環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星在軌測(cè)試自然資源典型業(yè)務(wù)應(yīng)用評(píng)價(jià)

魏英娟 梁樹能 肖晨超 李戰(zhàn)

(1 自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048) (2 河北省水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 050021)

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，多載荷衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已成為自然資源行業(yè)業(yè)務(wù)開展的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。國產(chǎn)遙感衛(wèi)星多載荷、機(jī)動(dòng)、可控、高重訪、多分辨率等特點(diǎn)，提高了我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)自給率，也為進(jìn)一步拓展國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在自然資源行業(yè)典型應(yīng)用領(lǐng)域的調(diào)查監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力提供了數(shù)據(jù)支撐[1]。

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B(HJ-2A/B)衛(wèi)星于2020年9月27日成功發(fā)射，兩顆衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)相同，設(shè)計(jì)壽命5年。該組衛(wèi)星是國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃首批啟動(dòng)的遙感業(yè)務(wù)衛(wèi)星，將接替在軌超期運(yùn)行的環(huán)境減災(zāi)一號(hào)A/B衛(wèi)星。衛(wèi)星的成功發(fā)射，將為我國應(yīng)急減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境、自然資源、水利、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、森林草原、地震等領(lǐng)域提供持續(xù)業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)[2]。

為探究環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)在自然資源行業(yè)的應(yīng)用潛力，用好衛(wèi)星數(shù)據(jù)，使其在自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用，就需要對(duì)衛(wèi)星在自然資源業(yè)務(wù)工作中的可用性開展綜合評(píng)價(jià)，以便有的放矢地在自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)中充分利用[3-4]。

自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心參與了該衛(wèi)星的在軌測(cè)試工作，結(jié)合我國自然資源行業(yè)典型業(yè)務(wù)領(lǐng)域遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求，利用HJ-2A/B衛(wèi)星在軌測(cè)試階段獲取到的16 m多光譜(CCD)數(shù)據(jù)和48 m高光譜(HSI)數(shù)據(jù)，分別從土地利用宏觀監(jiān)測(cè)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查、礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀遙感調(diào)查、遙感地質(zhì)填圖等監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域開展了應(yīng)用能力的測(cè)試評(píng)價(jià)及總結(jié)[5]。

1 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星的特點(diǎn)

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星具有高機(jī)動(dòng)能力、高精度控制、高穩(wěn)定度、載荷適應(yīng)性較強(qiáng)及長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。兩顆衛(wèi)星均配置16 m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)和大氣校正儀4種載荷，其中16 m相機(jī)通過視場(chǎng)拼接可實(shí)現(xiàn)16 m分辨率、800 km幅寬、5譜段成像；高光譜成像儀可實(shí)現(xiàn)48 m/96 m分辨率、96 km幅寬、可見至短波譜段高光譜成像；紅外相機(jī)可實(shí)現(xiàn)48～96 m分辨率、720 km幅寬、紅外多譜段成像；大氣校正儀可在軌同步獲取與16 m相機(jī)同視場(chǎng)的大氣多譜段信息，進(jìn)行氣溶膠和水汽柱濃度校正，提高輻射定量化應(yīng)用精度。衛(wèi)星參數(shù)如表1所示。

兩顆衛(wèi)星通過同軌組網(wǎng)可快速獲取地面影像，具備可見及紅外多光譜數(shù)據(jù)國土2天1張圖、高光譜數(shù)據(jù)國土15天1張圖的能力，將大幅提高我國中等分辨率可見光、紅外及高光譜數(shù)據(jù)獲取能力，滿足國家對(duì)相關(guān)領(lǐng)域遙感數(shù)據(jù)持續(xù)供給的急迫需求。

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星將與高分一號(hào)、高分六號(hào)衛(wèi)星協(xié)同組網(wǎng)運(yùn)行，這是環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星首次開展衛(wèi)星項(xiàng)目間的融合協(xié)同，星座協(xié)同將提高衛(wèi)星利用率，整體提升中國對(duì)地遙感觀測(cè)效率[6-7]。

