“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品減災(zāi)服務(wù)時(shí)效性測(cè)試

吳瑋秦其明范一大劉明舒陽

（1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

（2 民政部國(guó)家減災(zāi)中心，北京 100124）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品減災(zāi)服務(wù)時(shí)效性測(cè)試

吳瑋1,2秦其明1范一大2劉明2舒陽2

（1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

（2 民政部國(guó)家減災(zāi)中心，北京 100124）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用服務(wù)的時(shí)效性是工程建設(shè)、管理和應(yīng)用部門普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題，也是評(píng)價(jià)災(zāi)害應(yīng)急階段“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品快速服務(wù)能力的重要指標(biāo)。文章針對(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星及其有效載荷成像特點(diǎn)，在分析不同衛(wèi)星成像模式下減災(zāi)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，提出了“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視、區(qū)域和機(jī)動(dòng)巡查模式下，數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)效性測(cè)試方案以及減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)效性測(cè)試方案。結(jié)果表明，“高分四號(hào)”衛(wèi)星具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)靈活性和高時(shí)效觀測(cè)能力，最快能在1個(gè)半小時(shí)以內(nèi)實(shí)現(xiàn)從需求申請(qǐng)到產(chǎn)品生產(chǎn)的全鏈路數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)計(jì)劃編排和衛(wèi)星應(yīng)急觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)較短，反應(yīng)速度較快，但地面數(shù)據(jù)處理、分發(fā)和傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)受多因素影響，時(shí)長(zhǎng)伸縮性大。隨著“高分四號(hào)”衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)服務(wù)工作日趨穩(wěn)定成熟，全鏈路數(shù)據(jù)服務(wù)的時(shí)效性會(huì)得到進(jìn)一步提高，在國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)中的數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)支撐作用將日益凸顯。

減災(zāi)應(yīng)用 時(shí)效性 數(shù)據(jù)服務(wù) “高分四號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

2015年12月29日0時(shí)04分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征三號(hào)”乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射“高分四號(hào)”衛(wèi)星，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道位置，“高分四號(hào)”衛(wèi)星的成功發(fā)射標(biāo)志著我國(guó)“十二五”航天宇航任務(wù)圓滿收官，也標(biāo)志著我國(guó)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警與評(píng)估達(dá)到分鐘級(jí)高頻次監(jiān)測(cè)能力[1]。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星作為國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”中發(fā)射的第三顆民用遙感衛(wèi)星，是全球首發(fā)地球靜止軌道高分辨率光學(xué)成像對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。該衛(wèi)星定點(diǎn)于東經(jīng)105.6°赤道上空，對(duì)中國(guó)及周邊地區(qū)進(jìn)行高時(shí)間分辨率的近實(shí)時(shí)觀測(cè)，能夠以分鐘級(jí)甚至秒級(jí)間隔進(jìn)行高頻率拍攝，并在較短時(shí)間內(nèi)將拍攝圖像傳回地面處理中心[2]。“高分四號(hào)”衛(wèi)星具有與傳統(tǒng)靜止軌道氣象海洋衛(wèi)星一致的極高時(shí)間分辨率觀測(cè)和大幅寬特點(diǎn)，同時(shí)又具備與陸地衛(wèi)星相似的中分辨率地物辨識(shí)能力，整星觀測(cè)機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)，反應(yīng)速度快，在減災(zāi)與應(yīng)急管理中有著十分廣闊的應(yīng)用前景?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)的時(shí)效性一直是衛(wèi)星工程建設(shè)、管理和應(yīng)用部門普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題，也是評(píng)價(jià)衛(wèi)星應(yīng)用能力的重要指標(biāo)。減災(zāi)救災(zāi)工作直接關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和政府科學(xué)決策，對(duì)于衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)的及時(shí)性有著特別突出迫切的需求。

為科學(xué)評(píng)價(jià)“高分四號(hào)”衛(wèi)星在減災(zāi)救災(zāi)中應(yīng)用的時(shí)效性，本文緊密結(jié)合“高分四號(hào)”衛(wèi)星及其有效載荷的成像模式與技術(shù)特點(diǎn)，在充分分析衛(wèi)星減災(zāi)救災(zāi)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了星地聯(lián)合的全鏈路服務(wù)時(shí)效性測(cè)試方案；通過實(shí)際測(cè)試，從數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)覆蓋需求滿足度、時(shí)長(zhǎng)等角度科學(xué)分析和評(píng)價(jià)“高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)的時(shí)效性，為后續(xù)開展“高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)業(yè)務(wù)化應(yīng)用、完善應(yīng)急工作規(guī)程提供借鑒。

