高分四號衛(wèi)星應用研究探析

摘? ?要：高分四號衛(wèi)星是我國高分對地觀測系統(tǒng)中，首顆高軌道對地靜止遙感衛(wèi)星，具有全色、多光譜和紅外光譜成像能力，同時具有較高空間分辨率和高時間分辨率光學遙感，為國土、海洋、國防、水利、氣象、地震、減災、林業(yè)等多個領域提供遙感數(shù)據(jù)支持，在數(shù)據(jù)獲取時效性、產(chǎn)品精度等方面，高分四號衛(wèi)星獲取影像數(shù)據(jù)能力仍需進一步加強。

關鍵詞：高分四號? 遙感衛(wèi)星? 災害預警? 數(shù)據(jù)支持

中圖分類號：P237? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0022-03

Abstract： Gaofen-4 satellite is the first high orbit geostationary remote sensing satellite in China， which has the ability of panchromatic， multispectral and infrared spectral imaging. It also has high spatial resolution and high temporal resolution optical remote sensing. It provides remote sensing data support for many fields such as land， ocean， national defense， water， meteorology， earthquake， disaster reduction， forestry and so on. The data obtained in terms of timeliness and product accuracy， the image data acquisition ability of gaofen-4 satellite still needs to be further strengthened.

Key Words： Gaofen-4; Remote sensing satellite; Disaster warning; Data support

高分四號衛(wèi)星自發(fā)射到現(xiàn)在已經(jīng)在軌道運行4年多，為各個領域提供接近60萬份圖像數(shù)據(jù)，為我國各行業(yè)建設發(fā)展做出巨大貢獻。高分四號衛(wèi)星可以長期停留在指定區(qū)域正上方太空中，是國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項中的唯一的一顆高軌道遙感衛(wèi)星。高分四號衛(wèi)星具有全色、多光譜和紅外光譜成像能力，為國土、海洋、國防、水利、氣象、地震、減災、林業(yè)等多個領域提供遙感數(shù)據(jù)支持[1]。

高分四號衛(wèi)星為具備全天時成像能力的任務主導型衛(wèi)星，用戶僅需通過宏指令接口將任務信息上注衛(wèi)星，計算機將根據(jù)任務信息自主按照時序分發(fā)至下游機位，完成成像任務。高分四號衛(wèi)星日平均成像達72景，并且對用戶的成像任務實時響應，在處理緊急任務方面能發(fā)揮巨大作用。

1? 高分四號衛(wèi)星在各領域的應用

高分四號衛(wèi)星為我國的防災減災、森林草原火災、洪澇災害、氣象預警、地震監(jiān)測等領域提供了可靠、穩(wěn)定、快捷的光學遙感數(shù)據(jù)，并且開辟了我國同步軌道高分辨率衛(wèi)星對地觀測的新領域，為突發(fā)性災害預警預報、大面積干旱監(jiān)測、流域性洪澇災害監(jiān)測、臺風監(jiān)測預警和地震區(qū)域構(gòu)造信息提取等方面，提供了全新的技術手段。

1.1 防災減災應用

高分四號衛(wèi)星對致災因子、災害發(fā)生體、致災環(huán)境等災害，在基于對采集影像的特征參數(shù)提取后，就可以展開持續(xù)、定期、動態(tài)的監(jiān)測。高分四號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)對植被指數(shù)、地表反照率、植被覆蓋率、水體指數(shù)等參數(shù)研究提供了重要基礎，在水災、雪災、旱災的監(jiān)測和評估方面發(fā)揮重要作用。高分四號衛(wèi)星具有全天候高頻次觀測的優(yōu)勢，從而可以為地類識別提供了有效的技術和方法[2]。

森林草原火災、潰壩性洪澇災害具有突發(fā)性和變化快等特點，高分四號衛(wèi)星以其響應速度快、觀測頻率高、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，在處理突發(fā)性災害方面具有顯著優(yōu)勢。高分四號衛(wèi)星搭載有中波紅外相機，同時還搭載有可見光近紅外相機，中波紅外相機和可見光紅外相機，均適合森林火災和草原火災監(jiān)測。因為森林火災和草原火災伴隨有局部區(qū)域高溫，因為中波紅外波段對地表高溫物體非常敏感，而可見光近紅外波段，特別適合于火燒區(qū)域和燃燒濃煙的識別，中波紅外波段和可見光紅外波段相互配合，構(gòu)成針對森林火災和草原火災的監(jiān)測鏈。基于可見光紅外譜段和中波紅外譜段數(shù)據(jù)，高分四號衛(wèi)星可以快速、準確識別森林火災和草原火災區(qū)域，為應急救援工作提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

