商業遙感衛星應用現狀及發展趨勢探討

●　文|中國資源衛星應用中心　赫華穎　王海燕　郝雪濤　齊懷川

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商業遙感衛星應用現狀及發展趨勢探討

●文|中國資源衛星應用中心赫華穎王海燕郝雪濤齊懷川

高分辨率商業遙感衛星影像由于空間分辨率高、識別地物能力強、信息準確等因素，受到各國的重視。2014年10月24日，國務院總理李克強主持召開國務院常務會議，決定要逐步引導民間資本參與國家民用空間設施建設，研制、發射和運營商業遙感衛星。縱觀全球，很多國家都已采用商業化方式運營遙感衛星系統，且收益顯著。近年來，一大批從事商業微型衛星研發的創新企業先后涌現，拓寬了商業遙感模式和發展方向。本文針對國內外商業遙感衛星的應用現狀和發展趨勢展開探討。

一、商業遙感衛星應用現狀

商業遙感衛星應用涉及十分廣泛的用戶類型，應用領域主要包括國防安全、能源、自然資源管理、海事、災害應急管理、工程與基礎設施建設，以及基于位置的服務（LBS）等。不同的用戶、不同的行業和應用領域需要不同的遙感服務，表現在空間分辨率、光譜分辨率、重訪周期以及數據時效性（存檔或新采集的數據）等方面。

1．國防安全

國防應用是商業遙感數據市場的最大用戶。近年來，商業數據市場中的百分之七十左右的訂單都是為國防用戶所占有。在過去十年國防部門對商業數據市場的需求持續增長。

國防對衛星數據的應用特點是重訪能力強，能夠及時獲取（盡可能接近實時）高分辨率、高定位精度的光學及雷達影像，數據直接從接收站接收，保障數據使用安全性和保密性。

2．能源行業

遙感數據在能源行業的應用往往集中在偏遠的人類較困難從事工程作業的地區。這些地區通常缺少基礎信息（地圖、地質圖），如北極地區（俄羅斯、加拿大和阿拉斯加）、深水鉆井區（墨西哥灣、海鄂霍次克海/白令海）。此外，基礎信息采集欠發達的亞非地區也是該行業的主要應用區域。

能源業的數據應用特點是高分辨率、高定位精度的光學及雷達影像，數據時效性要求不高，但數據增值服務是重點。

3．基礎設施

基礎設施與工程行業的應用涵蓋制圖學、城市發展、房地產、交通規劃以及相關的工程建設項目。隨著各個國家在加強基礎設施建設的過程中，對地形圖或解決方案的需求增加，對地觀測技術在該行業的應用也日益突出。這在那些經濟高速增長并希望改善基礎設施的國家中體現的尤為明顯。對地觀測數據在整個行業中的應用是多種多樣的，但主要還是利用中高分辨率數據對目標進行識別監測。

基礎設施工程的數據應用特點是高分辨率（優于0.5m）、高定位精度的光學影像數據時效性要求不高，數字高程模型（DEM）是一個被廣泛應用的數據。

4．災害管理

災害周期的各個階段（風險評估、災害預警、應急響應、災后重建）都需要遙感衛星數據及服務。災害發生的前后，需要快速響應獲取災害發生地區的數據，并及時交付用于災害發展狀況持續監測。但是當災害發生時，數據通常是免費提供的，向政府和救災國際組織提供公益服務。在重大事件發生后，商業公司免費提供用于支持災后救援的數據，或者名義上收取一定處理費用。監測受災區域并對其進行損失評估、后勤工作支持和熱點區域識別，是服務的熱點。首選解決方案是高分辨率光學數據的迅速交付。然而，例如洪水這種災害事件和大量云量覆蓋聯系在一起時，光學數據不能滿足所有的需求。在這種情況下，合成孔徑雷達（SAR）數據就會扮演重要的角色。

災害管理的數據應用特點是各類數據的快速持續獲取，數據綜合整合的增值服務是重點。

圖1和圖2展示了WorldView-3對2014年美國加州森林火災所成的圖像。通過短波紅外波段中的S6、S3以及S1波段對光譜的提取，能夠有效過濾森林火災引起的煙霧，直接觀測火災的實際范圍，幫助火場救災人員準確制定營救和火控方案。