1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星及其載荷特點(diǎn)

與距離地面數(shù)百千米的低軌道遙感衛(wèi)星不同，“高分四號(hào)”衛(wèi)星位于地球赤道上空，相對(duì)于地球靜止不動(dòng)，工作的空間環(huán)境更為惡劣復(fù)雜。該衛(wèi)星是我國(guó)首顆整星設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)8年的遙感衛(wèi)星，具有成像模式多樣的特點(diǎn)，包括區(qū)域模式、凝視模式和機(jī)動(dòng)巡查模式，為更好地滿足減災(zāi)與應(yīng)急業(yè)務(wù)需求提供了多種選擇。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星上搭載了一臺(tái)高分辨率光學(xué)遙感凝視相機(jī)，它具備可見光近紅外通道50m像元分辨率和中波紅外通道400m像元分辨率的探測(cè)能力，單景幅寬分別為500km×500km和400km×400km。該相機(jī)首次采用面陣凝視成像體制和可見光近紅外與中波紅外共口徑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可見光/紅外共用一個(gè)口徑，通過分色裝置可同時(shí)對(duì)地面成像，在進(jìn)行可見光拍攝時(shí)，相機(jī)還提供全色、紅、綠、藍(lán)、近紅外等五種濾鏡切換服務(wù)[3]。此相機(jī)還可以通過積分時(shí)間調(diào)整技術(shù)控制曝光時(shí)間，高亮、低亮全能應(yīng)對(duì)，具備強(qiáng)大又靈活的亮度適應(yīng)功能[4]?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星這種大幅寬、全天時(shí)觀測(cè)和機(jī)動(dòng)靈活的特性，為快速及時(shí)開展災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供有力的保障?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星和相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星和相機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes of GF-4 satellite and its payloads

2 衛(wèi)星成像模式減災(zāi)應(yīng)用需求分析

我國(guó)自然災(zāi)害種類多樣、發(fā)生頻繁、地域分布廣闊、季相性特征明顯。及時(shí)開展災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)，快速捕捉大范圍災(zāi)害的時(shí)空變化，高時(shí)效地獲取地表承災(zāi)體的損毀信息對(duì)遙感衛(wèi)星提出了高效率的觀測(cè)要求。多模式觀測(cè)是“高分四號(hào)”衛(wèi)星成像的一個(gè)顯著特點(diǎn)，通過衛(wèi)星整星的姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)與高穩(wěn)定控制，能夠滿足不同災(zāi)害觀測(cè)對(duì)象和不同工作任務(wù)對(duì)衛(wèi)星快速觀測(cè)的應(yīng)用需求。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星不同的成像工作模式在減災(zāi)與應(yīng)急服務(wù)中的應(yīng)用需求不同，具體如下：

（1）凝視模式

凝視成像技術(shù)是“高分四號(hào)”衛(wèi)星觀測(cè)的一大特色。該模式是指衛(wèi)星整體姿態(tài)保持不變，始終對(duì)500km×500km的固定區(qū)域進(jìn)行不間斷的連續(xù)成像。凝視模式既可以通過分時(shí)切換方式實(shí)現(xiàn)可見光近紅外通道的全譜段連續(xù)觀測(cè)，又可以與中波紅外結(jié)合實(shí)現(xiàn)同時(shí)相同步觀測(cè)。凝視成像適合應(yīng)用于對(duì)空間范圍不大、發(fā)展演變十分迅速的災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般在數(shù)小時(shí)內(nèi)要求完成災(zāi)害重復(fù)觀測(cè)任務(wù)，滿足時(shí)效性要求很高的災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)需求。如對(duì)于潰壩型洪澇災(zāi)害、森林草原火災(zāi)、大型滑坡泥石流、堰塞湖等，可發(fā)揮凝視成像的優(yōu)勢(shì)，在一段時(shí)間內(nèi)通過固定時(shí)間間隔對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行不間斷成像，從而捕捉災(zāi)害的空間變化情況。盡管凝視成像只是對(duì)單景圖像覆蓋區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，但 500km×500km觀測(cè)范圍可以實(shí)現(xiàn)重特大災(zāi)害重災(zāi)區(qū)的高頻次觀測(cè)，使得“高分四號(hào)”衛(wèi)星成為災(zāi)區(qū)高時(shí)效觀測(cè)的重要手段。