表1 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星主要參數(shù)表Table 1 Main parameters of HJ-2A/B satellites

2 自然資源典型應(yīng)用

為驗(yàn)證環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星在自然資源主體業(yè)務(wù)中的應(yīng)用潛力，在完成衛(wèi)星系統(tǒng)、星地一體化及地面系統(tǒng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)可見近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，圍繞土地資源、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)礦產(chǎn)等調(diào)查監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，開展了自然資源應(yīng)用測(cè)試工作(見圖1)，為衛(wèi)星投入使用后順利轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[8]。

圖1 環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星自然資源典型應(yīng)用測(cè)試業(yè)務(wù)圖Fig.1 Services chart of natural resources typical application test of HJ-2A/B satellites

2.1 土地利用宏觀監(jiān)測(cè)

基于國產(chǎn)中分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用宏觀監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)源可以得到保證，投入成本少，實(shí)施周期短，可實(shí)現(xiàn)季度全國土地利用監(jiān)測(cè)，快速掌握土地利用變化情況和變化趨勢(shì)，精度符合土地利用動(dòng)態(tài)變化業(yè)務(wù)需求[9]。利用環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)開展了土地利用宏觀監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試(圖1)，影像各類地表要素間的接觸邊界清晰，影像特征明顯，地物類型可識(shí)別性高。與前時(shí)相高分一號(hào)衛(wèi)星寬視野(WFV)影像進(jìn)行變化圖斑信息提取，結(jié)果顯示前時(shí)相部分耕地、草地及建設(shè)用地，變?yōu)樾略鼋ㄖ锛巴铺钔?，結(jié)合已有驗(yàn)證監(jiān)測(cè)成果分析，解譯屬性精度達(dá)到100%，面積精度達(dá)到90%，滿足土地利用變化遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)規(guī)程要求，具有較高的大宗新增建設(shè)用地地物識(shí)別能力及識(shí)別精度，能夠滿足土地利用宏觀監(jiān)測(cè)需求?？梢?，寬幅中分辨率可見近紅外相機(jī)具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)獲取能力，數(shù)據(jù)質(zhì)量在滿足土地資源領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)完整行政轄區(qū)的需求方面，具有顯著優(yōu)勢(shì)[1]。

圖2 雄安地區(qū)土地利用宏觀監(jiān)測(cè)遙感解譯圖Fig.2 Remote sensing interpretation map of macroscopic monitoring of land use in Xiong’ an area

2.2 生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查

生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查是指利用遙感技術(shù)對(duì)由地質(zhì)作用形成并影響人類生存和發(fā)展的地質(zhì)空間環(huán)境進(jìn)行的調(diào)查、分析與評(píng)價(jià)[3]。利用環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星可見近紅外數(shù)據(jù)開展了土地荒漠化信息提取能力的測(cè)試，評(píng)測(cè)指標(biāo)主要為土地荒漠化的類型識(shí)別精度及程度識(shí)別精度?？梢娊t外影像在荒漠化土地上顯示出較強(qiáng)的可判讀性：色調(diào)符合真實(shí)地物，邊界清晰，層次豐富，紋理細(xì)節(jié)明顯，容易辨認(rèn)新月形、弧形、線性等紋理特征，風(fēng)積、風(fēng)蝕地貌，輕度、中度、重度沙質(zhì)荒漠化程度特征標(biāo)志明顯。如圖3所示解譯結(jié)果顯示，民勤縣土地沙質(zhì)荒漠化測(cè)試區(qū)與5年前時(shí)相對(duì)比，解譯結(jié)果相差-487.94 hm2，變化率為-4.94%，能夠目視解譯的最小生態(tài)地質(zhì)環(huán)境要素圖斑平均大小約3000 m2，滿足1∶25萬區(qū)域地質(zhì)環(huán)境調(diào)查地質(zhì)環(huán)境因子解譯圖斑最小上圖面積4 mm2(實(shí)地面積250 000 m2)，在土地荒漠化生態(tài)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查方面具有較好的應(yīng)用前景。

