中国对地观测卫星及其应用

中国对地观测卫星及其应用

(节选)

1　发展我国对地观测的意义

(1)发展中国对地观测卫星是研究地球环境的需要

人类生活在地球的四大圈层(岩石圈、水圈、大气圈、生物圈)及其相互作用之中，人类及其生存的地球正面临严峻的挑战(灾害频繁、资源耗失、环境污染、生态破坏)，需要对环境变化进行实时监测、对各类灾害预报要力求及时准确、对资源探测要求尽可能完整、可靠。发展卫星对地观测，有可能从整体上揭示地球环境变化的规律性，进而预测地球未来的变化。

(2)发展中国对地观测卫星是经济和社会可持续发展的需求

对地观测技术广泛用于国土资源规划与管理、城市发展、精准农业、智能化交通等领域，将形成新的信息产业链，成为国民经济的重要增长点，保障经济和社会的可持续发展。对地观测技术是构建国家空间信息基础设施、实现空间信息服务体系的基础，是服务于社会信息化、构建和谐社会的重要保障。

(3)发展中国对地观测卫星是国防建设与国家安全的需要

对地观测技术成为支撑军事信息化作战、夺取战场信息优势、解决制约我军联合作战和精确打击瓶颈问题的重要技术手段。

(4)发展中国对地观测卫星是全球对地观测的重要组成部分

卫星对地观测系统可提供全球的信息，2005年2月16日于布鲁塞尔召开了第三届部长级对地观测高峰会议，通过了GEOSS十年行动计划，发挥全球对地观测技术对社会可持续发展的作用，正式成立政府间对地观测协调组织(GEO)。目前，GEO有71个成员国和46个参加组织。因此，发展中国对地观测卫星是全球对地观测的重要组成部分，是中国对全球对地观测的积极贡献。

2　中国的对地观测卫星

2.1　中国已发射的对地观测卫星

自1970年以来，中国已发射的对地观测卫星包括气象卫星、海洋卫星、资源卫星、通信卫星、导航卫星、返回式陆地卫星、科学实验卫星、宇宙飞船等，类型和数量如表1所示。

表1

现在，我们可以从地球同步轨道和太阳同步轨道上实现对地球的多平台、多传感器观测，可以获取地球表面不同分辨率的光学和雷达图像。

2.2　中国未来的对地观测卫星

中国未来的对地观测卫星包括灾害监测卫星、气象卫星、测绘卫星、资源卫星、海洋卫星、高分辨率对地观测卫星等。

(1)灾害监测卫星星座

拟分两个阶段建设，第一阶段，两颗光学和一颗SAR卫星构成的3颗灾害监测卫星和地面系统计划近期发射;第二阶段，计划建设“4+4”的灾害监测卫星星座，拟通过国际合作完成。灾害监测卫星可实现对重大自然灾害(森林火灾、洪水、干旱、冰雪灾害、滑坡和泥石流、沙尘暴、台风、地震等)的监测和预警。

(2)中国的气象卫星

拟发展的气象卫星如表2所示。

“风云三号”卫星是在“风云一号”基础上发展起来的我国新一代太阳同步极轨气象卫星，在功能上和技术上向前跨越了一大步。它是我国首颗高性能综合探测卫星，探测性能将比“风云一号”有显著的提高，计划在2006～

表2

2018年分两阶段将全部卫星发射完毕。“风云三号”具有获取全球、全天候、多谱段、三维立体、定量探测和地表、海洋及空间环境参数的能力，世界气象组织已将它纳入新一代世界极轨气象卫星网。卫星上携带了十波段扫描辐射计、大气探测红外分光计、微波辐射计、微波成像仪、紫外臭氧探测仪、地球辐射收支仪、中分辨率成像光谱仪等遥感仪器。“风云四号”是我国第二代静止气象卫星。它的任务是对连续区域进行气象观测，跟踪快速变化的天气现象，计划于2010～2025年分两阶段发射。卫星上装有十通道成像辐射计、大气垂直探测仪和闪电探测仪等设备。“风云四号”的姿态稳定方式为三轴稳定，不必旋转就可以直接从高空观测地球，对地球观测的时间利用率从5%提高到近80%，携带的多种遥感仪器可同时对地观测，能根据用户需求进行全球观测或区域观察。