（2）區(qū)域模式

區(qū)域成像模式是對(duì)一個(gè)大于 500km×500km的連續(xù)空間區(qū)域，通過機(jī)動(dòng)調(diào)整“高分四號(hào)”衛(wèi)星的指向和姿態(tài)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行步進(jìn)式成像，獲取多景觀測(cè)圖像后通過拼接形成一幅覆蓋觀測(cè)需求區(qū)域的圖像。區(qū)域模式下，既可以采用單譜段進(jìn)行大區(qū)域單色成像，又可以采用可見光近紅外的全譜段方式進(jìn)行成像，還能與中波紅外譜段相結(jié)合進(jìn)行同步成像。區(qū)域模式特別適合于對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和大范圍災(zāi)害進(jìn)行快速成像。如針對(duì)流域性的洪澇災(zāi)區(qū)、西北牧區(qū)雪災(zāi)區(qū)、西南干旱地區(qū)、黃河上游冰凌區(qū)等，根據(jù)應(yīng)用目的，可每天或間隔數(shù)小時(shí)進(jìn)行快速成像觀測(cè)。區(qū)域模式對(duì)于成像范圍沒有特定的要求，可以是 2景×2景的1 000km×1 000km范圍，也可以4景×4景的2 000km×2 000km范圍，甚至可以范圍更大。由于“高分四號(hào)”衛(wèi)星觀測(cè)幅寬大，通常2景×2景即可滿足重特大災(zāi)害大部分一般災(zāi)區(qū)的觀測(cè)需求。

（3）機(jī)動(dòng)巡查模式

機(jī)動(dòng)巡查模式是利用“高分四號(hào)”衛(wèi)星姿態(tài)高可控、機(jī)動(dòng)靈活的能力，對(duì)多個(gè)地區(qū)進(jìn)行交替式的巡查成像，從而可以獲取不同熱點(diǎn)地區(qū)的 500km×500km范圍連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。機(jī)動(dòng)巡查模式既可以僅僅采用可見光近紅外連續(xù)觀測(cè)，又可以與中波紅外配合實(shí)現(xiàn)同步觀測(cè)。我國(guó)自然災(zāi)害多種多樣，災(zāi)害多發(fā)并發(fā)特征明顯，利用“高分四號(hào)”衛(wèi)星機(jī)動(dòng)巡查成像模式，可以同時(shí)應(yīng)對(duì)多場(chǎng)并發(fā)災(zāi)害，保證災(zāi)害應(yīng)急觀測(cè)的及時(shí)性。如針對(duì)東北地區(qū)森林草原火災(zāi)、新疆西北部融雪性洪水和華南地區(qū)的春汛，通過合理安排衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃，可對(duì)三處災(zāi)害發(fā)生地區(qū)進(jìn)行交替式重復(fù)觀測(cè)，在數(shù)小時(shí)內(nèi)達(dá)到多災(zāi)多任務(wù)高時(shí)效應(yīng)對(duì)的目的。

3 減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)時(shí)效性測(cè)試流程

“高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)能力的高低不僅取決于衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測(cè)能力，還依賴于地面系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)等綜合支撐能力。因此，“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)時(shí)效性也不僅僅是衛(wèi)星觀測(cè)的時(shí)效性，而是星地一體化全鏈路服務(wù)的時(shí)效性，是星地系統(tǒng)綜合服務(wù)能力的體現(xiàn)?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)流程如圖1所示。用戶根據(jù)災(zāi)害遙感應(yīng)用需求，首先向“高分四號(hào)”衛(wèi)星任務(wù)管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提出特定區(qū)域、特定時(shí)間的凝視模式、區(qū)域模式或機(jī)動(dòng)巡查模式的衛(wèi)星觀測(cè)需求。任務(wù)管理系統(tǒng)在接收到觀測(cè)需求后，通過解析分析，編排衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃，并將任務(wù)指令傳輸至測(cè)控系統(tǒng)。經(jīng)過測(cè)控系統(tǒng)上注運(yùn)控指令，調(diào)度“高分四號(hào)”衛(wèi)星按任務(wù)要求開展不同模式的成像。衛(wèi)星系統(tǒng)完成觀測(cè)任務(wù)后，將原始數(shù)據(jù)下傳至地面接收站，由接收站將數(shù)據(jù)傳輸至地面處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。通過專項(xiàng)鏈路，地面處理系統(tǒng)將處理后的“高分四號(hào)”衛(wèi)星1級(jí)輻射校正數(shù)據(jù)傳輸至減災(zāi)應(yīng)用系統(tǒng)。最后，用戶在接收到全部有效數(shù)據(jù)后，開展輻射定標(biāo)、幾何校正、災(zāi)害遙感特征參數(shù)提取等工作，完成減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品服務(wù)任務(wù)。由此可見，“高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)涉及的系統(tǒng)多、鏈路長(zhǎng)，其時(shí)效性是多系統(tǒng)協(xié)同能力的綜合體現(xiàn)。因此，針對(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用服務(wù)的時(shí)效性測(cè)試應(yīng)包含數(shù)據(jù)服務(wù)的時(shí)效性測(cè)試和減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)效性測(cè)試等兩個(gè)方面。