圖3 民勤縣土地沙質(zhì)荒漠化遙感解譯圖Fig.3 Remote sensing interpretation map of sandy desertification in Minqin County

2.3 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)

地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)大多需要高空間分辨率影像數(shù)據(jù)，鑒于環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率的局限性[3]，主要利用16 m可見近紅外數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程和要求開展大型特大型滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力評(píng)價(jià)，主要以傳統(tǒng)人機(jī)交互解譯為主，提取滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害，從一致性、邊界準(zhǔn)確度、可識(shí)別圖斑面積等方面評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力。從影像特征看，泥石流在影像中可以看出泥石流溝和堆積扇，容易區(qū)分出泥石流邊界(圖4)；金沙江及其支流沿岸的特大型滑坡可以看出滑坡前后緣及滑坡堆積體，容易區(qū)分出滑坡邊界(圖5)。解譯結(jié)果顯示，可見近近紅外數(shù)據(jù)基本能識(shí)別寬度大于800 m、長(zhǎng)度大于1000 m的泥石流，寬度大于400 m、長(zhǎng)度大于600 m滑坡等地質(zhì)體。總之，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星可見近紅外數(shù)據(jù)從獲取時(shí)效性，數(shù)據(jù)覆蓋能力，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面都能滿足1∶25萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

圖4 烏恰縣泥石流地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯圖Fig.4 Remote sensing interpretation map of debris flow geological hazards in Wuqia County

圖5 特大型滑坡地質(zhì)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)對(duì)比圖Fig.5 Remote sensing monitoring comparison of super-large landslide geological disasters

2.4 礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)

按照礦產(chǎn)資源開發(fā)多目標(biāo)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)基本技術(shù)要求，礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)主要是調(diào)查和監(jiān)測(cè)礦產(chǎn)資源開采點(diǎn)的分布位置、數(shù)量、開采方式、開采狀態(tài)以及固體廢棄物堆放情況等[3]。鑒于環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率的局限性，主要利用16 m可見近紅外數(shù)據(jù)，開展了露天采場(chǎng)、尾礦庫和固體廢棄物等礦山占地的范圍、位置的解譯能力評(píng)價(jià)，開采方式及狀態(tài)由于受分辨率的限制，推斷解譯的難度較大。從影像上看，地類層次分明，紋理信息豐富，邊界清晰，波段間匹配精度高，可直接通過解譯標(biāo)志準(zhǔn)確識(shí)別采場(chǎng)，固體廢棄物，尾礦庫的壩體、尾沙區(qū)、廢水區(qū)等的位置及范圍(見圖6，7)。解譯結(jié)果顯示，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的遙感解譯結(jié)果精度與已有監(jiān)測(cè)成果比較，達(dá)到87.48%?？傊?，環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星可見近紅外數(shù)據(jù)對(duì)于大型礦山遙感監(jiān)測(cè)具有很好的解譯能力，滿足1∶25萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

圖6 礦產(chǎn)資源開發(fā)要素解譯標(biāo)志圖Fig.6 Interpretation sign diagram of mineral resources development elements

圖7 遷安市礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀遙感解譯圖Fig.7 Remote sensing interpretation map of mineral resources development status in Qian’ an city

2.5 遙感地質(zhì)填圖

基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查是一切地質(zhì)工作的基礎(chǔ)[3]。利用環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星可見近紅外數(shù)據(jù)，按照1∶25萬遙感區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的相關(guān)規(guī)范或要求等，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在地層、巖石類型、構(gòu)造等各類地質(zhì)要素的屬性、形態(tài)、接觸關(guān)系等的可解譯性(圖8)；利用環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜相機(jī)載荷數(shù)據(jù)，按照高光譜數(shù)據(jù)巖礦信息提取相關(guān)技術(shù)要求，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)對(duì)巖性、礦物信息的識(shí)別精度(圖9)。

