中國民用陸地資源衛星在土地資源調查監測中的應用現狀與發展建議

劉順喜， 王忠武， 尤淑撐

(中國土地勘測規劃院， 北京 100035)

中國民用陸地資源衛星在土地資源調查監測中的應用現狀與發展建議

劉順喜， 王忠武， 尤淑撐

(中國土地勘測規劃院， 北京 100035)

研究目的：總結中國民用陸地資源衛星數據用于土地資源調查監測的應用現狀及存在問題，提出發展建議。研究方法：分析中國中巴資源系列衛星、北京一號小衛星、環境與災害監測小衛星等主要民用資源衛星的技術和應用現狀，歸納面臨的主要問題，并從規模化應用等角度指出發展建議。研究結果：中國民用資源衛星在土地資源調查監測領域的應用日益廣泛，但數據質量問題影響了其應用規模，急需在數據源保障能力、多要素觀測能力、多傳感器協同能力、多邊合作機制等方面全面發展。研究結論：只有提高中國民用資源衛星載荷的各項技術指標，改進數據質量問題，才能有效擴大其在土地資源調查監測的應用領域范圍并提升應用規模。

土地遙感；民用陸地資源衛星；調查監測；應用；發展建議

1 引言

在陸地資源衛星30多年的發展過程中，最具代表性的有美國的Landsat系列、IKONOS、QuickBird、GeoEye系列、WorldView系列，法國的SPOT系列，印度的IRS系列和加拿大的Radarsat雷達衛星系列等。此外，歐共體、日本、以色列、俄羅斯亦都有性能很好的資源衛星。從資源衛星發展的歷史來看，幾個主要擁有資源衛星的國家都非常注意衛星的系列化，形成各自相對獨立且比較完善的對地觀測系統。各國系列衛星的技術指標循序漸進，不斷提高。空間分辨率從低到高，波譜分辨率從少到多，時間分辨率從長到短。空間分辨率在20世紀末每10年提高一個數量級，0.5—5 m空間分辨率已經成為21世紀前10年民用遙感衛星空間分辨率的基本指標。光譜分辨率也在加速提高，已經從20世紀70年代的50—10納米發展到目前的5—10納米。時間分辨率(重訪周期)也迅速縮短，目前中等空間分辨率衛星的時間分辨率已經縮短到1天以內。

中國民用遙感衛星技術水平與發達國家之間存在較大差距，而且落后于印度等發展中國家。1999年10月14日、2003年10月21日，發射了中巴資源一號衛星(CBERS-01/02)，設計壽命為2年，在軌運行三年多。作為中國第一代傳輸型地球資源衛星，衛星遙感系統裝載19.5 m多光譜CCD相機、77.8/156 m兩種紅外掃描儀(IRMSS)和258 m寬視場成像儀(WFI)，共有11個譜段，4種不同空間分辨率，以及26天、5天的重復觀測周期，通過CCD相機側擺鏡可3天對重點地區進行重復觀測。CBERS-02B星于2007年9月19日發射，增加了2.36 m全色CCD相機，2009年5月12日因陀螺故障，不能正常提供高分辨率數據產品。CBERS-03/04星正在研制之中，將裝載5 m全色和10 m多光譜的CCD相機。2005年10月27日，中國發射了北京一號小衛星，是中國星地一體化自主經營、可自行控制、快捷地執行遙感任務的現代小衛星，目前在軌運行良好。北京一號小衛星具有多光譜中空間分辨率(32 m)及全色高空間分辨率(4 m)雙遙感器獨立運行，并有側擺能力，“北京二號”小衛星正在研制之中，空間分辨率將大幅提升。2008年9月6日，環境與災害監測小衛星(含A、B兩顆衛星，簡稱HJ-1A/B)成功發射，并構成星座，兩顆衛星同時搭載30 m多光譜CCD載荷，單臺CCD具有4天重訪周期，兩臺CCD重訪周期達到2天，而且A星還具有100 m超光譜成像儀，B星還具有150/300 m紅外探測成像儀，設計壽命3年；C星為雷達星，于2012年11月19日成功發射，具有條帶與掃描兩種工作模式，最高分辨率為5 m，最大幅寬為500 km，設計壽命3年。CBERS系列衛星、北京一號小衛星和HJ-1A/B星座的成功發射為土地資源調查監測提供了新的數據源，進一步改善了長期依賴于國外商用衛星的狀況，推動了中國資源衛星事業的發展。

