中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展

2019年1月1日08:28:08中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展已关闭评论 83 views

童旭东

国家国防科技工业局 重大专项工程中心, 北京 100101

摘要

中国从“十一五”末实施高分辨率对地观测系统重大专项,全面建设具备高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测能力的自主、先进的对地观测体系,加强和完善相关基础设施,构建稳定的运行系统,并积极满足中国资源环境、农业、防灾减灾等方面的重大战略需求,着力强化各行业和区域应用能力,促进高分辨率对地观测数据广泛应用,推动中国空间信息产业快速发展,为中国从航天大国迈向航天强国,有效适应经济发展新常态促进信息消费、扩大内需提供有力支撑。

关键词

高分辨率 , 对地观测系统 , 遥感应用 , 空间信息产业 , 大数据 , 信息消费

1 引 言

对地观测系统能够基于航天航空等各种平台,利用可见光、红外、微波等电磁探测仪器远距离获取来自地球表层各种目标的电磁波谱信息,以成像或非成像的形式进行记录和表达,并经加工处理(辅助其他必要信息)形成有用信息,为人类识别各种目标、认知物体特性、判别运动状态、预测变化规律等提供空间信息服务。对地观测数据是电磁辐射与目标和传输介质相互作用的产物,具有波谱、空间、时间、角度、偏振、极化等特性,可广泛应用于国土、环保、农业、林业、水利、气象、测绘、海洋、军事侦察等领域,是国家战略性基础信息资源,并发展以空间信息资讯服务为核心的空间信息产业,促进新型大数据交易和信息消费。

美国、欧洲、日本、印度等世界各主要国家和地区都在大力发展对地观测系统。目前,国际光学对地观测卫星数据的空间分辨率最高已达0.1 m、光谱分辨率达5 nm,微波对地观测卫星数据的空间分辨率达0.3 m;并出现以WorldView-3为代表的高端对地观测卫星,具备极高空间分辨率、极强机动获取能力和极广观测谱段,以及以PlanetLab为代表的对地观测小卫星星群,具备极高时间分辨率、较高空间分辨率和极低研制与运营成本。同时,美国、欧洲等也通过引导企业相互兼并和强强合作,整合市场资源,打造龙头企业;通过政府贷款、信用担保、政府采购等多种形式,利用市场化手段促进这些企业不断增强全球市场竞争力,基本形成了较为完整的产业链和相对成熟的商业模式,正在全球开拓和抢占市场。

中国也高度重视发展对地观测系统。经过40多年努力,形成了陆地、气象和海洋三大对地观测卫星体系,相对完善、市场化程度较高的航空对地观测体系,以及体系完整、技术先进、功能齐全的地面卫星测控、运管、标校和数据接收、处理、管理、分发、应用等体系,基本实现了中低空间分辨率的对地观测数据完全自给。在此基础上,为了进一步摆脱高分辨率对地观测数据对国外长期存在的严重依赖,掌握空间信息自主权,满足国民经济建设、社会发展和国家安全各方面对空间信息的重大紧迫需求,并推动空间信息产业等高技术服务业快速发展,根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006年—2020年)》,国家国防科技工业局经国家批准,会同相关部委和企事业单位于2010年启动实施高分辨率对地观测系统重大专项(以下简称高分专项)。

2 高分专项基本情况

高分专项要建设具备高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的自主、先进的对地观测系统,并与其他观测手段结合,形成具备时空协调、全天时、全天候、全球观测能力的稳定运行系统。同时,大力建设数据接收系统、数据处理系统、数据库、定标场、真实性检验场、数据传输线路、卫星任务管控系统等支撑数据应用的相关地面基础设施,集中力量攻克制约应用的共性关键技术并形成对各级用户的技术保障与服务能力,支撑防灾减灾、国家安全、国土资源、农业资源、水资源、林业资源、海洋资源等监测与开发利用、水环境、大气环境和生态环境监测、宜居环境监测与营造、城市精细化管理与城乡一体化建设、地球系统科学研究、气象监测、地理测绘等重点领域的应用需求,积极支持行业应用成果和科研技术成果向地方转化、推动区域从省级到市县、乡镇开展示范应用,加速发展中国的空间信息产业。

高分专项建设任务主要包括天基观测系统、临近空间观测系统、航空观测系统、数据中心系统和应用系统等建设(图 1)。其中,天基观测系统由若干颗高性能光学、微波等对地观测卫星组成,空间分辨率优于1 m,光谱分辨率达到纳米级;临近空间观测系统由平流层飞艇和可见光、红外等观测载荷组成,具备长期区域性高精度实时观测能力;航空观测系统基于现有的有人机和无人机平台,针对目前普遍使用的进口航空观测载荷开展自主替代研发,形成机动对地观测能力,空间分辨率优于0.1 m;数据中心系统统筹中国的遥感卫星数据接收、处理、运管等资源与力量,进行必要补充、完善,并建立网格平台,推动各种资源共享和协同工作;应用系统支持中国各主要行业和全国各省(区、市)建立高分专项相关数据(以下简称高分数据)应用示范系统或开展应用推广工作,组织应用共性关键技术研发并形成应用服务平台,实施产业示范打通空间信息产业链。