圖8 青海省冷湖鎮(zhèn)蘇干湖南地區(qū)遙感解譯地質(zhì)圖Fig.8 Remote sensing interpretation geological map of Sugan Hunan area, Lenghu Town, Qinghai Province

地質(zhì)要素的可解譯性方面，地質(zhì)體間的接觸邊界差異明顯，地質(zhì)體的識(shí)別能力較強(qiáng)，部分地質(zhì)體間的接觸邊界較為清晰，在斷裂構(gòu)造的識(shí)別、構(gòu)造位置的空間展布等構(gòu)造信息的判識(shí)上應(yīng)用效果較好，能夠滿足基礎(chǔ)地質(zhì)遙感調(diào)查對(duì)遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求?？梢?近紅外相機(jī)16 m多光譜影像數(shù)據(jù)能有效地識(shí)別并圈出長(zhǎng)度大于338 m，寬度大于82 m的閉合地質(zhì)體；寬度大于243 m、長(zhǎng)度大于690 m的塊狀地質(zhì)體；寬度大于80 m、長(zhǎng)度大于700 m的線狀地質(zhì)體(斷裂、脈巖等)，該最大識(shí)別度能夠滿足1∶250 000遙感地質(zhì)調(diào)查技術(shù)規(guī)定的規(guī)范要求。

對(duì)于高光譜巖性礦物識(shí)別，在光譜特征方面，所獲取到的測(cè)試環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)在絹云母、綠泥石、方解石及白云石等蝕變礦物具有相對(duì)較好的礦物診斷識(shí)別特征，能較好的識(shí)別和提取出該四類蝕變礦物信息，方解石、白云石礦物識(shí)別精度相對(duì)較好，與區(qū)內(nèi)大理巖地層具有一定的吻合度；綠泥石礦物和絹云母礦物識(shí)別精度一般。

圖9 青海省冷湖鎮(zhèn)東地區(qū)高光譜相機(jī)數(shù)據(jù)礦物分布圖Fig.9 Mineral distribution map of hyperspectral camera data in the east area of Lenghu Town, Qinghai Province

3 結(jié)束語

環(huán)境減災(zāi)二號(hào)A/B衛(wèi)星自然資源行業(yè)典型業(yè)務(wù)的在軌應(yīng)用測(cè)試，基本表明：該衛(wèi)星可有效用于土地利用宏觀監(jiān)測(cè)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查、礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀遙感調(diào)查、遙感地質(zhì)填圖等遙感調(diào)查監(jiān)測(cè),能夠?yàn)樽匀毁Y源調(diào)查監(jiān)測(cè)監(jiān)管的衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取提供有力保障。

從圖面質(zhì)量看，可見近紅外數(shù)據(jù)圖面清晰度好，細(xì)節(jié)地物表現(xiàn)能力強(qiáng)，信息量豐富，可解譯性高；高光譜數(shù)據(jù)光譜信息豐富，在礦物識(shí)別方面可進(jìn)行定量反演。從解譯反演精度看，可見近紅外數(shù)據(jù)解譯成果滿足1∶25萬遙感調(diào)查監(jiān)測(cè)要求；高光譜數(shù)據(jù)針對(duì)特定礦物識(shí)別的精度較高。

由于在軌測(cè)試時(shí)間較短，用于測(cè)試的有效數(shù)據(jù)還不多，基于高光譜相機(jī)和紅外相機(jī)的測(cè)試項(xiàng)很少，衛(wèi)星投入使用后，將在更多區(qū)域、更長(zhǎng)時(shí)間序列開展更為客觀可靠的應(yīng)用評(píng)價(jià)。

本次應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果僅僅基于有限的數(shù)據(jù)樣本，對(duì)環(huán)境減災(zāi)二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用能力的全面評(píng)價(jià)還需要在后續(xù)的規(guī)?；瘧?yīng)用中繼續(xù)進(jìn)行和不斷完善，以便為后續(xù)星的研發(fā)提出全面客觀的建議。