吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展

●　文 | 長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司　李貝貝 韓冰 田甜 朱瑞飛 白楊

一、吉林一號(hào)衛(wèi)星星座概述

2014年12月，長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)光衛(wèi)星公司”）成立，是我國(guó)首家集遙感衛(wèi)星研制、運(yùn)營(yíng)管理到遙感信息服務(wù)于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈衛(wèi)星公司?；谖覈?guó)現(xiàn)階段衛(wèi)星服務(wù)和應(yīng)用模式與廣闊市場(chǎng)需求之間供需匹配不充分的現(xiàn)狀，立足于多年的光學(xué)載荷研制經(jīng)驗(yàn)和功能完備、配套齊全的衛(wèi)星裝備制造的基礎(chǔ)條件，長(zhǎng)光衛(wèi)星公司提出了吉林一號(hào)衛(wèi)星星座計(jì)劃，計(jì)劃分為兩個(gè)階段，第一階段2020年前完成60顆衛(wèi)星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球任意地點(diǎn)30min重訪；第二階段2030年前完成138顆衛(wèi)星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球任意地點(diǎn)10min重訪。

目前在研衛(wèi)星包括高分辨率光譜詳查衛(wèi)星、寬幅光學(xué)遙感普查衛(wèi)星、多功能靈巧視頻衛(wèi)星、中分辨率多光譜衛(wèi)星和技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星等5個(gè)系列，主要從現(xiàn)有衛(wèi)星的基礎(chǔ)上繼承，部分衛(wèi)星的載荷和單機(jī)進(jìn)行了大的技術(shù)改進(jìn)或升級(jí)。技術(shù)特色上，高分辨率光譜詳查衛(wèi)星全色分辨率0.5m，幅寬為20km，且配備13個(gè)譜段；寬幅光學(xué)遙感普查衛(wèi)星全色分辨率1m，幅寬為135km，是我國(guó)亞米級(jí)分辨率光學(xué)衛(wèi)星幅寬最大的衛(wèi)星；多功能靈巧視頻衛(wèi)星系列兼具視頻成像和光學(xué)推掃兩類成像模式，空間分辨率優(yōu)于1m，幅寬不少于20km。中分辨率多光譜衛(wèi)星全色空間分辨率為5m，具有25個(gè)譜段，幅寬為110km，屬于根據(jù)行業(yè)特色化應(yīng)用定制的衛(wèi)星；技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星瞄準(zhǔn)國(guó)際一流載荷和技術(shù)，是星座多元化發(fā)展和豐富星座功能的重要組成部分。

二、視頻衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

2009年，印度尼西亞與德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)合作研制發(fā)射了具備凝視成像模式的LUPAN-TUBSAT衛(wèi)星，并于2014年發(fā)射了該衛(wèi)星的后續(xù)星LUPAN-A2。加拿大UrtheCast公司利用安裝在國(guó)際空間站的高分辨率相機(jī)獲取了4K高清視頻。2013年7月，美國(guó)Skybox Imaging公司發(fā)射的Skysat-1可提供持續(xù)時(shí)間達(dá)90s的全色分辨率0.9m、幅寬8km的衛(wèi)星視頻。國(guó)防科技大學(xué)自主研制的天拓二號(hào)視頻微衛(wèi)星于2014年9月8日發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)光衛(wèi)星公司自2015年10月7日起首發(fā)，截至2018年1月19日已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射了8顆分辨率優(yōu)于1m的視頻衛(wèi)星，單個(gè)視頻衛(wèi)星整星質(zhì)量200kg左右，自帶軌道維持系統(tǒng)，衛(wèi)星兼具多種成像模式，采用全商業(yè)模式運(yùn)營(yíng)該星座并對(duì)外提供服務(wù)。珠海歐比特宇航科技股份有限公司于2017年6月發(fā)射了OVS-1/2組星，可以獲取空間分辨率1.98m的衛(wèi)星視頻。英國(guó)計(jì)劃發(fā)射5顆視頻衛(wèi)星組成的Earth-i星座，該星座的技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星已經(jīng)于2018年1月12日首發(fā)成功。

對(duì)比視頻衛(wèi)星近十年的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，隨著對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域需求更加細(xì)分和衛(wèi)星傳感器、平臺(tái)等技術(shù)的不斷提升，能夠獲取更高分辨率、更高精度和更多信息的影像或視頻的傳感器和衛(wèi)星已經(jīng)越來(lái)越多，衛(wèi)星視頻大數(shù)據(jù)因其高動(dòng)態(tài)、信息豐富和潛力大等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、減災(zāi)、國(guó)防等方向，未來(lái)繼續(xù)發(fā)展視頻衛(wèi)星的研制和應(yīng)用工作具有重要的價(jià)值和意義。

