高分三號衛(wèi)星在應急監(jiān)測中的應用

文 | 劉建強 安文韜 梁超 曾韜 徐玉柱

1.國家衛(wèi)星海洋應用中心

2.自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室

一、前言

進入21世紀以來，隨著我國海洋權(quán)益維護、海洋防災減災、海洋資源開發(fā)以及海洋環(huán)境監(jiān)測需求的激增，《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》明確規(guī)劃了“高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項”（簡稱高分專項）等共16個重大專項工程。其中，高分三號（GF-3）衛(wèi)星工程是高分專項首批啟動的重要研制工程項目之一，該項目研制我國首顆C頻段多極化高分辨率微波遙感衛(wèi)星及配套工程，提供可靠、穩(wěn)定的高分辨率合成孔徑雷達（SAR）圖像，改善我國民用天基高分辨率SAR圖像全部依賴進口的狀態(tài)，并在引領我國民用高分辨率微波遙感衛(wèi)星應用中起到重要示范作用。

GF-3衛(wèi)星于2016年8月10日成功發(fā)射，2017年1月23日正式投入使用，能夠全天候?qū)崿F(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測，并通過左右姿態(tài)機動提升快速響應能力、擴大對地觀測范圍，其獲取的C頻段多極化SAR圖像可以用于海洋、減災、水利及氣象等多個領域，服務于我國海洋、減災、水利、氣象、農(nóng)業(yè)、國土、環(huán)保、國安、公安、住建、交通、統(tǒng)計、林業(yè)、地震、測繪、國防等多個行業(yè)。GF-3衛(wèi)星顯著提升了我國對地遙感觀測能力，是高分專項工程實現(xiàn)全天候、全天時對地觀測目標的重要基礎。

二、高分三號衛(wèi)星技術(shù)特點

GF-3衛(wèi)星是我國第一顆民用多極化微波遙感SAR衛(wèi)星，設計壽命達到8年，是迄今為止我國研制的空間分辨率最高的民用SAR衛(wèi)星。衛(wèi)星配置一套相控陣體制合成孔徑雷達系統(tǒng)，具有聚束、條帶、掃描、波模式等12種成像模式，分辨率達到1～500m，幅寬達到10～650km。采用高速信號調(diào)制技術(shù)和高增益點波束天線，實現(xiàn)2×450Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率；能夠在525s內(nèi)實現(xiàn)整星側(cè)擺63°并穩(wěn)定。

GF-3衛(wèi)星為滿足多用戶需求在系統(tǒng)設計上進行了全面優(yōu)化，具有高分辨率、大成像幅寬、多成像模式、長壽命運行等特點，主要技術(shù)指標達到或超過國際同類衛(wèi)星水平。GF-3衛(wèi)星突破星載SAR多極化和定量化遙感、低軌遙感衛(wèi)星長壽命設計等關鍵技術(shù)，提升了我國微波遙感衛(wèi)星工程研制水平。

GF-3衛(wèi)星的技術(shù)特點使其非常適合于防災減災的應急監(jiān)測。首先，GF-3具備12種成像觀測模式，可以針對臺風、洪澇、雨雪冰凍等大范圍災害和滑坡、泥石流、火災、房屋倒塌等中、小范圍災害靈活選用最佳觀測模式。其次，災害發(fā)生時通常伴隨惡劣天氣和煙塵，GF-3衛(wèi)星搭載的SAR載荷可以穿透云雨、沙塵和霧霾，且無論白天還是夜晚均可觀測，這一優(yōu)點對應急監(jiān)測至關重要。同時，GF-3衛(wèi)星具有優(yōu)秀的重訪能力，其單側(cè)視情況下平均重訪周期小于3天；雙側(cè)視情況下，在10m分辨率100km幅寬的模式下，實時觀測區(qū)（5°S～53°N、70°E～150°E）內(nèi)90%地區(qū)重訪周期小于1.5天。

三、高分三號衛(wèi)星應急監(jiān)測

GF-3衛(wèi)星投入使用后，基于其自身全天時、全天候、多種觀測模式和高重訪的技術(shù)特點，在防災減災、應急處突等應急監(jiān)測中取得了海量的應用成果，下面是其在綠潮監(jiān)測、溢油監(jiān)測、汛情監(jiān)測、地震監(jiān)測、海冰監(jiān)測、臺風監(jiān)測、極地航行保障等7個方面的具體應用情況和一些典型應用實例。

