèi)星以及“遙感”、“快舟”、“高分”等多個(gè)星座或系列的陸地環(huán)境與資源觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取能力。截至2015年底，中國(guó)陸地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)量累計(jì)超過(guò)1 000萬(wàn)景，在國(guó)土資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、減災(zāi)防災(zāi)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。應(yīng)用部門(mén)和研究單位統(tǒng)籌利用國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)資源，開(kāi)展了洪澇、干旱、地震、滑坡、泥石流、冰雪、火災(zāi)等各類(lèi)災(zāi)害的遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作，在上述衛(wèi)星及其有效載荷數(shù)據(jù)的應(yīng)用模式、方法等方面積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[4-9]。但是上述衛(wèi)星，包括廣泛使用的國(guó)外陸地衛(wèi)星均屬于太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，無(wú)法不間斷地對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視。為此，必須發(fā)展地球同步軌道高分辨率成像衛(wèi)星。這類(lèi)衛(wèi)星在地球同步軌道運(yùn)行周期等于地球自轉(zhuǎn)周期[10]，理論上可覆蓋全球近1/3的面積，能快速對(duì)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行成像響應(yīng)服務(wù)[11]。但是此前的地球同步軌道衛(wèi)星由于空間分辨率較低，只能應(yīng)用在氣象或海洋、海岸帶觀(guān)測(cè)中[12]。“高分四號(hào)”衛(wèi)星的空間分辨率有了很大突破，較之前世界上分辨率最高的COMS衛(wèi)星（Communication Ocean Metrology Satellite）提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，是目前世界上空間分辨率最高的地球同步軌道衛(wèi)星。為了充分發(fā)揮其觀(guān)測(cè)能力，提高監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急處置效率，本文根據(jù) GF-4特點(diǎn)，總結(jié)歸納了幾種觀(guān)測(cè)模式，分析了每種模式對(duì)應(yīng)的應(yīng)用前景，并對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性等影響衛(wèi)星應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題做了進(jìn)一步探討。

1 觀(guān)測(cè)能力

“高分四號(hào)”衛(wèi)星的成像載荷是一臺(tái)凝視相機(jī)，相機(jī)的主要指標(biāo)如表1所示。該相機(jī)配備了國(guó)際上地球同步軌道口徑最大的可見(jiàn)與紅外一體化光學(xué)鏡頭，同時(shí)具有多光譜和紅外成像能力，其中可見(jiàn)光近紅外通道包括5個(gè)譜段，可以獲取星下點(diǎn)優(yōu)于50m地面像元分辨率的圖像，紅外通道為中波紅外成像，可獲取優(yōu)于400m地面像元分辨率的圖像。

表1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Specification of GF-4 camera

相機(jī)配備了大規(guī)模面陣CMOS探測(cè)器和大規(guī)模面陣紅外探測(cè)器，在實(shí)現(xiàn)單像元較高分辨的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿(mǎn)足星下點(diǎn)圖像大于 400km×400km的成像幅寬。而且，不限于觀(guān)測(cè)固定區(qū)域，衛(wèi)星可以根據(jù)工作指令調(diào)整觀(guān)測(cè)指向，從而大大增加對(duì)地觀(guān)測(cè)能力，完成對(duì)中國(guó)及周邊陸海區(qū)域的觀(guān)測(cè)。

由于“高分四號(hào)”衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道，使得以較高時(shí)間分辨率對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)觀(guān)測(cè)成為了可能。兩個(gè)通道中，中波紅外重復(fù)觀(guān)測(cè)間隔只需要1s；而可見(jiàn)光近紅外通道有兩種重復(fù)觀(guān)測(cè)的方式，一種是通過(guò)單譜段連續(xù)成像，此時(shí)重復(fù)觀(guān)測(cè)間隔只需要5s；另一種是全譜段連續(xù)觀(guān)測(cè)，具體實(shí)現(xiàn)方式為首先B1譜段成像，用時(shí)為5s，然后需要10s切換到B2譜段成像，5s后再切換，以此類(lèi)推。要形成一幅包括全部5個(gè)譜段的全色多光譜圖像大約需要75s，這就是多譜段觀(guān)測(cè)方式下實(shí)現(xiàn)重復(fù)觀(guān)測(cè)的周期[13]。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)還可以通過(guò)積分時(shí)間調(diào)整技術(shù)控制曝光時(shí)間。利用這一功能，相機(jī)既可以看清低亮度地物，同時(shí)也能對(duì)高亮度的云成像，有效地為災(zāi)害監(jiān)測(cè)服務(wù)的同時(shí)獲取高品質(zhì)的氣象云圖，為氣象預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支持。