2 應用現狀

自CBERS系列衛星、北京一號小衛星和HJ-1A/B星成功發射以來，其數據產品在土地資源調查監測領域得到了廣泛應用，取得了豐碩成果。

2.1 CBERS-01/02遙感數據應用

由于CBERS-01/02衛星能提供19.5 m中分辨率、113 km大幅寬的多光譜數據，因而其遙感數據在完整行政轄區的土地利用全覆蓋監測方面具有較好的優勢。許多學者也正是利用了這一優點，開展了大區域范圍的土地利用現狀調查、更新調查、變化監測、生態環境等領域研究，取得了較好的應用效果。黃淑娥等[1]利用CBERS-01的CCD數據對貴溪市的土地利用現狀進行了調查，其分類精度達86.5%。劉文峰等[2]利用CBERS-01數據，采用計算機自動分類與目視解譯相結合的方法，對尉犁縣的土地利用情況進行了1∶250000的更新調查。劉愛霞等[3]開展了基于CBERS-01數據的干旱半干旱區土地利用計算機自動分類方法研究，以新疆石河子地區為例，證明CBERS-01遙感數據在土地利用調查中的實用性。楊英蓮等[4]利用2000年和2001年兩期CBERS-01數據，監測了嗎多縣的土地利用變化情況。丁曉波等[5]進行了CBERS-02星CCD數據土地利用類型判讀和制圖試驗，表明了該數據可直接用于1 : 100000或更小比例尺的土地利用圖件的生產。李玉霞等[6以四川省2000—2004年生態環境動態監測項目為基礎，利用CBERS-02衛星遙感圖像，查明了研究區2000—2004年期間土地利用/覆蓋狀況及其動態變化。結果表明，CBERS-02衛星數據可以在土地利用/覆蓋動態監測中發揮重要作用，通過與其他遙感資料和實測數據相結合，可以縮短監測周期，降低應用成本。

國土資源部作為資源衛星應用大戶，非常重視中國資源衛星的基礎研究和產業化應用。2001年開展了“資源衛星應用系統研究”，對CBERS-01的數據質量進行了分析評價；提出了基本滿足國土資源管理需求的CBERS-03/04星傳感器性能指標建議；開展了CBERS-01數據對土地利用一二級類別識別能力的試驗，結果表明，耕地、林地、建設用地和水域等一級地類的計算機自動分類總精度能夠到達91%，二級類計算機自動分類總精度能夠到達76%，經過一定量的目視后處理，可滿足1∶50000和1∶100000土地利用分類制圖的要求。2002年開展了“資源衛星應用系統研究和開發”研究，系統分析了國際主流資源衛星的發展策略和階段性戰略演變探討了影響中國資源衛星發展的各種因素，面向國土資源管理的需求，以土地資源和礦產資源調查為主要應用目標，首次系統地定量分析了國土資源調查對國產資源衛星的技術需求；通過機載成像光譜飛行試驗、實地地面同步光譜測試、利用研發的資源衛星數據模擬方法，結合具體應用試驗分析與評價，首次提出了基本滿足未來5—15年間國土資源應用需求的中國后續資源衛星有效載荷及主要技術指標；根據國際主流資源衛星的發展策略和中國資源衛星發展的特點，首次針對中國資源衛星的整體發展策略和今后需要加強和開展的理論和技術基礎研究工作提出了合理化建議。2006年開展了“CBERS-02遙感數據在土地資源調查監測中的應用研究”，對CBERS-02的數據質量進行了分析評價；開展了CBERS-02數據的預處理、信息提取方法和實證研究研究表明CBERS-02數據可滿足1∶100000土地利用調查監測制圖的要求。2010年使用CBERS-02B星CCD數據開展全國高爾夫球場、新增機場等大宗用地監測，取得了較好效果。