1． 綠潮監(jiān)測

自2008年起，自然資源部國家衛(wèi)星海洋應用中心每年夏季開展黃東海滸苔綠潮遙感監(jiān)測，主要數(shù)據(jù)源包括海洋一號C/D星（HY-C/D）、Terra/Aqua、高分系列等光學及SAR遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其中GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)在光學衛(wèi)星受云覆蓋影響時成為重要的協(xié)同監(jiān)測手段，有助于全天候獲取滸苔綠潮最新實況信息，進一步保障相關部門滸苔綠潮綜合防控工作開展。

圖1為2021年6月29日18時過境的GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測影像圖及滸苔綠潮監(jiān)測專題圖，可見當日黃東海滸苔綠潮主要位于青島東部、東北部及東南部海域，分布較為密集，部分滸苔綠潮已經(jīng)進入青島膠州灣內(nèi)，在青島黃島區(qū)、嶗山區(qū)也有較多滸苔綠潮登陸，影像探測范圍內(nèi)滸苔綠潮覆蓋面積達313km。

圖1 2021年6月29日GF-3衛(wèi)星綠潮監(jiān)測專題產(chǎn)品示例

2． 溢油監(jiān)測

2021年4月27日9時許，巴拿馬籍雜貨船“義?！陛啠⊿EA JUSTICE）與利比里亞籍錨泊油船“交響樂”輪（A SYMPHONY）在山東青島朝連島東南海域發(fā)生碰撞，導致油船一貨艙受損溢油。針對此次“義?！陛喤c“交響樂”輪碰撞造成的“4·27”黃海海上重大溢油事故，國家衛(wèi)星海洋應用中心立即啟動應急監(jiān)測程序，利用海洋一號（HY-1）、哨兵二號（Sentinel-2）、GF-3等國內(nèi)外遙感數(shù)據(jù)開展跟蹤監(jiān)測，為相關部門的溢油現(xiàn)場處置提供了信息支撐。

圖2為利用2021年5月2日17時50分過境的GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)對事故海域進行監(jiān)測，在事故船只“交響樂”輪位置（北緯35°44.0’、東經(jīng)120°58.4’）附近及其北側(cè)海域發(fā)現(xiàn)1處油膜分布區(qū)，油膜區(qū)位于“交響樂”輪南側(cè)偏東海域，呈彎曲狀細長條帶和不規(guī)則面狀混合形態(tài)，擴散程度較高，總面積約175km，油膜分布區(qū)東西向分布范圍約25km，南北向分布范圍約23km，中心點坐標：121°2'44"E、35°41'2"N。

圖2 2021年5月2日GF-3衛(wèi)星溢油監(jiān)測專題圖示例

3． 汛情監(jiān)測

GF-3衛(wèi)星在大型江河湖海的水體監(jiān)測中效果非常好，是汛情監(jiān)測的有效、有力的工具之一。

2020年7月江西連續(xù)降雨，導致鄱陽湖水體面積持續(xù)增大。GF-3衛(wèi)星高效地獲取了多個時次全天候全天時SAR數(shù)據(jù)，相關數(shù)據(jù)提供給自然資源江西省衛(wèi)星應用技術(shù)中心，為快速應對洪澇提供了有力依據(jù)。

GF-3衛(wèi)星獲取的鄱陽湖區(qū)域7月8日、11日、13日、15日、17日、18日的6期觀測數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示13日水體面積最大，15日有所緩解，各江河與鄱陽湖已經(jīng)連成一片，靠湖的區(qū)域不同程度受淹，湖中地勢較高的區(qū)域露出水面。7月11日、13日、15日、17日對鄱陽縣昌洲鄉(xiāng)監(jiān)測結(jié)果顯示，昌江發(fā)生潰口，昌洲鄉(xiāng)中洲全部被淹，由GF-3數(shù)據(jù)中提取了潰口位置與長度、受淹區(qū)域面積等信息，7月17日圖像顯示潰口已經(jīng)合攏。圖3展示的是7月17日GF-3衛(wèi)星鄱陽縣局部遙感影像圖。