圖1　彩色野火煙霧圖像

圖2　可穿透煙霧的SWIR圖像

5．海洋業務

手術治療GCTB后的局部缺損區域要進行人工材料填充，如人工生物陶瓷、骨水泥等。也會采用氬氣刀、骨水泥的局部物理或化學治療對腫瘤細胞進行殺傷，但其產生的殺傷作用是短暫的［18］；也有學者使用微波原位滅活技術治療肢體骨巨細胞瘤，較普通刮除術有一定優勢［19］，但復發后骨水泥再取出十分困難，對局部復發患者的進一步診療增加了手術難度。

在SAR影像上，船只、海冰、油膜與周圍海面的紋理明顯不同，容易識別，所以SAR數據非常適用于海事方面。在海洋方面，遙感衛星數據主要用來進行船只監測、路線選擇（包括路線制圖、后勤保障，海冰探測）和非法活動（如污水傾泄、非法闖入、非法交易等）監測及報告。隨著數據供應的增加，業務逐漸形成了一種可持續的服務模式，有成熟的客戶基礎，可以為軍事和民用、政府及私人企業提供有價值的服務。這也是SAR數據除了國防以外的第一塊市場領域。

海洋業務數據的應用特點是SAR數據，實時與存檔數據都有應用。

6．自然資源管理

自然資源管理涉及資源開發、監測、土地利用和海洋資源利用、農業、林業、水資源和水產養殖業。監測地區資源的可持續利用是一個非常重要的因素，特別是那些資源逐漸減少和高污染的地區。遙感數據的應用領域非常廣泛，但在許多情況下，低價的中分辨率、甚至免費的數據都能夠滿足需求。例如，大范圍農業制圖、地表覆蓋制圖等。但是，部分應用要求衛星有更快的重訪周期和更寬的幅寬。這些具有更快重訪周期和更寬幅寬的系統通常更多的用于精準農業應用。

自然資源管理的數據應用特點是中低分辨率、寬覆蓋高重訪的衛星數據。

7．地理位置服務

基于位置的服務主要集中在光學高分辨率數據，數據及時性要求不高，主要為存檔數據。

二、商業遙感衛星發展趨勢

1. 高空間分辨率

在技術進步和應用需求的牽引下，衛星地面分辨率不斷提高。在光學超高分辨率（優于0.5m）領域，美國數字地球公司具有絕對優勢，維持在0.5m的水平，最高達0.31m。在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，美國天體成像公司、法國空客集團和以色列ImageSat公司實力相當，維持在0.7m的水平；我國剛發射的吉林一號的全色波段分辨率為0.72m。在SAR方面，意大利、德國分辨率水平相當，最高空間分辨率均為1m；加拿大其次，最高空間分辨率為3m。

2. 高時間分辨率

單顆或少量衛星的獲取能力有限，通過星座組網運行，獲得更大的數據獲取能力和更高的時間分辨率。在光學超高分辨率（優于0.5m）領域，美國數字地球公司雖然單星時間分辨率并不具備競爭力，但若考慮將其視為一個虛擬星座，時間分辨率可達1天的水平。在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，美國天體成像公司的衛星具有絕對優勢，時間分辨率可達0.25天的水平；其次是法國空客公司和中國二十一世紀空間技術應用股份有限公司，Pleiades-1A/1B星座和北京二號星座均可達1天的水平。在光學中分辨率（1~10m）領域，法國空客公司最具優勢，SPOT-6/7 和Formosat-2組網，時間分辨率可達0.5天；其次是英國薩里公司，RapidEye星座時間分辨率可達1天。在SAR方面，意大利的4顆Cosmo-SkyMed衛星位于同一軌道面，極大提高了時間分辨率，可達12小時；法國空客集團的TerraSAR-X、TanDEM-X 和即將發射的Paz組網提高了時間分辨率，可達21小時；加拿大MDA公司的Radarsat-2達3天。