(3)中国未来的测绘卫星

拟发展的测绘卫星如表3所示。

表3

测绘卫星将通过多线阵CCD传感器，同时获取地表的重叠影像，从而实现1∶50000到1∶10000比例尺的立体测图。

(4)资源卫星

拟发展的资源卫星如表4所示。

表4

(5)海洋卫星

主要包括海洋二号和海洋三号卫星。海洋二号是微波遥感卫星，海洋三号是综合探测卫星。海洋卫星主要用于监测海面风场、海面温度、海面高度等。

国家中长期科技发展规划中已经将高分辨率对地观测系统列为重大科技攻关专项，该专项的实施必将进一步提高我国对地观测的水平和能力。

3　中国对地观测卫星的应用

3.1　自然灾害预警和监测

我国是多种自然灾害频发的国家之一，自然灾害每年都造成人民生命和财产的巨大损失。防灾减灾是一项系统工程，它包括对自然灾害的监测、预报、评估、防灾、抗灾、救灾、恢复、教育、保险与综合管理等诸多内容，对地观测数据是减灾的重要信息源。根据自然灾害的多样性和复杂性特点以及国家灾害应急反应的需要，未来对地观测系统必须能提供大范围、全天时、全天候、多尺度、动态的监测数据。

“十一五”期间，我国将形成以我国自主卫星遥感监测平台为主体，以卫星灾害应急通信为联系纽带的全方位、立体的“天－空－地”一体化的灾害监测运行体系及技术规范，并与国外对地观测卫星协同作业，建设基于卫星平台的灾害监测体系，保障灾害监测服务的长期性、稳定性和时效性，提高我国综合减灾和环境监测能力，实现大范围、全天候、全天时、动态的环境和灾害监测，保障国民经济和社会持续稳定发展。

时间分辨率是灾害应急管理对对地观测数据的主要需求。对地观测卫星可以在短期内获得灾害发生第一时间的对地观测数据，并在后续的过程中获得持续不断的数据，满足灾害监测和评估的需要。可提供预警和监测的自然灾害包括洪涝灾害、旱灾、台风、地震、滑坡、泥石流、森林和草原火灾、雪灾、赤潮、农作物病虫害等。图1为大兴安岭林区火灾发生时连续三天的卫星跟踪影像。图2为利用星载和机载对地观测数据分析洪水灾情的效果。

图1　大兴安岭林区火灾跟踪影像

图2　利用星载和机载对地观测数据分析洪水灾情

我国的森林是非常珍贵的资源，森林覆盖率约为12%，占全世界第131位，但人均占有率仅为0.12hm²，排在世界136位以后。广袤的森林常因为干燥等自然原因起火，森林火灾监控是森林防火的重要任务。20世纪80年代中期，中国气象局就已经通过利用气象卫星数据开发出火灾监控系统，国家林业局同样利用气象卫星数据建成了森林火灾监控系统。1986年，我国第一次采用卫星图像检测出火灾。20世纪90年代，全国各省气象局的一项主要任务是对本省的森林和草原火灾进行实时监控。目前，运用对地观测卫星测定热点分布以对森林火灾进行检测，2002年大兴安岭林区火灾、内蒙古乌达地下煤田火灾都摄取了卫星跟踪图像，我国还专门建立了一个火灾信息发布网站。

我国的防汛排涝一直需要投入大量的人力、财力，洪水是我国经济和社会发展由来已久的一个制约因素。最近几年，我国大大加强了基础建设，其中通过设立洪水监控和评估综合控制系统，利用卫星对地观测技术监控洪水，在很大程度上减少了水灾造成的损失。洪水监控和评估综合控制系统在接收到遥感数据八小时内，将灾难评估结果通过通信卫星传送到国务院和国家防洪抗旱指挥部。我国自己研制的气象卫星分别在1998年和2003年检测到长江水灾和淮河洪水的情况。