2 “高分四號(hào)”衛(wèi)星觀(guān)測(cè)模式與應(yīng)用潛力

觀(guān)測(cè)模式對(duì)于發(fā)揮衛(wèi)星能力有很大影響。由于觀(guān)測(cè)現(xiàn)象并不相同，對(duì)同一衛(wèi)星而言，當(dāng)采用不同的觀(guān)測(cè)模式，會(huì)有不同的效果。相比大多數(shù)的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星只有一種觀(guān)測(cè)模式——天底點(diǎn)成像而言，“高分四號(hào)”衛(wèi)星可選擇的觀(guān)測(cè)模式要豐富一些了，其中凝視模式和巡航模式從立項(xiàng)論證階段就受到了關(guān)注。隨著應(yīng)用和研究的加深，又衍生出了簽到模式等新的觀(guān)測(cè)模式，以滿(mǎn)足不同情況下的實(shí)際需求。

2.1 模式1——凝視模式

地震、滑坡災(zāi)害的發(fā)生往往具有突發(fā)性，并且伴隨一系列的次生災(zāi)害，使居民地、生命線(xiàn)、基礎(chǔ)設(shè)施等遭受?chē)?yán)重破壞，同時(shí)對(duì)于災(zāi)區(qū)遙感監(jiān)測(cè)的實(shí)效性要求達(dá)到小時(shí)級(jí)，“高分四號(hào)”衛(wèi)星可以保持衛(wèi)星姿態(tài)指向，對(duì)已知位置進(jìn)行短時(shí)持續(xù)成像，稱(chēng)作凝視模式。一顆衛(wèi)星就能夠不間斷地對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，顯著增強(qiáng)區(qū)域持續(xù)監(jiān)視能力，而如果是利用極軌衛(wèi)星監(jiān)測(cè)，只有足夠多的衛(wèi)星組成星座才能滿(mǎn)足如此高的實(shí)效性需求。除了地震監(jiān)測(cè)，這種模式還可以滿(mǎn)足森林火災(zāi)等熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行的應(yīng)急監(jiān)測(cè)之需，因?yàn)樵诹只鸹虿菰馂?zāi)探測(cè)應(yīng)用方面，主要定位于重點(diǎn)區(qū)域?yàn)?zāi)前的林火預(yù)警或者受災(zāi)區(qū)災(zāi)中的火情監(jiān)測(cè)和災(zāi)后的損失評(píng)估，對(duì)數(shù)據(jù)的快速獲取和信息快速提取需求?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星的紅外通道對(duì)森林火災(zāi)較敏感，而且1s的成像能力可以滿(mǎn)足火災(zāi)觀(guān)測(cè)時(shí)間分辨率較高的需求。在林火預(yù)警方面，“高分四號(hào)”衛(wèi)星還可以滿(mǎn)足對(duì)森林可燃物長(zhǎng)勢(shì)、濕度等信息的監(jiān)測(cè)。

在使用中波紅外通道監(jiān)測(cè)的同時(shí)，可以同時(shí)使用可見(jiàn)光近紅外通道成像，獲得多光譜圖像。由于譜段切換會(huì)使成像間隔拉長(zhǎng)，因此凝視模式下建議采用全色譜段連續(xù)成像，幀頻5s，50m的空間分辨率預(yù)計(jì)能夠捕捉10m/s以上的快速變化。這種方式光譜信息單一，但是不涉及波段切換，能夠最大程度實(shí)現(xiàn)地球同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)凝視成像的時(shí)間采樣能力。

對(duì)于變化緩慢的下墊面，凝視模式下獲取的連續(xù)圖像由于時(shí)間間隔以秒計(jì)，可以認(rèn)為成像鏈中各種因素保持恒定，可以利用不同幀之間的微小錯(cuò)位處理，提升分辨率（圖1）。采用這種方法，理論上圖像空間分辨率最大可以提升1倍。