2.2 北京一號小衛星遙感數據應用

北京一號小衛星32 m多光譜數據的幅寬為600 km、60天之內可覆蓋全國一次，一般可在半年內獲取云量小于5%的全國數據。因此，北京一號小衛星數據可作為全國尺度、區域尺度或流域尺度土地資源調查監測的重要而穩定的數據源。李英成等[7]利用北京一號小衛星32 m多光譜數據在山東省進行了土地利用信息提取能力評價研究，建立了土地利用分類指標，完成了山東全省的1 : 100000土地利用圖制作應用示范。王茜等[8]利用2000年的TM數據和2005年的北京一號小衛星數據，對天津市2000—2005年的土地利用變化進行監測，結果表明北京一號小衛星影像光譜信息豐富、紋理結構清晰，整體判讀情況良好，能夠滿足中等比例尺成圖要求。牟鳳云等[9]利用1984年的TM數據和2005年的北京一號小衛星數據，對北京市2000—2005年的土地利用變化進行監測，結果表明北京一號小衛星數據可以較好地用來進行土地利用信息的提取，在土地利用動態監測方面應用潛力巨大。2007年，國土資源部開展了基于北京一號小衛星數據的全國土地利用宏觀監測統計指標和土地利用信息提取方法研究。

2.3 HJ-1A/B遙感數據應用

HJ-1A/B衛星通過雙星組網觀測，30 m空間分辨率、700 km幅寬的多光譜數據能實現1天重訪。理論上來說，相對于CBERS-01/02衛星、北京一號小衛星而言，更具有完整行政轄區甚至全國的快速全覆蓋能力，也引起的眾多學者的廣泛關注。吳海平等[10]對HJ-1A/B CCD數據質量進行分析，利用其數據進行了土地利用宏觀監測實驗研究，結果表明，該數據能夠滿足制作1∶100000比例尺的正射影像圖的平面精度要求，可用于不大于1∶100000比例尺的土地利用宏觀遙感監測。易玲[11]通過對影像目視質量、光譜特性、噪聲特征和幾何糾正精度等數據質量的分析，構建最大似然、最小距離和馬氏距離3種分類器，對研究區域進行土地利用計算機自動分類，研究了小衛星影像的數據質量和土地利用分類精度。結果表明，HJ-1衛星數據質量較好，土地利用分類精度較高，可以在土地利用研究領域成為遙感數據更新的主體。

3 應用技術

由于空間分辨率的限制，CBERS系列衛星數據、北京一號小衛星數據和HJ-1衛星數據在土地利用調查監測的規模化應用，只能定位在宏觀尺度上。為了保證土地利用宏觀調查監測的必要精度，一般要求制圖比例尺為1∶100000。從理論上講，空間分辨率為20 m的CBERS系列衛星CCD數據、32 m的北京一號小衛星多光譜數據，以及30 m的HJ-1衛星CCD數據，完全可以滿足1∶100000尺度的土地利用調查監測制圖精度要求。土地利用調查監測遙感應用技術主要包括影像質量評估與應用技術研究、遙感正射影像圖制作、土地利用/覆被現狀信息提取、土地利用/覆被變化信息提取、外業調查驗證、專題圖件制作等環節。

3.1 影像質量評估與應用技術

通常情況下，從地面處理系統獲得的CBERS系列衛星數據、北京一號小衛星數據和HJ-1衛星數據為經過輻射校正、系統幾何校正的2級產品。為了全面了解該影像的質量和特點，需開展幾何定位精度、輻射特定評價(噪聲水平、信息量與清晰度、條帶噪聲水平等)、波段匹配程度、內部幾何畸變等質量評估。同時，為了保證后期正射影像圖制作、專題信息提取等步驟的精度，還需開展不同尺度不同目標識別的最佳波段選擇方法、不同類型圖件與不同分辨率圖像幾何校正方法、不同分辨率影像融合方法、多時相國產資源衛星遙感數據相對輻射校正方法、土地利用現狀/變化信息半自動提取方法等應用技術研究。 建立衛星影像質量評估和土地調查監測應用潛力評價指標體系、評價模型、評價方法和評價系統，支撐新型衛星在軌應用測試評價、衛星生命周期內數據質量退化狀況評價，以及衛星數據進入土地調查監測業務系統的前端質量評估。

