強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手的“高分”家族

文/ 趙志遠(yuǎn)

2006 年,我國(guó)將高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（簡(jiǎn)稱高分專項(xiàng)）列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020 年）》，實(shí)施方案經(jīng)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)審議批準(zhǔn)后，2010 年，高分專項(xiàng)全面啟動(dòng)實(shí)施。

高分專項(xiàng)系統(tǒng)由天基觀測(cè)系統(tǒng)、臨近空間觀測(cè)系統(tǒng)、航空觀測(cè)系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)等組成，采用“天、空、地”一體化的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，并與其他遙感衛(wèi)星緊密結(jié)合。主要使命是加快我國(guó)空間信息與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，提升自主創(chuàng)新能力，建設(shè)高分辨率先進(jìn)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全的需要。

隨著星座建設(shè)發(fā)展，高分專項(xiàng)有力地保障了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)和國(guó)家安全的重大戰(zhàn)略需求，大力支撐國(guó)土調(diào)查與利用、地理測(cè)繪、海洋和氣候氣象觀測(cè)、水利和林業(yè)資源監(jiān)測(cè)、城市和交通精細(xì)化管理、衛(wèi)生疫情監(jiān)測(cè)、地球系統(tǒng)科學(xué)研究等重大領(lǐng)域應(yīng)用需求，積極支持區(qū)域示范應(yīng)用，加快推動(dòng)空間信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

那么高分星座是如何強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手的呢？讓我們一探究竟。

得之不易的“高分”

高分專項(xiàng)要建設(shè)具備高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高精度觀測(cè)能力的自主、先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，并與其他觀測(cè)手段結(jié)合，形成具備時(shí)空協(xié)調(diào)、全天時(shí)、全天候、全球觀測(cè)能力的穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)。

▲ 高分一號(hào)衛(wèi)星拍攝的三峽大壩

眾所周知，由于對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星站得高、看得遠(yuǎn)，所以在國(guó)計(jì)民生中有重要作用。評(píng)估對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是分辨率，它包括空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率等。其中空間分辨率最令人關(guān)注，它對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用的深度和廣度具有重要影響。

空間分辨率一詞來源于光學(xué)，是指兩個(gè)點(diǎn)光源彼此接近到恰能被分辨出的最小距離，能顯示遙感衛(wèi)星分辨目標(biāo)的能力。具體說來，它是指能從光學(xué)成像衛(wèi)星所拍照片上辨別地面目標(biāo)的最小尺寸。例如，假設(shè)某顆光學(xué)成像衛(wèi)星能夠辨別的最小地面目標(biāo)為2米，則這顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的分辨率就是2 米。

一般來講，光學(xué)成像衛(wèi)星的運(yùn)行軌道越高，空間分辨率就越低，所以高分辨率遙感衛(wèi)星通常運(yùn)行在低軌道。另外，星載相機(jī)的焦距越大，分辨率也越高，這與日常生活中使用變焦相機(jī)攝影的原理相同。當(dāng)然，現(xiàn)在也可用其他辦法提高分辨率。

▲ 高分二號(hào)衛(wèi)星拍攝的三峽大壩

對(duì)雷達(dá)成像衛(wèi)星而言，分辨率的含義與光學(xué)成像衛(wèi)星有所區(qū)別。它指雷達(dá)圖像上能夠區(qū)分開的地面兩個(gè)不同目標(biāo)的最小距離，具體有方位分辨率、距離分辨率和面分辨率3 種參數(shù)。其中，面分辨率是方位分辨率與距離分辨率的乘積，表示地面分辨單元的大小，對(duì)觀測(cè)分布目標(biāo)有重要作用。

雷達(dá)成像衛(wèi)星的分辨率與衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，通常用區(qū)分同一運(yùn)動(dòng)方向上相鄰兩個(gè)目標(biāo)的能力來表示。提高分辨率的方式主要有兩種，一是采用短波長(zhǎng)，二是增加天線口徑。因此可以提高雷達(dá)波的頻率，縮短其波長(zhǎng)來提高分辨率。但當(dāng)頻率增加到一定程度時(shí)，大氣對(duì)雷達(dá)波的衰減和吸收特性就會(huì)表現(xiàn)得非常明顯，從而影響雷達(dá)的正常工作。同樣，雷達(dá)的天線口徑不可能無限增加，所以目前大都使用合成孔徑雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)的分辨率現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到0.3 米量級(jí)。

一般而言，空間分辨率優(yōu)于1 米的光學(xué)成像衛(wèi)星和空間分辨率優(yōu)于3 米的雷達(dá)成像衛(wèi)星被稱為高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。

另外，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的時(shí)間分辨率也很重要。所謂時(shí)間分辨率是指重復(fù)觀測(cè)同一地區(qū)所需要的時(shí)間。比如衛(wèi)星重復(fù)觀測(cè)同一地區(qū)一次需要2 天，就比需要4 天的時(shí)間分辨率高1 倍。

時(shí)間分辨率對(duì)于觀測(cè)同一區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化十分重要，但它與空間分辨率往往是一對(duì)“冤家”，因?yàn)槿绻l(wèi)星運(yùn)行軌道高，覆蓋面就大，時(shí)間分辨率就能相應(yīng)增加，但空間分辨率則會(huì)隨之降低。所以一般來講，用于普查的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的軌道和時(shí)間分辨率較高，但空間分辨率較低；用于詳查的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的軌道和時(shí)間分辨率較低，但空間分辨率較高。