其中，測(cè)試數(shù)據(jù)服務(wù)的時(shí)效性是統(tǒng)計(jì)從不同衛(wèi)星觀測(cè)模式需求的提出到觀測(cè)任務(wù)編排、指令上行、數(shù)據(jù)下傳接收、地面數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)全部推送到減災(zāi)應(yīng)用系統(tǒng)的全過程所需時(shí)間，進(jìn)而評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)服務(wù)的正確性、完整性和時(shí)效性。這里針對(duì)凝視成像模式，為更好體現(xiàn)凝視成像特點(diǎn)，測(cè)試中安排對(duì)一個(gè)固定區(qū)域進(jìn)行間隔5min的連續(xù)5次成像，同時(shí)獲取可見光近紅外和中波紅外成像數(shù)據(jù)。針對(duì)區(qū)域模式，從實(shí)際需求出發(fā)，為測(cè)試區(qū)域成像模式下“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)的最快時(shí)間，測(cè)試中安排2景×2景區(qū)域范圍進(jìn)行成像，獲取可見光近紅外和中波紅外成像數(shù)據(jù)。針對(duì)機(jī)動(dòng)巡查模式，為更好體現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)能力，測(cè)試中針對(duì)三個(gè)大跨度、不連續(xù)的地理位置進(jìn)行交替式成像，獲取每個(gè)區(qū)域兩個(gè)時(shí)相的可見光近紅外和中波紅外成像數(shù)據(jù)。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星災(zāi)害監(jiān)測(cè)目標(biāo)、產(chǎn)品內(nèi)容多種多樣，不同的應(yīng)用任務(wù)其產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間存在很大差異。因而，測(cè)試“高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)效性更側(cè)重于應(yīng)急階段在第一時(shí)間提供減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品的時(shí)效性。考慮到“高分四號(hào)”衛(wèi)星在減災(zāi)救災(zāi)中主要應(yīng)用于洪澇、旱災(zāi)和雪災(zāi)等災(zāi)害監(jiān)測(cè)，因而在獲取數(shù)據(jù)后的第一時(shí)間可提供相應(yīng)的植被指數(shù)、水體指數(shù)和雪蓋等災(zāi)害遙感特征參數(shù)/指數(shù)產(chǎn)品，依托高分減災(zāi)應(yīng)用示范等軟件系統(tǒng)，分別統(tǒng)計(jì)基于單景“高分四號(hào)”衛(wèi)星圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正和生產(chǎn)歸一化差分植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）[5-7]、歸一化差分水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）[8-10]和雪蓋范圍所需時(shí)間。其中，NDVI是利用“高分四號(hào)”衛(wèi)星第4譜段紅光和第5譜段近紅外間的波譜關(guān)系；NDWI則是利用“高分四號(hào)”衛(wèi)星第3譜段綠光和第5譜段近紅外間的波譜關(guān)系，而雪蓋范圍則是采用單通道綠波段閾值方法獲取雪蓋范圍。

圖1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)流程圖Fig.1 Flow chart of GF-4 satellite data and information products service

4 時(shí)效性測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)不同衛(wèi)星觀測(cè)模式，“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)效性測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。而對(duì)于減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品服務(wù)時(shí)效性的測(cè)試，由于僅測(cè)試產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，考慮到季相、地理環(huán)境等因素，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只要滿足覆蓋有植被、水體、積雪區(qū)域即可。

表2 “高分四號(hào)”衛(wèi)星時(shí)效性測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.2 Timeliness test data of GF-4 satellite