3. 強覆蓋能力

根據當前的衛星發展水平，單星日觀測面積都向100萬平方千米發展，如果考慮星座能力，則可達幾百萬的水平。在光學超高分辨率（<0.5m）領域，美國數字地球公司日觀測面積可達300多萬平方千米；在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，最具有潛力的是美國天體成像公司，日觀測量在1000萬平方千米以上，而法國空客集團則可達到200萬平方千米；在光學中分辨率（1~10m）領域，法國空客集團水平最高，可達700萬平方千米，其次是英國薩里公司，為400萬平方千米。在高分辨率SAR數據上，意大利的COSMO-SkyMed星座和法國空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz組網均具有極強的覆蓋能力，每日3萬平方千米；在中分辨率SAR數據上，意大利的COSMO-SkyMed星座的覆蓋能力最強，每日240萬平方千米，其次是法國空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz組網，每日90萬平方千米。

4.低制造成本

小衛星（質量5~300kg）發射成本低，在滿足圖像商業應用的前提下，盡可能采用小衛星平臺、低成本的望遠鏡，利用最新的圖像處理硬件和算法，以相對較短的衛星壽命換取由更大數量衛星組成的星座，不但降低了衛星的設計、總裝和發射成本，還使衛星和圖像數量增加，覆蓋能力增強，時間分辨率增高。在光學超高分辨率（優于0.5m）領域，目前還未有小衛星。在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，美國天體成像公司的衛星具有絕對優勢，目前已有SkySat-1和SkySat-2兩顆質量100kg的衛星在軌運行，并計劃于2018年前以低廉成本構建由24顆衛星組成的小衛星星座SkySat，實現全球任意目標每天3~4次的訪問能力，為用戶快速提供實時、高分辨率的海量遙感影像甚至視頻；在光學中分辨率（1~10m）領域，英國薩里公司研制的RapidEye1-5質量為150kg，具有高時間分辨率和強覆蓋能力，處于領先水平。

綜上所述，發展高空間分辨率的衛星是必然選擇；發展高時間分辨率、強覆蓋能力的衛星星座是發展方向；創新發展低制造成本衛星可增強競爭力。快速形成0.5m分辨率亞米級的衛星星座，具備較強的區域獲取能力，并分階段不斷提升，讓地面的特征更加精細化；發展0.3m分辨率的高端光學衛星，具備同數字地球公司、航空數據競爭的能力，在國內形成優勢地位；戰略上發展SAR衛星系統，開拓SAR數據的應用價值；研究高光譜、視頻相機等載荷數據的應用前景，跟蹤不斷發展的數據應用市場，能為多行業領域帶來深度的挖掘及分析價值。創新發展小衛星星座，降低制造成本，增強數據獲取能力。

三、結論

高分辨率對地觀測系統關系到國家安全、經濟建設和大眾民生，已廣泛應用于國防安全、能源行業、基礎設施、災害管理、海洋業務、自然資源管理、地理位置服務等領域。同時，高分辨率對地觀測系統又有巨大的商業價值。以美國為首的西方遙感強國，歷來對高分辨率對地觀測衛星系統商業化運營十分重視，通過利用商業遙感衛星效益，滿足了其軍事、外交、安全等要求，在國際商業高分辨率遙感數據市場上占據了主導地位。近年來，我國衛星遙感事業已經取得了舉世矚目的成就，但與國際領先水平相比，高分辨率對地觀測系統還存在著一定差距。發展高分辨率商業遙感衛星是縮短我國衛星遙感與國際領先水平差距、提高我國科技綜合競爭力的必由之路；是實現高分辨率對地觀測技術產、學、研結合的有效途徑；是我國高分辨率對地觀測技術可持續發展的必要條件，既能滿足當前快速形成能力的迫切需求，又具備一定的前瞻性，形成長遠持續的競爭能力。

建議國家加大資金扶持，加強政策引導；規范產業管理制度，完善國家監管體系；放寬商業圖像資源和國外出口衛星的分辨率限制，使我國高分辨率商業遙感衛星事業蓬勃發展。