中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展

图 1 高分专项建设任务示意图

Fig. 1 Sketch map of CHEOS

高分专项也肩负推动中国遥感卫星与地面系统运行管理、对地观测数据应用与产业开发等政策法规和标准规范研究、制定,以及促进相关国际合作与交流等任务。

3 高分专项建设进展

3.1 数据获取系统建设进展

从2013年至今,高分专项已研制、发射和投入使用了高分一号、二号、四号等卫星。

高分一号卫星(图 2)是高分专项的首发星,于2013年4月26日成功发射,2013年12月30日投入使用。高分一号卫星突破了中高空间分辨率、多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感关键技术,配置了2台2 m全色/8 m多光谱相机(组合幅宽优于70 km)和4台16 m多光谱相机(组合幅宽优于800 km),大幅提高了观测效率,为国际同类卫星观测幅宽的最高水平。该星数据已广泛应用于矿产资源调查与监测、土地利用动态监测、地质灾害监测、水环境、大气环境和生态环境监测、农作物长势监测与估产、城乡规划、水资源和林业资源调查、洪涝、滑坡、泥石流、干旱、地震等灾害防灾减灾等领域。

中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展

图 2 高分一号卫星示意图

Fig. 2 Sketch map of GF-1 satellite

高分二号卫星(图 3)于2014年8月19日成功发射,2015年3月6日投入使用。高分二号卫星是中国自主研制的首颗亚米级民用光学遥感卫星,配置了2台1 m分辨率全色/4 m分辨率多光谱相机(实际分辨率达到0.8 m/3.2 m,组合幅宽优于45 km)。该星数据已广泛应用于地质解译、地质灾害调查、矿山开发监测、生态地质环境调查、土地利用监测与变更调查,风景名胜区管理、城乡建设管理,路网规划与灾害应急、航道环境监测、道路基础设施监测,森林资源、湿地、荒漠化、林业生态工程及森林灾害监测等领域。

中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展

图 3 高分二号卫星示意图

Fig. 3 Sketch map of GF-2 satellite

高分四号卫星(图 4)于2015年12月29日成功发射,2016年6月13日投入使用。高分四号卫星是中国首颗、目前世界上分辨率最高的地球同步轨道高分辨率对地观测卫星,配置了分辨率优于50 m的全色/多光谱相机(单景成像幅宽优于500 km)和分辨率优于400 m的中波红外相机(单景成像幅宽优于400 km)。该星数据可满足水体、堰塞湖、云系、林地、森林火点、气溶胶厚度等识别与变化信息提取对遥感数据质量的需求,正为防灾减灾、气象、地震、林业、环保等领域提供有力支撑。

中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展

图 4 高分四号卫星示意图

Fig. 4 Sketch map of GF-4 satellite

高分专项后续将从2016年下半年至2017年陆续发射高分三号(1 m分辨率雷达遥感卫星)、高分五号(装有高光谱相机和多部大气环境和成分探测设备)等高性能新型遥感卫星,进一步丰富中国自主高分辨率遥感数据类型。

同时,高分专项也积极推动航空等系统建设,正全面开展光学面阵和线阵相机、高性能SAR、成像光谱仪等航空对地观测载荷研制。

3.2 数据中心系统建设进展

高分专项数据中心系统正在开展地面数据接收、处理和任务管理系统建设,可满足或基本满足高分一号至五号卫星数据接收、标准产品处理和分发服务需求。

地面数据接收系统由极轨卫星接收站、静止卫星接收站和接收传输网络等组成。极轨卫星接收站包括中国科学院密云站、喀什站、三亚站、北极站和国家海洋局牡丹江站等,已在国内各站分别部署了1部12 m口径高性能天线,正在瑞典基律纳建设1部同样的天线、预计2017年底投入使用;静止卫星接收站为中国气象局北京站,已部署了1部15 m口径高性能天线;京外各站至北京的数据传输速率已达到622 Mb/s。

地面数据处理系统由数据处理、数据库与管理、分发服务、公共平台等系统组成,具备海量卫星遥感数据处理、存档、分发、服务以及卫星任务规划等能力。目前,日处理原始数据能力超过15 TB,日生产产品能力超过25 TB;数据存储能力超过20 PB,确保0级产品3 d在线保存,2级产品90天在线保存,0—2级产品1.5年近线保存。同时,也通过网格等手段实现各行业数据节点之间有效连接和数据与资源共享。

地面任务管理系统由任务管控、试验运行等系统组成,具备海量用户需求分析、高精度卫星轨道仿真等能力,实现对现有高分卫星观测任务的年度规划和月/周计划,并可根据任务需要(尤其是应急任务)有效协调观测任务冲突,实现对卫星的快速、机动调度。

数据中心系统至今已向各级用户累计分发高分一号卫星数据产品超过340万景次、数据量超过3 PB;分发高分二号卫星数据产品近70万景次、数据量超过1.5 PB;有力支撑了数据应用推广工作。