4.2 時(shí)效性測(cè)試結(jié)果與評(píng)價(jià)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)與減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品時(shí)效性測(cè)試結(jié)果如表3～4所示。表3中分別針對(duì)凝視、區(qū)域和機(jī)動(dòng)巡查等三種成像模式下數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)效性進(jìn)行測(cè)試，其中，計(jì)劃申請(qǐng)至衛(wèi)星成像總時(shí)長(zhǎng)是指由用戶提出觀測(cè)計(jì)劃到衛(wèi)星對(duì)需求區(qū)域進(jìn)行成像的時(shí)間；衛(wèi)星工作總時(shí)長(zhǎng)是指衛(wèi)星相機(jī)開機(jī)和關(guān)機(jī)間隔時(shí)間；數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)生產(chǎn)總時(shí)長(zhǎng)是指從衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳到地面站接收到地面處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)1級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)間；數(shù)據(jù)生產(chǎn)到數(shù)據(jù)推送總時(shí)長(zhǎng)是指從數(shù)據(jù)進(jìn)行1級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)到數(shù)據(jù)專線推送至減災(zāi)應(yīng)用示范系統(tǒng)指定存儲(chǔ)盤陣的時(shí)間；數(shù)據(jù)服務(wù)總時(shí)長(zhǎng)是指從用戶提出觀測(cè)申請(qǐng)到用戶收到全部所需觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間。表 4是分別針對(duì)NDVI、NDWI和雪蓋范圍等三種應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)效性進(jìn)行測(cè)試，災(zāi)害遙感特征參數(shù)/指數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)總時(shí)長(zhǎng)是指對(duì)獲取的單幅“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正和信息提取等處理所需的總時(shí)間。

表3 “高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)效性測(cè)試結(jié)果表Tab.3 Timeliness test result of GF-4 satellite data min

表4 “高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品時(shí)效性測(cè)試結(jié)果表Tab.4 Timeliness test result of GF-4 satellite disaster reduction application products

“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)效性不只是包含衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，而是涉及到多個(gè)系統(tǒng)、多個(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)服務(wù)總時(shí)長(zhǎng)易受到多種因素影響，同樣獲取5景左右“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)，三種成像模式測(cè)試中最快能夠?qū)崿F(xiàn)1h10min完成從需求申請(qǐng)到數(shù)據(jù)全部推送到位，最慢則延遲到5h33min。其中，從不同模式觀測(cè)計(jì)劃申請(qǐng)到衛(wèi)星開機(jī)成像的時(shí)長(zhǎng)會(huì)受到觀測(cè)需求解析、任務(wù)計(jì)劃編排、測(cè)控指令上行等多個(gè)環(huán)節(jié)的影響，最快為 32min，最慢為 1h01min，表明衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)安排響應(yīng)時(shí)效性很高，可以快速實(shí)現(xiàn)以需求為牽引的衛(wèi)星觀測(cè)成像。衛(wèi)星開關(guān)機(jī)總時(shí)長(zhǎng)最短為2景×2景區(qū)域成像模式下的19min，最慢為凝視成像模式下間隔5min連續(xù)5次成像的39min，衛(wèi)星工作時(shí)長(zhǎng)主要根據(jù)觀測(cè)的需求來制定。而在機(jī)動(dòng)巡查模式下，衛(wèi)星工作總時(shí)長(zhǎng)為30min，表明針對(duì)我國(guó)任意三處位置，基本可實(shí)現(xiàn)30min內(nèi)連續(xù)觀測(cè)兩次的目的?！案叻炙奶?hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星成像到衛(wèi)星下傳的準(zhǔn)實(shí)時(shí)過程，“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地面接收到地面處理系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)預(yù)處理的時(shí)長(zhǎng)涉及到地面站間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)生產(chǎn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，最快為16min，最慢則推遲到2h10min，伸縮性很大，在數(shù)據(jù)傳輸鏈路暢通和數(shù)據(jù)落盤存儲(chǔ)無誤情況下，時(shí)效性主要受到地面處理系統(tǒng)能力和處理任務(wù)優(yōu)先順序安排的影響。數(shù)據(jù)生產(chǎn)到專線推送至用戶的時(shí)長(zhǎng)會(huì)受到“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸鏈路等因素影響，時(shí)長(zhǎng)最快可達(dá)3min，最慢則延遲到3h33min，說明這部分較長(zhǎng)的推送時(shí)間還有很大的壓縮空間。為實(shí)現(xiàn)“高分四號(hào)”衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品的第一時(shí)間服務(wù)能力，針對(duì)單景衛(wèi)星圖像，依托現(xiàn)有成熟系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)16min內(nèi)完成NDVI、NDWI或雪蓋范圍產(chǎn)品的生產(chǎn)，主要受到數(shù)據(jù)定標(biāo)、大氣校正、反射率反演和幾何校正等因素的影響，而信息提取時(shí)間較短，一般在1min左右即可完成。