▲　吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星

▲　吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星維多利亞港影像圖

三、吉林一號(hào)衛(wèi)星星座運(yùn)營(yíng)情況

2015年10月7日，吉林一號(hào)一箭四星在酒泉衛(wèi)星中心發(fā)射成功。截至目前，長(zhǎng)光衛(wèi)星公司累計(jì)發(fā)射了10顆衛(wèi)星，包括8顆高分辨率視頻衛(wèi)星，1顆高分辨率光學(xué)衛(wèi)星，1顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星。2018年，長(zhǎng)光衛(wèi)星公司將持續(xù)發(fā)射近10顆衛(wèi)星，以完善星座數(shù)據(jù)獲取，提高對(duì)外服務(wù)能力。

已經(jīng)發(fā)射的衛(wèi)星主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

吉林一號(hào)衛(wèi)星工程一般由衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成，其中衛(wèi)星系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，長(zhǎng)光衛(wèi)星公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自主的研制和管理。吉林一號(hào)衛(wèi)星的衛(wèi)星系統(tǒng)是由長(zhǎng)光衛(wèi)星公司抓總研制；吉林一號(hào)衛(wèi)星的地面系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收、業(yè)務(wù)運(yùn)管、任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品質(zhì)檢、數(shù)據(jù)分發(fā)、視頻應(yīng)用等分系統(tǒng)，負(fù)責(zé)吉林一號(hào)在軌衛(wèi)星的運(yùn)行管理與對(duì)外服務(wù)。目前該系統(tǒng)具備任務(wù)自動(dòng)規(guī)劃、計(jì)劃自動(dòng)編排和遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)接收、生產(chǎn)、歸檔及分發(fā)能力；數(shù)據(jù)接收方面，長(zhǎng)光衛(wèi)星公司在吉林省長(zhǎng)春市自建了兩套數(shù)據(jù)接收站，租用了中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的數(shù)據(jù)接收站，可以滿足中國(guó)境內(nèi)數(shù)據(jù)接收要求；自主研發(fā)的“遙感易購(gòu)”數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)站可以滿足用戶存檔數(shù)據(jù)提取、提交定制拍攝、定制化專題產(chǎn)品；目前公司自主研發(fā)了視頻衛(wèi)星應(yīng)用分系統(tǒng)，可以生產(chǎn)三維模型產(chǎn)品、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)產(chǎn)品、超分辨率重建產(chǎn)品。

表1　吉林一號(hào)已發(fā)射衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)

四、吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星應(yīng)用探索

吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星主要成像模式包括推掃光學(xué)、衛(wèi)星凝視視頻和微光/夜光成像；推掃光學(xué)影像利用線陣推掃的方式獲取影像，與傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星獲取的靜態(tài)影像的方式一致。衛(wèi)星凝視視頻相對(duì)于一般衛(wèi)星靜態(tài)影像而言，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在一定的時(shí)間內(nèi)獲取了同一區(qū)域多張影像數(shù)據(jù)，相比于瞬時(shí)曝光在時(shí)間維度上的信息更為豐富，為衛(wèi)星應(yīng)用的拓展和延伸提供了基礎(chǔ)信息保障；利用高冗余性可提升圖像輻射質(zhì)量，如圖像去噪、超分辨率重建等；利用前后幀間數(shù)據(jù)的耦合性，獲得目標(biāo)地物的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息，諸如目標(biāo)位置、靜態(tài)特征、目標(biāo)區(qū)域地物分布情況、目標(biāo)速度和加速度等；利用不同角度拍攝的圖像數(shù)據(jù)可進(jìn)行精細(xì)三維重建等。

微光/夜光成像利用延時(shí)曝光的方式獲取地面光照亮度信息，與白天的影像互為補(bǔ)充，提高了普通光學(xué)衛(wèi)星的作業(yè)效能。通常光學(xué)衛(wèi)星利用白天成像的結(jié)果開展應(yīng)用和研究工作，視頻衛(wèi)星夜間成像可為多種行業(yè)應(yīng)用提供夜間的獨(dú)特視角，對(duì)于政府部門、行業(yè)應(yīng)用和商業(yè)化服務(wù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

綜上，圍繞吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星的主要應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤與識(shí)別、動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)、超分辨率重建、三維模型自動(dòng)構(gòu)建、夜光遙感應(yīng)用等。具體應(yīng)用探索如下：

1）運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星視頻的處理對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，確定動(dòng)態(tài)變化目標(biāo)的位置和變化矢量，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