圖3 2020年7月17日GF-3衛(wèi)星鄱陽縣局部遙感影像

2021年7月20日08時至7月21日06時，河南中北部出現(xiàn)大暴雨，鄭州、新鄉(xiāng)、開封、周口、焦作等地部分地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨，河南10個國家級氣象觀測站日降雨量突破有氣象記錄以來歷史極值。

國家衛(wèi)星海洋應用中心迅速聯(lián)系中國資源衛(wèi)星應用中心，安排GF-3衛(wèi)星觀測計劃。同時根據(jù)河南省自然資源衛(wèi)星應用技術(shù)中心的請求，篩查了近期的GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)，在獲得新SAR數(shù)據(jù)后制作了相關區(qū)域的變化對比專題圖。所有獲取的數(shù)據(jù)與制作的產(chǎn)品及時放在共享鏈接，為前方災情分析處置及時提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)保障。

圖4展示的是河南省尉氏縣賈魯河段7月15日和20日兩天獲取的兩景GF-3衛(wèi)星遙感圖像，由兩圖對比可以明顯發(fā)現(xiàn)賈魯河河道中滿是積水，且在河流的西南一側(cè)淹沒了大面積的農(nóng)田，多個村莊受到了積水的威脅。

圖4 GF-3衛(wèi)星尉氏縣賈魯河段遙感影像圖

4. 地震監(jiān)測

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2021年5月22日2時4分在青海果洛州瑪多縣發(fā)生7.4級地震，震源深度17km，震中位于34.59°N，98.34°E。震中距瑪多縣城38km、距西寧市385km。震中5km范圍內(nèi)平均海拔約4230m，震中50km范圍內(nèi)人口較少。

在獲悉地震消息后，國家衛(wèi)星海洋應用中心迅速協(xié)調(diào)中國資源衛(wèi)星應用中心安排了GF-3衛(wèi)星合成孔徑雷達拍攝，同時建立了數(shù)據(jù)與專題遙感影像產(chǎn)品共享網(wǎng)址。圖5展示的是由5月24日GF-3衛(wèi)星聚束模式觀測圖像中提取出的青海野馬灘大橋坍塌信息專題圖。

圖5 2021年5月24日GF-3衛(wèi)星青海野馬灘大橋遙感影像圖

5． 海冰監(jiān)測

每年冬季國家衛(wèi)星海洋應用中心綜合利用GF-3、HY-1等衛(wèi)星資料，對渤海及黃海北部的冬季海冰冰情開展業(yè)務化監(jiān)測，實現(xiàn)了冰期每天一期的監(jiān)測能力。2018年發(fā)布100期、2019年發(fā)布90期渤海及黃海北部海冰業(yè)務化監(jiān)測報告，向國家、海區(qū)、省市三級部門和單位提供服務，為海冰冰情監(jiān)測與災害評估和應急響應提供了不可或缺的信息支撐。

圖6顯示了2019—2020年度冬季渤海和黃海北部海冰整體時空變化分布特征，自2019年12月至2020年2月為渤海結(jié)冰期，隨著季節(jié)變換，海冰大體經(jīng)過初冰期、增長期、盛冰期和融冰期，在不同的冰期，隨著冷空氣活動影響，海冰也會出現(xiàn)不同程度的增長和消融。

圖6 2019—2020年度渤海、黃海每日海冰面積統(tǒng)計

GF-3衛(wèi)星具有較高分辨率，其對海冰冰型特征、冰上目標等都具備較好的成像效果，對于識別冰區(qū)目標和冰上航道具有顯著優(yōu)勢。由于海冰和海水對于雷達波的后向散射特征具有較大差異，在GF-3影像上就能較好地識別海水和海冰。圖7為利用GF-3衛(wèi)星寬幅掃描模式數(shù)據(jù)制作的2020年2月27日獲取的遼東灣的海冰監(jiān)測專題產(chǎn)品。