通過三種模式下“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)測(cè)試，不難發(fā)現(xiàn)，從數(shù)據(jù)完整性角度分析，針對(duì)每一種成像模式，減災(zāi)用戶均能夠獲得符合數(shù)據(jù)接口規(guī)范的數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容完整。從數(shù)據(jù)正確性角度分析，用戶能夠獲取滿足計(jì)劃申請(qǐng)所需時(shí)間、地域和譜段等需求的“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取量與相應(yīng)的觀測(cè)模式保持一致。從數(shù)據(jù)覆蓋滿足度分析，由于“高分四號(hào)”衛(wèi)星成像幅寬大、覆蓋區(qū)域廣，對(duì)成像范圍沒有特定限制，因此，完全能夠滿足用戶區(qū)域觀測(cè)需求。

5 結(jié)束語

“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取和減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品服務(wù)的時(shí)效性是災(zāi)害應(yīng)急階段第一時(shí)間數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)能力的充分體現(xiàn)。本文從不同衛(wèi)星成像模式特點(diǎn)及減災(zāi)應(yīng)用需求出發(fā)，提出了“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視、區(qū)域和機(jī)動(dòng)巡查模式下數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)效性測(cè)試方案以及第一時(shí)間減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品服務(wù)時(shí)效性測(cè)試方案。結(jié)果表明，“高分四號(hào)”衛(wèi)星具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)靈活性和高時(shí)效觀測(cè)能力，最快能在 1h30min以內(nèi)實(shí)現(xiàn)從觀測(cè)需求提出端到減災(zāi)應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)端的全鏈路數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃編排和衛(wèi)星應(yīng)急觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)較短，反應(yīng)速度較快，但地面數(shù)據(jù)處理、分發(fā)和傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)受多因素影響，伸縮性很大。由于“高分四號(hào)”衛(wèi)星在軌測(cè)試期間全鏈路測(cè)試時(shí)間短，演練案例較少，隨著衛(wèi)星投入使用和大規(guī)模使用，“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)工作將逐步穩(wěn)定成熟，全鏈路數(shù)據(jù)服務(wù)的時(shí)效性還將進(jìn)一步得到提高，對(duì)國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)支撐作用將會(huì)更加突出。

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Timeliness Testing of GF-4 Satellite Data Product and Disaster Reduction Application Service

WU Wei1, 2QIN Qiming1FAN Yida2LIU Ming2SHU Yang2

（1 School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China）
（2 National Disaster Reduction Center of China, Ministry of Civil Affairs, Beijing 100124, China）

The timeliness of GF-4 satellite data product and application service is a hot issue of common concern of the project construction, management and application departments, and an important indicator of GF-4 satellite quick service capability during disaster emergency. In this paper, according to GF-4 satellite and its payload imaging characteristics, disaster reduction application demands are analyzed based on different satellite imaging modes. A testing scheme of data service timeliness in GF-4 satellite gazing, region and mobile patrol imaging modes, and a testing scheme of the timeliness of the production of disaster reduction application products are put forward. The results show that the GF-4 satellite has a strong flexibility and high timely observation capabilities, the shortest time of full link GF-4 satellite data and disaster reduction application products can be within 1.5 hours. The test shows that the time are short for the satellite observation plan and the satellite emergency observation and the reaction speed is relatively high, but the duration of the ground data processing, distribution and transmission is influenced by many factors and changes largely in differentimaging modes. With GF-4 satellite stable operation for long-term, data services will become more and more mature and stable. Thus, the timeliness of data service in the whole link will be further improved, and the supporting role of data application service will become increasingly prominent in the national disaster prevention and mitigation.

disaster reduction application; timeliness; data service; GF-4 satellite

V19

: A

: 1009-8518(2016)04-0102-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.014

吳瑋，男，1981年生，2006年獲武漢大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)在北京大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)攻讀博士學(xué)位，副研究員，主要從事災(zāi)害遙感研究與應(yīng)用服務(wù)工作。E-mail: wuwei@ndrcc.gov.cn。

（編輯：陳艷霞）

2016-06-14

國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（30-Y20A02-9003-15/16，30-Y20A04-9003-15/16）