干旱灾害占我国气象灾害的50%左右。干旱会导致严重缺水、生态环境恶化、农作物产量锐减、植被丧失、水土流失、土地盐碱化等。目前，全国有三个干旱重灾区和一个干旱灾区，缺水总额约为每年30亿～40亿m³，每年由于干旱造成的直接经济损失超过10亿元人民币。近50年以来，干旱已经影响到广大地区，同时发生的次数也在不断增加。旱灾检测有国家级和地方级之分。国家级旱灾检测在现有的全球气候观测系统、全球海洋观测系统和全球陆地生态观测系统的基础上，通过空间遥感监测系统及干旱野外观测试验，对全国范围内的早期旱情进行实时监测，以便及时采取缓解旱情的措施。

将卫星遥感数据和其他地理数据(航空遥感数据、地表勘查数据、地下地球物理勘探数据等)进行集成和融合，在天空地一体化时空基准框架下建立自然灾害预警和监测模型，可从卫星遥感数据中自动地、实时地提取自然灾害预警与监测的相关空间信息，为自然灾害防治工作提供服务。同时还可以为重大自然灾害提供跨区域的决策支持信息，为重大环境、灾害问题的国际协调处理提供科学依据和技术支持。

3.2　环境变化研究

环境变化研究包括土壤侵蚀变化检测、土壤有机成分的模拟检测和预测、土壤沙漠化监测、海洋环境监测等。

通过对重要生态环境因子的适时监测与评估，及时、准确地掌握国家或区域生态环境变化的动态信息，可为国家或地方的生态环境保护宏观决策、制定合理的生态环境建设规划提供科学依据。从监测内容方面来看，包括国家森林资源调查、湿地资源动态变化监测、全国荒漠化和沙化土地普查、全国水土流失调查、“退耕还林(草)工程”、“环首都防沙治沙工程”、“天然林保护工程”等国家重大生态工程的效益评估、海岸带和近海生态监测、海洋水色环境要素及水温、赤潮、污染、海冰及海洋灾害遥感监测、预警、沙尘暴监测、大气探测与气候变化预测等，卫星对地观测在这些环境变化研究中均发挥着十分重大的作用。

3.3　资源调查

我国的国土资源利用形势十分严峻，特别是土地、能源、水资源的供需矛盾日益突出，成为国民经济快速、稳定发展的最重要制约因素。因此，采用现代对地观测技术手段，准确、快速地掌握重要国土资源的现状、变化规律和利用状况，科学规划、合理配置开发利用国土资源，对促进我国经济可持续发展和社会全面进步具有重要意义。

通过改造、引进和技术研发，建立完善实用的土地调查与监测、土地评价与规划、土地资源可持续利用、水资源调查与评价、基础地质调查、石油等矿产资源勘查领域的遥感应用技术体系。以国土资源调查为牵引，提高遥感技术在国土资源(土地、水、能源、矿产等)调查监测中的应用水平，力争在关键技术研究方面有所突破。推动对地观测数据在国土资源调查与监测领域的更广泛、深入的应用。例如，全国重点城市1∶5000比例尺的土地利用动态遥感监测，将采用大量空间分辨率优于5m的卫星数据。我国陆域综合地质填图，10～20m中高分辨率的遥感数据将是1∶5万和1∶25万基础地质调查最适合使用的卫星数据源。流域水资源利用规划以及重大配水工程的设计与实施也将大量使用高分辨率遥感数据。具体包括国土资源大调查;我国大中城市和重要经济区高精度土地利用变更调查和动态遥感监测;全国各大流域水资源利用规划;运用新型遥感数据研究石油等矿产资源的遥感辅助勘探技术;我国陆域1∶25万和1∶5万比例尺综合地质填图;全国重点城市开展土地利用动态遥感监测等。