2.2 模式2——巡航模式

地質(zhì)災(zāi)害、旱澇災(zāi)害或森林草原火災(zāi)發(fā)生往往具有一定的潛伏期，需要對(duì)全國(guó)的下墊面進(jìn)行持續(xù)觀(guān)測(cè)并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，因此對(duì)于遙感的大范圍監(jiān)測(cè)能力提出了較高需求?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)能夠變化觀(guān)測(cè)指向，因此可以按照一定的順序，依次對(duì)整個(gè)成像區(qū)域進(jìn)行遍歷觀(guān)測(cè)，這種模式稱(chēng)作巡航模式。

由于在巡航模式下觀(guān)測(cè)時(shí)間相對(duì)充裕，“高分四號(hào)”衛(wèi)星可以對(duì)每個(gè)分區(qū)采取全譜段成像的方式獲取完整的光譜信息。考慮到幀頻、譜段切換和調(diào)整指向的時(shí)間，完成一輪對(duì)中國(guó)及周邊陸海區(qū)域的巡航成像并獲得整體的鑲嵌拼圖，僅需兩天。為全國(guó)范圍內(nèi)的這些災(zāi)害致災(zāi)因子的更新和災(zāi)害的防范提供及時(shí)的信息。從時(shí)效性上顯著優(yōu)于現(xiàn)有的陸地衛(wèi)星。

考慮到中國(guó)及周邊的空間范圍廣闊，可以考慮對(duì)空間范圍進(jìn)行分塊觀(guān)測(cè)，例如基于“高分四號(hào)”衛(wèi)星的單景幅寬，在保證一定重疊的條件下，可以將其監(jiān)測(cè)范圍統(tǒng)一劃分為若干個(gè)區(qū)域并編號(hào)，如圖2所示。區(qū)域編號(hào)管理的優(yōu)勢(shì)在于可以將成像空間區(qū)域簡(jiǎn)化映射處理，可適應(yīng)應(yīng)急觀(guān)測(cè)下的快速操作需求。

2.3 模式3——跟蹤模式

由于“高分四號(hào)”衛(wèi)星通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)能夠變化觀(guān)測(cè)指向而且?guī)l高，因此具備對(duì)已知初始位置的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀(guān)測(cè)的能力，這種觀(guān)測(cè)模式可稱(chēng)作跟蹤模式。以洪澇災(zāi)害為例，在應(yīng)急、救災(zāi)階段要求有很高的時(shí)效性，一般以災(zāi)害發(fā)生后3h甚至更短的時(shí)間內(nèi)獲得災(zāi)區(qū)信息。太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星往往無(wú)法滿(mǎn)足如此高的時(shí)間分辨率需求。“高分四號(hào)”衛(wèi)星可以在很大程度上縮短數(shù)據(jù)獲取的周期，在極短的時(shí)間內(nèi)為災(zāi)害應(yīng)急救助提供數(shù)據(jù)與信息支持。當(dāng)洪峰形成后，隨時(shí)間推移，洪峰會(huì)逐漸向下游移動(dòng)，路徑是已知的，“高分四號(hào)”衛(wèi)星可以較為方便的實(shí)現(xiàn)大江大河全流域水情監(jiān)測(cè)，在汛期可以為管理機(jī)構(gòu)開(kāi)展流域水情監(jiān)測(cè)服務(wù)。

監(jiān)測(cè)對(duì)象的移動(dòng)路徑也可以是未知的。圖3展示了“高分四號(hào)”衛(wèi)星對(duì)2016年第1號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”在西北太平洋洋面生成后向我國(guó)移動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)，其中左圖獲取于7月6日14:07，此時(shí)臺(tái)風(fēng)區(qū)位于菲律賓群島東側(cè)，距離我國(guó)國(guó)境線(xiàn)較遠(yuǎn)，而到了7月7日14:02，臺(tái)風(fēng)區(qū)已經(jīng)抵達(dá)了我國(guó)國(guó)境線(xiàn)，波及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。這種跟隨運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的觀(guān)測(cè)模式，可以為災(zāi)害預(yù)警和災(zāi)害應(yīng)對(duì)提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持，具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

跟蹤模式下，可以根據(jù)觀(guān)測(cè)對(duì)象的光譜特征或空間變化快慢靈活選擇觀(guān)測(cè)譜段，例如根據(jù)洪澇評(píng)價(jià)中使用的水體指數(shù)指標(biāo)[14]，選擇綠和近紅外譜段成像，而跳過(guò)其他譜段。而在氣象觀(guān)測(cè)中，由于云反射率高，需要調(diào)低成像積分時(shí)間，使圖像灰度不飽和，以保證觀(guān)測(cè)到云的紋理，開(kāi)展三維結(jié)構(gòu)等進(jìn)一步的分析。對(duì)于空間變化幅度極大的目標(biāo)，為了保證跟蹤成功，需要指令鏈路有較高要求的時(shí)效性。