3.2 遙感正射影像圖制作技術

以大于正射影像成圖比例尺的地形圖或已有正射影像圖為基礎控制資料，輔以DEM數據，先對CBERS系列衛星CCD傳感器、北京一號小衛星多光譜傳感器或HJ-1衛星CCD數據的某一波段數據進行正射校正，再將其他波段的數據與校正后波段數據進行影像配準；按照生成模擬真彩色的原則，選擇波段進行彩色合成；對彩色合成影像進行鑲嵌、分割和整飾，形成標準分幅正射影像圖。

當工作區涉及多景數據時，對重疊帶進行嚴格配準，鑲嵌誤差不低于配準誤差。鑲嵌影像應保證色調均勻、反差適中，接邊時應保證有10—50個像素的重疊帶。接邊誤差，要求平原及丘陵地區不超過1個像素，山區不超過2個像素。鑲嵌時，在兩幅圖上選取多個控制點，利用已知控制點坐標和最小二乘法求得坐標變換方程的系數，從而實現幾何重定位和灰度重采樣的方法；然后進行亮度和反差調整，以保證拼接后的圖像反差一致，色調相近，避免出現較明顯的視覺差異。業務化和規模化土地調查監測正射影像圖制作技術系統要求具有大區域影像快速正射校正、高精度自動配準、高保真融合與真彩色勻光、高效率自適應鑲嵌、并行批量和協同處理等功能，能實現完整行政轄區土地利用遙感影像圖的快速制圖。

3.3 土地利用/覆被現狀信息提取技術

土地利用/覆被現狀信息提取技術可分為兩大類：基于像元的信息提取技術和面向對象的信息提取技術。前者為傳統的方法，如最大似然法、最小距離法等，通常先建立地物遙感解譯標志，然后采用自動分類、人機交互和野外驗證相結合的流程進行土地利用/覆被現狀信息提取。后者代表了遙感信息提取的發展方向。面向對象方法首先將預處理后的遙感圖像進行區域分割，使分割后的對象或基元滿足下一步分類或目標地物提取的要求；再選擇目標地物特征(一般為特征組合)；然后結合專家知識及其他信息進行圖像分類或目標地物提取；最后將分類結果或目標地物提取結果成圖。土地利用/覆被現狀信息提取技術系統要求具有現狀信息高精度識別、高效率提取、識別精度自動評價等功能，主要識別精度優于85%。

3.4 土地利用/覆被變化信息提取技術

基于兩期正射影像圖變化信息提取的常用方法主要有影像疊加分析法和多時相直接分類法。前者是使用同一地區不同年代的衛星影像的疊加技術，可在大范圍內迅速發現土地利用變化區域。后者是先將多時相遙感數據組合成一幅單一圖像，然后再對包含了多時相信息的圖像進行監督分類，以減少夸大變化的程度，獲取較為準確可靠的變化探測結果。土地利用/覆被變化信息提取技術系統要求具有變化信息自動發現、高效率提取、提取精度自動評價等功能，主要變化信息自動發現正確率優于80%，偽變化率小于20%。

3.5 外業調查驗證技術

通過外業調查確定提取的土地利用/覆被信息的真偽、類型、范圍，并評價信息提取的相關精度。一般采用典型抽樣方法進行外業調查驗證。外業調查驗證技術系統要求具有內外業數據快速交換、外業信息高效采集成果質量自動控制等功能。

3.6 專題圖件制作技術

在正射遙感影像圖上，疊加提取的土地利用/覆被信息，并加注行政界線、地名等信息，經圖廓整飾形成專題遙感影像圖。圖件制作技術系統要求具有制圖模板定制、要素便捷修改、批量制圖處理等功能。