▲ 高分二號(hào)衛(wèi)星城市建筑物識(shí)別應(yīng)用

可以看出，對(duì)于高分辨率衛(wèi)星來說，兩個(gè)重要的指標(biāo)：空間分辨率和時(shí)間分辨率就像是硬幣的兩面，很難同時(shí)兼顧，因此需要根據(jù)應(yīng)用選擇合適的“搭配”。

因“用”制宜得“高分”

在實(shí)際應(yīng)用中，也并不都是要求分辨率越高越好。在某些情況下，太高的分辨率反而可能造成只見樹木，不見森林。為此，人們根據(jù)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、確認(rèn)和詳細(xì)描述偵察目標(biāo)這四個(gè)檔次來要求分辨率。

從發(fā)現(xiàn)到詳細(xì)描述所需要的分別率是逐漸提高的。一般來說，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)所需分辨率為目標(biāo)尺寸的1/2，如卡車長(zhǎng)6 米，則發(fā)現(xiàn)卡車需要的分辨率為3 米。識(shí)別目標(biāo)是能夠判斷目標(biāo)的類型或?qū)傩裕璧姆直媛适悄繕?biāo)尺寸的1/5 ～1/7，所以識(shí)別卡車的分辨率應(yīng)為1 米。確認(rèn)目標(biāo)則需要從同類物體中區(qū)分出不同的型號(hào)，所需的分辨率為目標(biāo)尺寸的1/10，比如區(qū)分是公共汽車還是卡車，確認(rèn)卡車的分辨率應(yīng)為0.6 米。詳細(xì)描述則可以辨認(rèn)目標(biāo)的特征和細(xì)節(jié)，所需的分辨率是目標(biāo)尺寸的1/30 ～1/60，還是以卡車為例，分辨率應(yīng)為0.2 米。

所以盡管現(xiàn)在對(duì)衛(wèi)星的分辨率追求越來越高，但并不是所有衛(wèi)星都需要高分辨率，主要看用戶的用途需求。

對(duì)于用戶方之一的國(guó)土資源部來說，1 米和2 米分辨率的衛(wèi)星影像可以滿足他們不同方面的數(shù)據(jù)應(yīng)用。但對(duì)于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部的需求來說，2 米分辨率在多數(shù)時(shí)候則顯得捉襟見肘。而高分二號(hào)衛(wèi)星米級(jí)分辨率的成像能力在城市建設(shè)用地規(guī)劃、調(diào)查和執(zhí)法以及道路監(jiān)測(cè)和規(guī)劃等方面，則顯得游刃有余。

也就是說側(cè)重于大面積“普查”的高分一號(hào)衛(wèi)星在很多時(shí)候可以滿足國(guó)土資源調(diào)查需求，而能夠發(fā)揮“詳查”作用的高分二號(hào)衛(wèi)星米級(jí)分辨率的成像能力則可以滿足住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部的需求。

除此之外，“高分三號(hào)”是微波遙感衛(wèi)星，主要用于對(duì)海洋目標(biāo)的觀測(cè)；“高分四號(hào)”是高軌光學(xué)成像衛(wèi)星，運(yùn)行在距地面3.6 萬千米的地球同步軌道，俯瞰半個(gè)地球；“高分五號(hào)”是高光譜觀測(cè)衛(wèi)星，主要用于氣象觀測(cè)；“高分六號(hào)”與“高分一號(hào)”類似，但技術(shù)上有了進(jìn)一步提升；“高分七號(hào)”是測(cè)繪衛(wèi)星。

高分衛(wèi)星的特點(diǎn)簡(jiǎn)單說就是分辨率高，包括高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率，從而能更好、更快、更廣、更長(zhǎng)地進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，有力地促進(jìn)我國(guó)國(guó)計(jì)民生各個(gè)領(lǐng)域水平高速發(fā)展。我國(guó)的目標(biāo)是建成高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)每顆高分衛(wèi)星各自還有各自的特點(diǎn)，因而用途廣泛，可以滿足多方面需求。

另外，高分家族的多種組合形式可以更快滿足利用高-中-低分辨率遙感影像的大區(qū)域耕地快速監(jiān)測(cè)研究。高分辨率的遙感影像能夠精確地提供耕地?cái)?shù)據(jù)，但是覆蓋面積小，解譯費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量大，重訪周期長(zhǎng)，不能及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；中低分辨率遙感影像覆蓋面積大，重訪周期短，但是精度卻很難達(dá)到要求，造成了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。目前，國(guó)內(nèi)外在較大范圍內(nèi)進(jìn)行耕地監(jiān)測(cè)并不多，要獲得快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，大多利用不同分辨率的遙感影像，采用空間抽樣的方法進(jìn)行。

當(dāng)然，高分辨率肯定是遙感最主要的發(fā)展方向，畢竟高的分別率可以帶來更加清晰的畫面。但是如前所說，空間分辨率的提高會(huì)造成時(shí)間分辨率的降低，如何在更快的速度下獲得更高的分辨率的畫面，將成為未來遙感技術(shù)發(fā)展的方向之一。★