2.4 模式4——簽到模式

一旦出現(xiàn)應(yīng)急觀(guān)測(cè)啟動(dòng)模式1客觀(guān)上就沒(méi)有足夠的時(shí)間完成完整的模式2成像，但“高分四號(hào)”衛(wèi)星可以在每天用一定的時(shí)段保證重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域的周期性成像，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期對(duì)某一地區(qū)進(jìn)行跟蹤觀(guān)測(cè)[15]。這種對(duì)已知位置進(jìn)行每天一次的監(jiān)測(cè)，可稱(chēng)作簽到模式。

由于目標(biāo)區(qū)域少，這種觀(guān)測(cè)的時(shí)間相對(duì)充裕，監(jiān)測(cè)時(shí)可見(jiàn)光近紅外通道可以采取全譜段單次成像的方式獲取完整的光譜信息，即一次對(duì)5個(gè)譜段各成一幅圖像。2016年2月3日，首批發(fā)布的“高分四號(hào)”衛(wèi)星圖像中就有不同日期獲取的北京地區(qū)圖像（圖4）。有霧霾與無(wú)霧霾的情況在圖像中形成鮮明對(duì)比。這種模式的周期不限于一天，也可以根據(jù)觀(guān)測(cè)需求靈活選擇，觀(guān)測(cè)對(duì)象不僅限于大氣污染，對(duì)于水污染、生態(tài)環(huán)境變化及特定關(guān)注目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和研究也具有良好的應(yīng)用前景。

2.5 模式5——夜間模式

“高分四號(hào)”衛(wèi)星設(shè)置了中波紅外通道，因此可以進(jìn)行夜間觀(guān)測(cè)，可稱(chēng)為夜間模式。對(duì)于夜間發(fā)生的地震等突發(fā)事件監(jiān)測(cè)非常關(guān)鍵。另外，中波紅外本身屬于發(fā)射紅外，但是物體也有少量的能量反射，只不過(guò)物體的熱輻射能量大于太陽(yáng)的反射能量[16]。因此，在日間觀(guān)測(cè)的信號(hào)包含了反射能量，而在夜間觀(guān)測(cè)就不存在這個(gè)問(wèn)題，獲取的全部是地球自身發(fā)射的能量。由于“高分四號(hào)”衛(wèi)星具有這種全天時(shí)成像能力，通過(guò)反演日間和夜間數(shù)據(jù)，可以獲取相應(yīng)的亮溫信息，對(duì)于地球系統(tǒng)科學(xué)研究和理解區(qū)域尺度的地表熱交換過(guò)程具有重要價(jià)值。

3 影響遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用的兩種重要因素

3.1 數(shù)據(jù)連續(xù)性

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的連續(xù)性是指某類(lèi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在軌能夠獲取的連續(xù)時(shí)間跨度，是開(kāi)展遙感地表長(zhǎng)時(shí)間變化研究的基礎(chǔ)。通常是由單顆衛(wèi)星在軌壽命決定的，如果首顆衛(wèi)星上的某種傳感器在后續(xù)星中仍然搭載，則其數(shù)據(jù)連續(xù)性就得到了延續(xù)，可以有效克服單顆衛(wèi)星在軌工作時(shí)間短的問(wèn)題，例如十余年前先后發(fā)射的中巴“資源一號(hào)”01/02/02B三顆衛(wèi)星可以使數(shù)據(jù)連續(xù)性達(dá)到10年，從而超過(guò)目前國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命最長(zhǎng)8年的技術(shù)約束。

在文獻(xiàn)[17]研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)世界上有陸地遙感衛(wèi)星以來(lái)的各種數(shù)據(jù)連續(xù)性情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)更新（見(jiàn)表2）。

應(yīng)當(dāng)注意到，在上文中述及的各種觀(guān)測(cè)模式中，沒(méi)有應(yīng)急任務(wù)安排的情況下，巡航模式可能是服務(wù)用戶(hù)的主要模式，但是相比凝視觀(guān)測(cè)模式，這種模式涉及到頻繁使用活動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，活動(dòng)機(jī)構(gòu)失效是引起衛(wèi)星在軌失效的重要因素，因此如果采用該模式成像，建議能夠酌情控制觀(guān)測(cè)頻次，這樣從長(zhǎng)期來(lái)看是有利于保證或延長(zhǎng)衛(wèi)星在軌壽命，從而得到較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)連續(xù)性。