另外針對流域性的洪澇災害，高分四號衛(wèi)星以其高幅寬的優(yōu)勢，可以對這種大面積的災害情況進行時效性的觀測，并且數(shù)據(jù)處理量不高，可以為災害應急工作提供數(shù)據(jù)支撐。在大面積的旱災監(jiān)測中，高分四號衛(wèi)星可以對可見紅外光波段進行數(shù)據(jù)采集，提取植被指數(shù)及水體面積。通過與往年的同類數(shù)據(jù)對比，可以對植被的長期長勢規(guī)律和水庫的蓄水規(guī)律進行總結(jié)，監(jiān)測并預測未來干旱災害狀況和未來趨勢[3]。

1.2 氣象預警應用

我國東部和南部沿海地區(qū)是臺風高發(fā)區(qū)，平均每年遭受7～10次臺風侵襲，臺風會引發(fā)滑坡、泥石流、洪災、坍塌、風暴潮等眾多次生災害。因為臺風具有很強的破壞力，所有臺風等極端天氣的監(jiān)測和預警非常重要。高分四號衛(wèi)星將氣象觀測分辨率從千米級提高到了百米級，顯著提升我國氣象監(jiān)測預警能力。2016年7月，臺風“尼伯特”過境，國防科工局重大專項工程中心，與中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心進行了緊密的合作，對高分四號衛(wèi)星采集的影像進行了研究性分析。利用高分四號衛(wèi)星進行快速成像，實時觀測采集臺風云圖的演變過程。在隨后“瑪利亞”、“妮妲”等臺風監(jiān)測預警工作中，高分四號衛(wèi)星展現(xiàn)了秒級高頻次視頻成像功能，觀測到了臺風眼局部區(qū)域的精細化環(huán)流影像，準確獲取了臺風眼的位置。高分四號衛(wèi)星在提高了臺風災害影響觀測范圍的同時，增強了臺風預警預報的準確性。與此同時，高分四號衛(wèi)星進一步揭示了臺風云系的變化規(guī)律，尤其是小尺度云團的演變過程。高分四號衛(wèi)星還提高了臺風強度預測和降雨量預報的精度。高分四號衛(wèi)星服務氣象災害的應急領域，先后有效提升了我國臺風應急氣象監(jiān)測能力和降水預測預報能力，為提升臺風路徑估算和降水強度預報，為提升氣象預報準確率提供了重要參考。

高分四號衛(wèi)星的全天時高分辨率的優(yōu)勢，使得衛(wèi)星在監(jiān)測云系快速變化工作中精準高效，以往在云層細微紋理結(jié)構(gòu)、積云線排列分析、垂直風切換等方面屬于監(jiān)測難點，借住高分四號衛(wèi)星的中波紅外成像功能，可以幫助監(jiān)測人員更快更好的觀察中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生及演變，顯著降低了觀察夜間天氣系統(tǒng)變化工作難度。未來在霧霾污染源查找、沙塵暴監(jiān)測等領域，高分四號的全天時高分辨率的優(yōu)勢和短臨預報能力，將會發(fā)揮出更重要的作用[4]。

1.3 地震區(qū)域監(jiān)測

地震熱異?，F(xiàn)象是一種有效的地震前兆信息，利用高分四號衛(wèi)星紅外遙感及其覆蓋范圍廣、能夠連續(xù)觀測等優(yōu)勢而成為開展地震熱異常監(jiān)測的有效方法。由于太陽輻射和人類活動等會對地震紅外異常觀測帶來的影響，所以需選用夜間成像數(shù)據(jù)。高分四號衛(wèi)星的中紅外數(shù)據(jù)恰好彌補了現(xiàn)有地監(jiān)測衛(wèi)星的遠紅外和長波輻射數(shù)據(jù)的不足。

地震區(qū)域監(jiān)測需要定期獲得覆蓋監(jiān)測區(qū)域及周邊地區(qū)的光學遙感圖像，從板塊和次一級塊體的角度，分析構(gòu)造的活動模式及研究其動力學機制?，F(xiàn)有極軌衛(wèi)星具備獲取全國范圍數(shù)據(jù)的能力，其缺點是數(shù)據(jù)獲取周期長，并且易受天氣等因素影響，導致部門影像數(shù)據(jù)無法利用。同時極軌衛(wèi)星成像幅寬小，在獲取全國范圍的圖像時，需要拼接幾百景數(shù)據(jù)，導致工作量較大，并且由于成像時間不同，不同景的圖像間色調(diào)相差較大。高分四號衛(wèi)星利用其區(qū)域成像模式能夠在24～48h內(nèi)完成我國國土的全境覆蓋，在地震區(qū)域構(gòu)造調(diào)查和分析中具有很好的應用前景。