4 問題與建議

4.1 存在問題

近年的應用研究表明，與國外成熟的資源衛星相比，中國民用陸地資源衛星在與應用相關的有效載荷技術指標和影像質量等方面存在明顯不足，嚴重影響其在土地資源調查監測中的規模化應用。

(1)國產衛星數據的質量不高，衛星的性能不強。中國遙感衛星較發達國家起步較晚，加上西方國家在高技術領域的封鎖，致使中國衛星數據質量和衛星性能較國際上同類衛星相比存在較大差距。另外，國際上不論是美國、還是法國等其他國家，每研制一顆衛星，均要結合應用開展大量的地面模擬仿真工作，確保衛星在軌的各項技術狀態指標處于最佳狀態，保證良好的圖像質量。而中國在衛星上天前，對地面的模擬仿真工作不夠重視或工作沒有做到位，致使衛星數據的質量不高，衛星的性能不強。

(2)國產資源衛星數據與國外同類衛星數據相比，在絕對定位精度、波段間匹配精度、內部幾何畸變等幾何定位方面有很大差距。國外高分辨率衛星數據的絕對定位精度一般在3—10 m之間，波段間匹配誤差一般小于0.3個像元，內部幾何畸變一般小于1個像元；而國產資源衛星數據的絕對定位精度目前一般在30—500 m之間，波段間匹配誤差一般在1—3個像元，甚至10多個像元，內部幾何畸變一般在2—3個像元。處理國外衛星數據簡單、效率高，精度很容易滿足土地調查監測規程的要求；而處理國產衛星數據，需人工選取大量控制點效率很低，而且精度難以滿足土地調查監測規程的要求。

(3)圖像清晰度不夠，地物信息量低，有模糊感，很難通過技術處理工藝有效解決，影響了其在地物識別和制圖方面的應用效果。主要影響因素是一方面條帶和噪聲點太多，另一方面由于光學系統的MTF值偏低，導致影像的反差低而模糊、數據動態范圍過窄、影像層次較差，影像量化值普遍為8比特，無法滿足精細記錄土地利用/覆被要素信息的要求。

(4)缺乏攝影瞬時相機位置及各方向的角元素、采用的橢球投影參數、景中心點及四角點的經緯度，太陽高度角、太陽方位角、攝影時間等必要參數，以及嚴密的成像數學方程式，目前為止沒有推出與國產衛星傳感器對應的正射糾正模型與軟件模塊，無法實現國產衛星數據正射影像圖快速高精度生產。

4.2 發展建議

(1)加強影響圖像質量及其應用的衛星技術指標論證，提高國產遙感衛星數據質量和衛星性能。開展衛星平臺穩定度對圖像質量影響分析研究，從圖像質量滿足土地資源調查監測應用需求出發，論證確定衛星平臺穩定度的合理指標。從區域數據覆蓋能力出發，研究提出靈活機動的在軌成像工作模式。分析衛星載荷的空間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率、波段間配準誤差、內部幾何畸變、圖像壓縮算法和壓縮比等技術指標對土地資源調查監測業務應用的影響，研究提出合理的衛星載荷技術指標。

(2)研發針對國產衛星數據特點的土地資源調查監測業務化技術系統。重點研發本文提及的影像質量評估與應用評估、遙感正射影像圖制作、土地利用/覆被現狀信息提取、土地利用/覆被變化信息提取、外業調查驗證和專題圖件制作等技術系統，實現國產資源衛星數據在土地資源調查監測工作中的規模化應用。

(3)加強雷達遙感應用研究。土地資源調查監測工作涉及的領域眾多，任何單一類型的資源衛星數據都難以滿足規模化應用的需求，綜合利用來自不同資源衛星系列、不同傳感器類型的遙感數據是土地資源調查監測衛星遙感技術應用的長期策略和方針，可以有效地發揮各種遙感技術的優勢、彌補單一數據信息量不足給實際應用帶來的困難。雷達遙感不受天氣影響，具有全天候、全天時的觀測能力，可作為中國多云、多雨、多霧的西南等地區難以獲取光學影像的有效數據源。