3.3 应用系统建设进展

高分专项应用系统从“十二五”以来,紧密结合国家信息消费、大数据、“互联网+”、“大众创业、万众创新”、京津冀协同发展等发展战略或导向,支持发展改革委、民政、国土、住建、水利、卫生、教育、环保、交通、农业、统计、林业、地震、中科院、气象、能源、测信、海洋等近20个部委和北京、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、上海、浙江、安徽、福建、江西、河南、湖北、湖南、广东、广西、海南、四川、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆等20多个省(区、市),在全国100多个示范区开展高分数据示范应用和推广工作,突破了数百项高分数据应用关键技术,形成了300多项遥感数据产品、软硬件系统产品、数据库产品或辅助决策产品,以及100多项应用服务。

国家国防科技工业局还会同国土、测绘、农业、环保、林业、气象、发展改革委员会、中国科学院、航天科技集团等部委或企业,以及有关地方、浙江大学、骨干民营企业等单位,联合构建了“高分应用综合信息服务共享平台”,利用网格技术突破了共享机制障碍,利用互联网思维克服了数据传输难题,基于云技术开辟了众创空间,形成了高分专项权威的一站式信息发布渠道和对外服务窗口。该平台基于“互联网+高分+”的承载应用理念,实现高分专项全部数据应用资源的有效集成与共享、高分数据和应用产品、服务和相应标准的集同发布,以及与相关部门、地方和骨干企业的互联互通,为国内各行业、区域、企事业单位、大众以及国际各类用户信息检索、信息报送、需求申请、资源共享、在线咨询等提供有效服务。

高分数据也在很多行业和区域开展业务化应用。如在国土资源领域,高分数据已是土地资源、矿产资源、地质灾害变化信息的主要信息源,对省、市、县、乡、村地块动态监测监管和季度更新,国产数据应用比例已达90%,成为行政主体问责的主要依据。在农业领域,利用高分数据已在全国水稻、小麦、玉米、棉花、大豆等大宗农作物估产业务中实现100%替代国外同类数据,为农业部开展种植结构调整、粮豆轮作试点、区域耕种布局等提供了决策依据,也为中国有效应对国际大宗作物期货交易波动提供了科学依据。在审计领域,通过陕西省的相关试点工作,利用高分一号卫星数据对有关市县开展森林面积、主要作物种植调查、违规采沙场监测、耕地面积变化监测、建设用地占地情况监测、退耕还林情况监测等,形成了阶段性成果,并将高分数据应用列入陕西经济责任审计第三期规划。同时,高分专项也积极支持各种应急响应工作,自2013年以来,在每年国内乃至国际洪涝、干旱、地震、滑坡、泥石流、森林火灾、台风等(图 5图 6)重大灾害的防灾减灾、应急抢险、卫生防疫、灾后重建等过程中发挥了重大作用,也为马航MH370失联航班应急搜寻,2014年北京APEC会议空气质量保障等重大事件或活动提供了重要支撑。

中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展

图 5 国土资源部应用示范区3维地质灾害遥感解译产品

Fig. 5 The 3D geological hazards remote sensing interpretation product of application demonstration area of Ministry of Land and Resources of People’s Republic of China

中国高分辨率对地观测系统重大专项建设进展

图 6 2016年第一号台风尼伯特的高分四号卫星影像

Fig. 6 GF-4 satellite image of the first typhoon NEPARTAK in 2016

同时,国防科工局启动了高分专项省域产业化应用项目,重点围绕“四大板块”、“三个支撑带”和军民融合深度发展等国家战略,兼顾对中亚、东南亚、南亚、南海等区域的辐射作用,以国家政治、外交战略为导向开展部署。这些项目以全面拉动省域至县域高分数据应用、服务地方经济建设和社会发展为目标,积极进入各级政府的综合治理与管理体系;并且以市场为主体,采用后补偿的方式,培养和带动地方卫星应用企业,有效促进高分专项数据与技术成果加速转化,不断扩大应用规模,促进高分数据应用的市场化和商业化。

3.4 其他建设进展

高分专项还积极推进相关政策研究和管理办法编制工作,在2015年以国防科工局高分专项办公室的名义先后发布了《高分专项地面系统管理暂行办法》和《高分专项卫星遥感数据管理暂行办法》等,分别对高分专项地面系统的分工和运行规则,对高分数据的权属关系、使用原则、各参与方的权力与义务、分级分类、应用导向、国际合作等进行了系统规定,为规范运行、提高效率、扩大应用、促进产业起到了积极的作用。

4 结 语

高分专项经过6年多的组织实施,已全面完成第1阶段建设任务并取得了可观的阶段性成果。在“十三五”期间,高分专项将按照国家规定任务,加快相关卫星、航空等载荷研制进度和地面相关设施建设步伐,确保如期投入使用;同时,着力推进从中央各部委到各省(区、市)直至市县、乡镇和大众的高分数据应用工作,加强高分数据与技术成果向市场转化、产业开发、定价机制、进出口贸易等相关规章制度、管理措施和标准规范研究与编制工作;充分动员和组织各种社会力量,坚持发挥市场配置资源的积极作用,逐步形成“企业牵头、地方参与、国家支持、社会普及”的发展模式,为中国的空间信息产业有效发展,为中国早日建成航天强国做出应有的贡献。

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