文 | 劉建強(qiáng) 安文韜 梁超 曾韜 徐玉柱
1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心
2.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著我國海洋權(quán)益維護(hù)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、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(xué)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(xiàng)”(簡稱高分專項(xiàng))等共16個(gè)重大專項(xiàng)工程。其中,高分三號(GF-3)衛(wèi)星工程是高分專項(xiàng)首批啟動的重要研制工程項(xiàng)目之一,該項(xiàng)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(dá)(SAR)圖像,改善我國民用天基高分辨率SAR圖像全部依賴進(jìn)口的狀態(tài),并在引領(lǐng)我國民用高分辨率微波遙感衛(wèi)星應(yīng)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(jī)動提升快速響應(yīng)能力、擴(kuò)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(zāi)、水利及氣象等多個(gè)領(lǐng)域,服務(wù)于我國海洋、減災(zāi)、水利、氣象、農(nóng)業(yè)、國土、環(huán)保、國安、公安、住建、交通、統(tǒng)計(jì)、林業(yè)、地震、測繪、國防等多個(gè)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(xiàng)工程實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)對地觀測目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。
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(shè)計(jì)壽命達(dá)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(dá)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(dá)到1~500m,幅寬達(dá)到10~650km。采用高速信號調(diào)制技術(shù)和高增益點(diǎn)波束天線,實(shí)現(xiàn)2×450Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率;能夠在525s內(nèi)實(shí)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(shè)計(jì)上進(jìn)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(yùn)行等特點(diǎn),主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)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(shè)計(jì)等關(guān)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(diǎn)使其非常適合于防災(zāi)減災(zāi)的應(yīng)急監(jiān)測。首先,GF-3具備12種成像觀測模式,可以針對臺風(fēng)、洪澇、雨雪冰凍等大范圍災(zāi)害和滑坡、泥石流、火災(zāi)、房屋倒塌等中、小范圍災(zāi)害靈活選用最佳觀測模式。其次,災(zāi)害發(fā)生時(shí)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(diǎn)對應(yīng)急監(jiān)測至關(guān)重要。同時(shí),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(shí)時(shí)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。
GF-3衛(wèi)星投入使用后,基于其自身全天時(shí)、全天候、多種觀測模式和高重訪的技術(shù)特點(diǎn),在防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急處突等應(yīng)急監(jiān)測中取得了海量的應(yīng)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(fēng)監(jiān)測、極地航行保障等7個(gè)方面的具體應(yīng)用情況和一些典型應(yīng)用實(shí)例。
自2008年起,自然資源部國家衛(wèi)星海洋應(yīng)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(xué)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(xué)衛(wèi)星受云覆蓋影響時(shí)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(shí)況信息,進(jìn)一步保障相關(guān)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(shí)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(dāng)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(jìn)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(dá)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
2021年4月27日9時(shí)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(dǎo)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(yīng)用中心立即啟動應(yīng)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(guān)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(shí)50分過境的GF-3衛(wèi)星SAR數(shù)據(jù)對事故海域進(jìn)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(xì)長條帶和不規(guī)則面狀混合形態(tài),擴(kuò)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(diǎn)坐標(biāo):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
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(dǎo)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(gè)時(shí)次全天候全天時(shí)SAR數(shù)據(jù),相關(guān)數(shù)據(jù)提供給自然資源江西省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心,為快速應(yīng)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(shí)至7月21日06時(shí),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(gè)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(yīng)用中心迅速聯(lián)系中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,安排GF-3衛(wèi)星觀測計(jì)劃。同時(shí)根據(jù)河南省自然資源衛(wèi)星應(yīng)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(guān)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(shí)放在共享鏈接,為前方災(zāi)情分析處置及時(shí)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(gè)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
據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,2021年5月22日2時(shí)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(yīng)用中心迅速協(xié)調(diào)中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心安排了GF-3衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)拍攝,同時(shí)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
每年冬季國家衛(wèi)星海洋應(yīng)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(wù)化監(jiān)測,實(shí)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(wù)化監(jiān)測報(bào)告,向國家、海區(qū)、省市三級部門和單位提供服務(wù),為海冰冰情監(jiān)測與災(zāi)害評估和應(yīng)急響應(yīng)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(shí)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(jì)
GF-3衛(wèi)星具有較高分辨率,其對海冰冰型特征、冰上目標(biāo)等都具備較好的成像效果,對于識別冰區(qū)目標(biāo)和冰上航道具有顯著優(yōu)勢。由于海冰和海水對于雷達(dá)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
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(fēng)監(jiān)測工作,全年共監(jiān)測到21次臺風(fēng),制作臺風(fēng)監(jiān)測專題圖219幅,疊加云圖臺風(fēng)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(fēng)過程,制作臺風(fēng)遙感監(jiān)測專題圖384幅,及時(shí)提供給國家、海區(qū)、省市三級海洋預(yù)報(bào)部門,為汛期臺風(fēng)預(yù)報(bào)會商提供了近實(shí)時(shí)的臺風(fēng)實(shí)況信息保障。
圖8給出了2018年第19號臺風(fēng)“蘇力”的GF-3衛(wèi)星原始影像和風(fēng)場信息反演專題圖。風(fēng)場反演圖中用顏色表示風(fēng)速,箭頭表示風(fēng)向,可以清晰看到臺風(fēng)眼周圍風(fēng)速可達(dá)30m/s以上,而臺風(fēng)眼里風(fēng)速反而很低。
圖8 2018年8月19日GF-3衛(wèi)星臺風(fēng)海面風(fēng)場監(jiān)測產(chǎn)品示例
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(xué)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(jìn)行了GF-3衛(wèi)星接收試驗(yàn),確認(rèn)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(jìn)行了多次GF-3衛(wèi)星實(shí)時(shí)接收任務(wù),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(wù)標(biāo)準(zhǔn)制定了GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)急觀測計(jì)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(jì)30余幅,為雪龍船冰區(qū)的安全航行及??刻峁┝酥匾巍?/p>
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(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測,獲取了亂冰區(qū)和冰裂隙分布等關(guān)鍵信息,為雪龍?zhí)栠x定了合適的著陸點(diǎn),幫助考察隊(duì)合理規(guī)劃雪地車冰上運(yùn)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。
GF-3衛(wèi)星依托其技術(shù)特點(diǎn)和觀測優(yōu)勢,在防災(zāi)救災(zāi)和應(yīng)急監(jiān)測上已形成了大量的應(yīng)用成果,其數(shù)據(jù)已被廣泛用于海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)領(lǐng)域,取得了顯著的應(yīng)用效益。
GF-3衛(wèi)星后續(xù)的兩顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星已立項(xiàng)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(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域一天兩次重訪能力,進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)獲取能力,將可為應(yīng)急觀測提供更充分的觀測能力保障。同時(shí),這兩顆業(yè)務(wù)衛(wèi)星還將搭載船舶自動識別系統(tǒng)(AIS),從而實(shí)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(biāo)的監(jiān)測能力。
在可以預(yù)見的未來,GF-3衛(wèi)星及其后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星,將成為我國實(shí)施海洋開發(fā)、進(jìn)行陸地環(huán)境資源監(jiān)測和應(yīng)急防災(zāi)減災(zāi)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(jìn)口的現(xiàn)狀,對海洋強(qiáng)國、“一帶一路”建設(shè)均具有重要意義。