針對典型地震構(gòu)造地貌單元，基于高分四號衛(wèi)星的多時相光學數(shù)據(jù)，可以分析出斷裂帶兩側(cè)地貌單元的含水量變化以及地表植被差異。高分四號衛(wèi)星的多時相光學數(shù)據(jù)分析為開展大范圍構(gòu)造帶幾何學、運動學遙感綜合研究奠定基礎[5]。

2? 不足及展望

新時代的應急管理，具有新任務和新要求。高分四號衛(wèi)星在數(shù)據(jù)獲取的時效性，輸出產(chǎn)品的精度等方面，高分四號衛(wèi)星在獲取和處理影像數(shù)據(jù)的能力，仍需進一步加強。

2.1 簡化運管機制

高分四號衛(wèi)星從觀測任務注入到數(shù)據(jù)推送至用戶，需要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)成像能力強，但是數(shù)據(jù)時效性服務能力較弱。通過優(yōu)化高分四號衛(wèi)星觀測任務，革新任務注入和數(shù)據(jù)傳輸機制，從任務注入到產(chǎn)品輸出的各個環(huán)節(jié)，需要確保重要任務優(yōu)先注入。通過設立應急機制，確保緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先處理和推發(fā)送，可以顯著提升數(shù)據(jù)的時效性。

2.2 加強量化管理

高分四號衛(wèi)星的定量化仍處于研究階段，高分四號衛(wèi)星的設計業(yè)務能力與實際業(yè)務能力尚存在偏差。通過與實際業(yè)務緊密結(jié)合，可以充分展示和評估高分四號衛(wèi)星的優(yōu)劣。在數(shù)據(jù)輻射定標工作進程中，可以利用關鍵參數(shù)反演驗證的方式，從目標精度逆向反推出各級產(chǎn)品精度。通過構(gòu)建定量化應用精度指標體系，高分四號衛(wèi)星的產(chǎn)品輸出準確度可獲得顯著提升。

2.3 挖掘數(shù)據(jù)潛力

高分四號衛(wèi)星與傳統(tǒng)的對地靜止衛(wèi)星相比，尚未構(gòu)建系統(tǒng)化、體系化協(xié)同應用的模式和技術體系。高分四號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)應用技術，與其他對地靜止衛(wèi)星應用相比，對高頻次的觀測數(shù)據(jù)包含的隱藏信息挖掘還不夠，并且也未凸顯高分四號衛(wèi)星的高頻次觀測特性。可以通過加強高分四號衛(wèi)星與其它對地靜止衛(wèi)星的合作，在數(shù)據(jù)任務注入、輸出數(shù)據(jù)融合、產(chǎn)品信息挖掘等方面進行協(xié)同并用。依托人工智能和大數(shù)據(jù)分析等有效手段，基于高頻次海量觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建信息挖掘技術，充分發(fā)揮高分四號衛(wèi)星的響應迅速的優(yōu)勢[2]。

由于對地球同步軌道的高分辨率遙感才實現(xiàn)不久，還存在一個不斷研究改進的過程，未來高分四號衛(wèi)星的應用不會只限于地震、洪澇、臺風、火災等應急監(jiān)測。隨著新需求的出現(xiàn)和分辨率提升等技術的發(fā)展，預期高分四號衛(wèi)星的應用潛力將得到進一步的挖掘。

3? 結(jié)語

高分四號衛(wèi)星開辟了我國地球靜止軌道較高分辨率對地觀測新途徑，填補了我國乃至世界靜止軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的空白，同時具有較高空間分辨率和高時間分辨率光學遙感，為減災、氣象、地震和林業(yè)等多個行業(yè)的應用提供遙感數(shù)據(jù)服務，并為海洋、國土和水利等行業(yè)以及國防建設提供遙感數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)中國民用高分衛(wèi)星研制和衛(wèi)星遙感應用領域的新突破對地球靜止軌道遙感衛(wèi)星技術發(fā)展具有開創(chuàng)性的意義。本文總結(jié)了高分四號衛(wèi)星的優(yōu)勢和不足，并為中國靜止軌道高分辨率光學遙感領域后續(xù)發(fā)展提出重要建議。

參考文獻

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作者簡介：田瑜基（1986，9—），女，漢族，福建廈門人，碩士，測繪工程師，從事GIS、信息化技術研究工作。