3.2 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

遙感數(shù)據(jù)定量化可以推動(dòng)遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的深入開(kāi)展。衛(wèi)星圖像上所有像元的灰度值都對(duì)應(yīng)著地物的物理屬性，可以反演計(jì)算。我國(guó)已經(jīng)針對(duì)遙感衛(wèi)星可見(jiàn)光-近紅外和熱紅外波段有效載荷特點(diǎn)，利用國(guó)家級(jí)輻射校正場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展了在軌場(chǎng)地定標(biāo)算法研究，形成了適合同類(lèi)衛(wèi)星載荷在軌普適性場(chǎng)地定標(biāo)算法流程[18]。

但是由于包括器件性能退化在內(nèi)的復(fù)雜因素的影響，定標(biāo)參數(shù)在不同時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)定標(biāo)參數(shù)變化快慢可以評(píng)價(jià)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的輻射穩(wěn)定性[19]。因此，本文通過(guò)定標(biāo)系數(shù)的比值定義簡(jiǎn)單增益指數(shù)（Simple Gain Index，SGI）和歸一化增益指數(shù)（Normalized Difference Gain Index，NDGI）。

式中 GT，GT+1分別為衛(wèi)星圖像在T時(shí)刻與T+1時(shí)刻的增益，以下同。

表2 世界光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)連續(xù)性Tab.2 World optical satellite data continuity

由于傳感器性能的衰減，通常情況下后一次定標(biāo)增益 GT+1在數(shù)值上不小于前一次定標(biāo)增益 GT。因此SGI和NDGI取值都在0～1之間，SGI越接近于1，相應(yīng)的NDGI越接近0，說(shuō)明定標(biāo)系數(shù)變化越小，即數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。反之，SGI越小，NDGI越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差。

應(yīng)用式（1）和式（2），對(duì)“資源一號(hào)”02C星和“資源三號(hào)”衛(wèi)星2012和2013兩年的定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到兩顆衛(wèi)星的簡(jiǎn)單增益指數(shù)與歸一化增益指數(shù)，如表3、表4所示。

表3 “資源一號(hào)”02C星簡(jiǎn)單增益指數(shù)與歸一化增益指數(shù)Tab.3 SGI and NGI of CBERS 02C satellite

表4 “資源三號(hào)”衛(wèi)星簡(jiǎn)單增益指數(shù)與歸一化增益指數(shù)Tab.4 SGI and NGI of ZY3 satellite

從兩種指數(shù)綜合來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)兩顆衛(wèi)星均有個(gè)別譜段的定標(biāo)系數(shù)變化幅度超過(guò) 5%。而幾乎同期發(fā)射的Pléiades 1B衛(wèi)星和SPOT 6衛(wèi)星在軌初期的絕對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)各譜段均沒(méi)有顯著變動(dòng)[19]，在衛(wèi)星數(shù)據(jù)穩(wěn)定性仍有提高空間的情況下，后續(xù)應(yīng)該增加定標(biāo)頻次，并研究改善定標(biāo)精度?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星作為目前世界上地球同步軌道上唯一一顆高分辨率遙感衛(wèi)星，其定標(biāo)更有研究?jī)r(jià)值。

前面僅結(jié)合觀(guān)測(cè)模式介紹了部分具體應(yīng)用，由于對(duì)地球同步軌道高分辨率遙感剛剛實(shí)現(xiàn)，還存在一個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程，其最終的應(yīng)用種類(lèi)不只限于地震、洪澇、臺(tái)風(fēng)、林火等災(zāi)害的應(yīng)急監(jiān)測(cè)，隨著新需求的出現(xiàn)、以及諸如定標(biāo)工作的開(kāi)展和分辨率提升等技術(shù)的改進(jìn)，“高分四號(hào)”衛(wèi)星應(yīng)用潛力預(yù)期將得到進(jìn)一步的挖掘。