▲　吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星機(jī)場(chǎng)移動(dòng)目標(biāo)影像圖

▲　吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星影像超分辨率重建

▲　吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星影像三維模型自動(dòng)構(gòu)建

2）動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)是利用變化檢測(cè)技術(shù)將每單幀的要素進(jìn)行快速分類與影像分割，并進(jìn)行快速處理提取變化信息，得到動(dòng)態(tài)變化信息。

3）超分辨率重建是利用視頻多幀影像數(shù)據(jù)進(jìn)行超分辨率重建和增強(qiáng)處理，實(shí)現(xiàn)空間分辨率和影像質(zhì)量的提升，得到質(zhì)量更優(yōu)、信息更豐富的影像。

4）三維模型自動(dòng)構(gòu)建是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星視頻進(jìn)行絕對(duì)定向和穩(wěn)像處理，利用多視立體匹配提高匹配成功率生成稠密的同名像點(diǎn)匹配結(jié)果，通過(guò)影像的交會(huì)形成數(shù)字表面模型，形成的產(chǎn)品網(wǎng)格精度和高程中誤差精度優(yōu)于傳統(tǒng)手段和方法。

5）夜光遙感應(yīng)用是通過(guò)衛(wèi)星影像亮度值和地面光照強(qiáng)度進(jìn)行應(yīng)用研究，主要圍繞在微光/夜光狀態(tài)下地表燈光要素和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、人類活動(dòng)強(qiáng)度、城市發(fā)展邊界等因素的相關(guān)性進(jìn)行研究，通過(guò)與光學(xué)影像、經(jīng)濟(jì)、人口等大數(shù)據(jù)融合可以得到不同類型專題應(yīng)用成果。主要應(yīng)用場(chǎng)景包括漁業(yè)及海上非法活動(dòng)監(jiān)管，城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)與發(fā)展?fàn)顩r評(píng)估，突發(fā)事件應(yīng)急與輔助救援，軍事情報(bào)支撐等方面。

▲　吉林一號(hào)視頻03星香港回歸20周年紀(jì)念日前拍攝的香港夜景

▲　吉林一號(hào)視頻03星拍攝的月球表面組圖

五、總結(jié)與展望

吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星可通過(guò)一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行凝視視頻成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域和目標(biāo)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，面向的應(yīng)用領(lǐng)域和方向包括：①軍事行動(dòng)保障；②港口、機(jī)場(chǎng)等時(shí)敏區(qū)域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；③自然災(zāi)害過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；④交通路況監(jiān)測(cè)；⑤多源數(shù)據(jù)融合同化反演等。

2015年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外視頻衛(wèi)星均取得了快速的發(fā)展。以長(zhǎng)光衛(wèi)星公司為代表的遙感衛(wèi)星公司，通過(guò)自主研制的視頻衛(wèi)星和地面快速接收處理設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星視頻高效近實(shí)時(shí)接入；吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星功能豐富、數(shù)據(jù)類型多樣，包括衛(wèi)星視頻、普通光學(xué)、夜光影像等標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品以及各類面向應(yīng)用的專題成果和高級(jí)產(chǎn)品。展望視頻衛(wèi)星的應(yīng)用發(fā)展，可以預(yù)見：

▲　吉林一號(hào)視頻衛(wèi)星2017年8月8日九寨溝地震后拍攝的九寨溝縣城三維示意圖

1）衛(wèi)星凝視視頻成像和多星組網(wǎng)提高視頻衛(wèi)星時(shí)間分辨率,改變了傳統(tǒng)靜態(tài)遙感認(rèn)知地物的方式；持續(xù)改進(jìn)地面快速接收和處理能力，縮短視頻響應(yīng)時(shí)間，快速接入視頻衛(wèi)星動(dòng)態(tài)變化信息有助于擴(kuò)展視頻衛(wèi)星的應(yīng)用場(chǎng)景。

2）發(fā)展一星多用、一星復(fù)用，衛(wèi)星可以提供推掃、視頻、夜光多種數(shù)據(jù)類型，最大限度發(fā)揮了遙感衛(wèi)星的使用效能，極大豐富了衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，亟待開展多源數(shù)據(jù)融合研究和工程化應(yīng)用工作。

3）下一步，隨著高低軌視頻、SAR等視頻衛(wèi)星的發(fā)射，視頻衛(wèi)星星座在功能、應(yīng)用模式上應(yīng)當(dāng)與傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星星座充分結(jié)合互補(bǔ)，通過(guò)星座路由或組合觀測(cè)的方式，最大限度挖掘遙感衛(wèi)星靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息的豐富價(jià)值。