(4)多邊合作，共同發展。除了國內政府投資外，吸納企業和國際投資者的資金，通過多邊合作共同發展資源衛星是一種可行模式。一方面除了政府應增加對發展資源衛星的投資外，應鼓勵地方政府、部門和民營企業參與投資或從資本市場上籌集資金；另一方面加強國際合作，積極參與國際空間對地觀測系統發展計劃，盡可能利用國外技術和資金，提高中國資源衛星研制水平和應用水平。

（References）：

［1］ 黃淑娥，張建萍.中巴地球資源衛星資料在貴溪市土地利用現狀調查的應用分析［A］ .中巴地球資源衛星應用研究文集［C］ .北京：中國宇航出版社，2003：256 - 260.

［2］ 劉文峰，高敏華，肖繼東.中巴衛星遙感資料在土地資源遙感調查中的應用［J］ .新疆氣象，2003，26(5)：23 - 26.

［3］ 劉愛霞，劉正軍，王長耀，等.基于CBERS-1圖像的干旱半干旱區土地利用分類［J］ .中科院研究生院學報，2003，20(3)：12 - 18.

［4］ 楊英蓮，伏洋.CBERS-1數據在土地利用監測中的應用［A］ .中巴地球資源衛星應用研究文集［C］ .北京：中國宇航出版社，2003：261 - 263.

［5］ 丁曉波，李英成.資源一號衛星02星CCD數據應用評價分析［R］ .資源一號衛星02星(CBERS-2)在軌測試報告，2003：499 - 507.

［6］ 李玉霞，李麗，鄭澤忠.CBERS-02圖像在土地利用/覆蓋動態監測中的應用［J］ .四川師范大學學報(自然科學版)，2006，29(5)：627 - 630.

［7］ 李英成，薛艷麗，王廣亮，等.北京一號小衛星數據土地利用信息提取能力分析［J］ .遙感信息，2006，(6)：43 - 46.

［8］ 王茜，張增祥，劉斌，等.北京一號小衛星數據在天津市土地利用動態變化監測中的應用［J］ .遙感技術與應用，2006，21(6)：502 - 506.

［9］ 牟鳳云，張增祥，劉斌，等.基于TM影像和北京一號小衛星的北京市土地利用變化遙感監測［J］ .生態環境，2007，16(1)：94 - 101.

［10］ 吳海平，劉順喜，黃世存.基于HJ-1A/B衛星CCD數據的土地宏觀監測試驗研究［J］ .遙感技術與應用，2009，24(6)：788 - 792.

［11］ 易玲，汪瀟，劉斌.HJ-1衛星數據質量及其在土地利用中的應用研究［J］ .國土資源遙感，2009，(3)：74 - 77.

（本文責編：陳美景）

Status and Suggestions on Applying Domestic Civilian Satellites to Land Resource Survey and Monitoring

LIU Shun-xi, WANG Zhong-wu, YOU Shu-cheng
(China Land Surveying and Planning Institute, Beijing 100035, China)

The purpose is to summarize current status and problems of applying the domestic civilian satellites to land resource survey and monitoring and to suggest its future development. The contents include 1) an overview of the situation on applying the three main domestic civilian satellites (CBERS, BJ-1, and HJ-1); 2) analyzing the problems; and 3) providing suggestions for a broader-scale application. The results show that remote sensing data has been used more and more deeply in land survey; however the qualities affect its large-scale application. Therefore enhancing data support capability, multi-element observing capability, multi-sensor assimilation capability, and multi-lateral cooperation mechanism are needed. Conclusions are that the application field and scale of domestic civilian satellites use in land resources survey and monitoring can be effectively promoted by improving the technical indicators of all payloads and data quality.

land remote sensing; civilian satellite; survey and monitoring; application; suggestions

TP751

A

1001-8158(2013)04-0091-06

2011-08-16

2011-12-05

國土資源高分應用示范系統先期攻關項目(E0202/1112)；國家科技合作專項國家耕地資源功態監管系統核心技術引進與合作研究項目(2012DFA20930)。

劉順喜(1961-)，男，甘肅天水人，博士，研究員。主要研究方向為土地遙感。E-mail: shunxiliu@163.com