4 結(jié)束語(yǔ)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星是目前世界上地球同步軌道上第一顆高分辨率遙感衛(wèi)星，在空間、時(shí)間和光譜維均具有很強(qiáng)的觀(guān)測(cè)能力。本文結(jié)合衛(wèi)星載荷特點(diǎn)與部分應(yīng)用需求，歸納總結(jié)了五種觀(guān)測(cè)模式，希望能夠?qū)τ谟嘘P(guān)方面應(yīng)對(duì)多種觀(guān)測(cè)需求、合理使用“高分四號(hào)”衛(wèi)星在軌觀(guān)測(cè)能力發(fā)揮一定參考作用。

References)

[1] 國(guó)務(wù)院辦公廳. 國(guó)家綜合減災(zāi)“十一五”規(guī)劃[EB/OL]. http://www.gov.cn/zwgk/2007-08/14/content 716626.htm. 2007-08-14. General Office of the State Council of the People’s Republic of China. The 11th Five-year Plan on Comprehensive Disaster Reduction[EB/OL]. http://www.gov.cn/zwgk/2007-08/14/content-716626.htm. 2007-08-14. (in Chinese)

[2] 吳瑋, 秦其明, 楊思全, 等. 面向減災(zāi)應(yīng)用的光學(xué)成像靜止衛(wèi)星能力分析[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 28(6): +84-993.

WU Wei, QIN Qiming, YANG Siquan, et al. Capacity Analysis of Optical Geostationary Satellite for Disaster Reduction[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2013, 28(6): +84-993. (in Chinese)

[3] 國(guó)家國(guó)防科工局網(wǎng)站[EB/OL]. http://www.sastind.gov.cn/n112/n117/c6621547/content.html

State Administration of Science Technology and Industry for National Defense[EB/OL]. http://www.sastind.gov.cn/ n112/n117/c6621547/content.html. (in Chinese)

[4] 楊思全, 劉龍飛, 王磊, 等. 環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星雪災(zāi)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2011, 20(6): 145-150.

YANG Siquan, LIU Longfei, WANG Lei, et al. Application Study on Assessment of Snow Disaster Monitoring with Satellite for Environment Disaster Reduction[J]. Journal of Natural Disasters, 201l, 20(6): 145-150. (in Chinese)

[5] 覃先林, 張子輝, 李增元. 一種利用HJ-1B紅外相機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別林火的方法[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 25(5): 700-706.

QIN Xianlin, ZHANG Zihui, LI Zengyuan. An Automatic Forest Fires Identification Method Using HJ-1B IRS Data[J].Remote Sensing Technology and Application, 2010, 25(5): 700-706. (in Chinese)

[6] 閆娜娜, 吳炳方, 李強(qiáng)子, 等. HJ-1A/B衛(wèi)星在干旱應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 25(5): 675-681.

YAN Nana, WU Bingfang, LI Qiangzi, et al. HJ-1A/B Satellite Application on Drought Emergency Monitoring[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2010, 25(5): 675-681. (in Chinese)

[7] 李鐵鋒, 徐岳仁, 潘懋, 等. 基于多期 SPOT-5影像的降雨型淺層滑坡遙感解譯研究[J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 43(2): 204-210.

LI Tiefeng, XU Yueren, PAN Mao, et al. Study on Interpretation of Rain-induced Group Shallow Landslides Based on Multi-period SPOT-5 Remote Sensing Images[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 2007, 43(2): 204-210. (in Chinese)

[8] 段光耀, 趙文吉, 宮輝力. 基于遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估改進(jìn)模型[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2012, 21(4): 57-61.

DUAN Guangyao, ZHAO Wenji, GONG Huili. Improved Model of Regional Flood Disaster Risk Assessment Based on Remote Sensing Data[J]. Journal of Natural Disasters, 2012, 21(4): 57-61. (in Chinese)

[9] 王麗濤, 王世新, 周藝, 等. 青海玉樹(shù)地震災(zāi)情遙感應(yīng)急監(jiān)測(cè)分析. 遙感學(xué)報(bào), 2010, 14(5): 1053-1066.

WANG Litao, WANG Shixin, ZHOU Yi, et al. Urgent Monitoring and Analysis on Yushu Earthquake Using Remote Sensing[J]. Journal of Remote Sensing, 2010, 14(5): 1053-1066. (in Chinese)

[10] 全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì). 靜止衛(wèi)星[EB/OL]. (2012-08-22). http://baike.baidu.com/view/483893.htm.