圖7 2020年2月27日GF-3衛(wèi)星渤海海冰監(jiān)測專題圖

6． 臺風監(jiān)測

從2018年開始利用GF-3、HY-2、MetOp-A/B衛(wèi)星等資料開展了西北太平洋區(qū)域臺風監(jiān)測工作，全年共監(jiān)測到21次臺風，制作臺風監(jiān)測專題圖219幅，疊加云圖臺風專題圖192幅。2019年，數(shù)據(jù)源新增HY-2B衛(wèi)星和中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT），全年共監(jiān)測到27次臺風過程，制作臺風遙感監(jiān)測專題圖384幅，及時提供給國家、海區(qū)、省市三級海洋預報部門，為汛期臺風預報會商提供了近實時的臺風實況信息保障。

圖8給出了2018年第19號臺風“蘇力”的GF-3衛(wèi)星原始影像和風場信息反演專題圖。風場反演圖中用顏色表示風速，箭頭表示風向，可以清晰看到臺風眼周圍風速可達30m/s以上，而臺風眼里風速反而很低。

圖8 2018年8月19日GF-3衛(wèi)星臺風海面風場監(jiān)測產(chǎn)品示例

7． 極地航行保障

2018年，利用雪龍船船載移動接收和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為中國第9次北極考察和第35次南極考察提供光學遙感影像及專題產(chǎn)品300余幅，技術(shù)人員在第9次北極考察前組織進行了GF-3衛(wèi)星接收試驗，確認了船載系統(tǒng)GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收能力，并在第9次北極考察和第35次南極考察期間組織進行了多次GF-3衛(wèi)星實時接收任務，提供了多幅高分辨率SAR海冰數(shù)據(jù)產(chǎn)品。根據(jù)雪龍船第35次南極考察的科考、卸貨及航行需求，依據(jù)常規(guī)服務標準制定了GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)應急觀測計劃，為雪龍船冰區(qū)航行、作業(yè)及南極中山站、羅斯海新站冰區(qū)?？啃敦浱峁┝烁叻直媛蔛AR海冰專題圖（圖9），共計30余幅，為雪龍船冰區(qū)的安全航行及?？刻峁┝酥匾?。

圖9 2018年12月1日GF-3衛(wèi)星中山站周邊海冰監(jiān)測產(chǎn)品示例

2019年，利用雪龍船船載移動接收和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為中國第36次南極破冰船航行保障提供衛(wèi)星遙感影像及專題產(chǎn)品。利用HY-1C、GF-3等自然資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)為破冰船浮冰區(qū)航行期間提供了衛(wèi)星遙感浮冰的動態(tài)變化監(jiān)測專題產(chǎn)品，為破冰船安全、迅速地在浮冰區(qū)穿行提供了保障。在中山站海冰卸貨保障方面，HY-1C、GF-3等自然資源衛(wèi)星從出航以來對中山站固定冰進行了連續(xù)監(jiān)測，獲取了亂冰區(qū)和冰裂隙分布等關鍵信息，為雪龍?zhí)栠x定了合適的著陸點，幫助考察隊合理規(guī)劃雪地車冰上運輸路線，為中山站海冰卸貨安全順利完成提供了有力的保障。

四、結(jié)論與展望

GF-3衛(wèi)星依托其技術(shù)特點和觀測優(yōu)勢，在防災救災和應急監(jiān)測上已形成了大量的應用成果，其數(shù)據(jù)已被廣泛用于海洋、減災、水利及氣象等多個領域，取得了顯著的應用效益。

GF-3衛(wèi)星后續(xù)的兩顆業(yè)務衛(wèi)星已立項研制，將于2021年10月和2022年年初發(fā)射，發(fā)射后將與GF-3衛(wèi)星一起三星組網(wǎng)運行，從而實現(xiàn)重點區(qū)域一天兩次重訪能力，進一步提升數(shù)據(jù)獲取能力，將可為應急觀測提供更充分的觀測能力保障。同時，這兩顆業(yè)務衛(wèi)星還將搭載船舶自動識別系統(tǒng)（AIS），從而實現(xiàn)與海上船舶SAR觀測數(shù)據(jù)的同步信息獲取，極大地提升對海上船舶目標的監(jiān)測能力。

在可以預見的未來，GF-3衛(wèi)星及其后續(xù)業(yè)務衛(wèi)星，將成為我國實施海洋開發(fā)、進行陸地環(huán)境資源監(jiān)測和應急防災減災的重要技術(shù)支撐，將有效改變我國高分辨率SAR圖像依賴進口的現(xiàn)狀，對海洋強國、“一帶一路”建設均具有重要意義。