National Committee for Terms in Sciences and Technologies. Geostationary Satellite[EB/OL]. (2012-08-22). http://baike. baidu.corn/view/ 483893.htm. (in Chinese)

[11] 東方星. 我國(guó)高分衛(wèi)星與應(yīng)用簡(jiǎn)析[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2015(3): 44-48.

DONGFANG Xing. Analysis on Chinese HiEOS Satellites and Applications[J]. Satellite Application, 2015(3): 44-48. (in Chinese)

[12] 張曉虎, 陸風(fēng), 竇芳麗, 等. 國(guó)外地球同步軌道氣象衛(wèi)星成像觀(guān)測(cè)模式發(fā)展分析[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2016, 6(1): 124-128.

ZHANG Xiaohu, LU Feng, DOU Fangli, et al. Analysis on the Observation Model of Foreign Geostationary Meteorological Satellite[J]. Advances in Meteorological Science and Technology, 2016, 6(1): 124-128. (in Chinese)

[13] 王殿中. 高分辨率地球同步軌道衛(wèi)星凝視成像基本模式研究[J]. 國(guó)際太空, 2015(11): 52-54.

WANG Dianzhong. Basic Model of High-resolution GSO Satellites Staring Imaging[J]. Space International, 2015(11): 52-54. (in Chinese)

[14] 毛海穎, 馮仲科, 鞏垠熙, 等. 多光譜遙感技術(shù)結(jié)合遺傳算法對(duì)永定河土壤歸一化水體指數(shù)的研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2014(6): 1649-1655.

MAO Haiying, FENG Zhongke, GONG Yinxi, et al. Researches of Soil Normalized Difference Water Index (NDWI) of Yongding River Based on Multispectral Remote Sensing Technology Combined with Genetic Algorithm[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014(6): 1649-1655. (in Chinese)

[15] 劉韜. 靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星展示海洋監(jiān)視的重大潛力[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2014(12): 70-74.

LIU Tao. High Resolution Optical GEO Satellite Demonstrates Potentials in Ocean Monitoring[J]. Satellite Application. 2014(12): 70-74. (in Chinese)

[16] 趙英時(shí). 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003: 104.

ZHAO Yingshi. Principle and Methodology of Analysis on Remote Sensing Applications[M]. Beijing: Science Press, 2003: 104. (in Chinese)

[17] KUENZER C, DECH S, WAGNER W. Remote Sensing Time Series Revealing Land Surface Dynamics: Status Quo and the Pathway Ahead, In: Remote Sensing Time Series[M]. Berlin: Springer Publishing Company, 2015: 1-24.

[18] 韓啟金, 潘志強(qiáng), 王愛(ài)春. 民用遙感衛(wèi)星載荷在軌輻射定標(biāo)與定量應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2013, 34(2): 57-65.

HAN Qijin, PAN Zhiqiang, WANG Aichun. In-orbit Radiometric Calibration and Quantitative Application for Civil Remote Sensing Satellite Payloads[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(2): 57-65. (in Chinese)

[19] CUTLER B, COEURDEVEY L. Pléiades 1B and SPOT6 Image Quality Status after Commissioning and 1st Year in Orbit[C].

Session #3, Spotlight Session. Louisville: 2014.

Observation Capability and Application Prospect of GF-4 Satellite

WANG Dianzhong HE Hongyan

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

GF-4 satellite is the latest member of China’s high-resolution earth observation system (CHEOS) and the first high resolution remote sensing satellite at geostationary orbit in the world. In this paper, its observation capabilities in spatial, temporal and spectral dimensions are introduced. To take full advantages of these capabilities five operation modes are proposed, i.e. staring mode, cruising mode, sign-in mode, tracing mode, and night mode. Each mode is illustrated by at least one civil application case together with operation recommendation. Furthermore, two issues i.e. data continuity and data stability are discussed which play important roles in satellite data application. Pertinent on-orbit operation suggestions are proposed to ensure data continuity, and evaluation models are also proposed for data stability. This paper could help in rational use of the satellite and satisfy multiple observation needs.

GF-4 satellite; observation capability; geostationary orbit; high resolution; space remote sensing

P236

: A

: 1009-8518(2017)01-0098-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.013

王殿中，男，1979年生，2008年獲中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楣鈱W(xué)遙感器成像質(zhì)量預(yù)估與評(píng)價(jià)。E-mail：drgnw@163.com。

（編輯：龐冰）

2016-04-21

高分辨率對(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)（50-Y20A07-0508-15/16）