图3为卫星遥感影像用于城市动态监测的示例。图4为利用资源二号卫星查处违章建设及综合利用系统。

图3　卫星遥感影像用于城市动态监测

图4　利用资源二号卫星查处违章建设及综合利用系统

3.4　构建国家空间数据基础设施

虽然传统的航空摄影方式仍然是原始数据获取的一种重要手段，但其成本高、受天气及人为因素的影响大。卫星对地观测技术的发展为空间数据框架的数据采集和更新提供了必要的数据源。高分辨率的卫星遥感影像无疑将成为重要的数据源。

目前，卫星对地观测技术正在成为地球空间数据采集和更新的直接手段。基于卫星遥感影像处理平台，用全数字化和自动化方法快速生产数字高程模型和数字正射影像，并从正射影像上自动或人机交互式地提取各种专题信息，包括道路、水系、居民地等，然后将这些结果直接送入数据库中，以实现数据库的自动建立和更新，构成地球空间数据框架。

3.5　社会可持续发展

卫星对地观测技术可用于公共卫生疾病控制方面，对传染性疾病进行监测。比如在监测高致病性禽流感中，通过观测鸟迁徙的路径，明确环境因素与禽流感的联系。在非典期间建立的一个遥感和地理信息系统，为克服非典也起到了非常重要的作用。

在考古领域，可利用遥感图像发现已经埋到地底下的一些古长城的痕迹。图5为卫星遥感影像支持下的古城考古示意图。

图5　卫星遥感影像支持下的古城考古

在农作物估产方面，我国已构建了能提供中国和世界其他主要国家谷物产品信息的系统。该系统已运行了8年，通过高光谱遥感可向国内提供10年的丰收歉收预报，每月主要粮食的种植面积和产量预测，每季度的粮食产品预报;可向国外提供每月的北美、巴西、阿根廷和澳大利亚的农作物监控，每月的泰国水稻面积预测、每季度的北美、巴西、阿根廷和澳大利亚农作物产量预测等。利用GPS技术的推进可进行精确的农业管理，满足农业经济、法律法规和环境的需求。

对地观测卫星系统还可用于建立网络化城市管理与服务系统。以武汉市为试点，通过专门调查和分析并结合实际，最终确立了4大类28小类共185万件服务项，这些服务项全部挂在计算机网络上，当任何公民需要帮助，就可通过拨打市长热线将需求发送到监控中心，随即找到相应的管理员，经过立案、分配任务，最终找到职能部门，及时解决老百姓的问题。

Google Earth是覆盖全球的搜索系统，可以很容易在它的平台上找到全球任意目标的地理位置。它有2亿个用户，经常有几百万个人同时访问，这不仅创造了巨大商业价值，也解决了人们的需要。微软也推出了一个Virtual Earth，同样可以随着鼠标的移动找到具体地点。武汉大学也自主研发了一个不但可以看而且可以量测的数字地球系统(GeoGlobe)，可与Google、微软相媲美，点击进入后，就可带着你找到湖北省武汉市任何一条你想去的马路，如果再增加可量测实景影像，可获得厘米级目标的位置及三维坐标。如果想了解某栋楼的高度，只需一个点击，该系统就可以自动给出它的高度数据。此类系统已经在北京、武汉、广州的公安、交通等多个行业中得到使用。未来，天地一体化的空间信息服务可以帮助解决衣食住行的问题。

4　结论与展望

30多年以来，通过自力更生和自主创新，我国对地观测技术及应用取得了很大的进步。我们不仅仅满足于得到可利用的数据，而且努力把数据变成有用的信息，获取必要的知识，进而为各类用户提供服务。卫星对地观测技术在中国的应用不仅有利于国家安全和经济建设，而且能有效地提高人们的生活质量，有利于建设和谐社会。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》指出，要发展基于卫星、飞机和平流层飞艇的高分辨率对地观测系统……并与其他中低分辨率地面覆盖观测手段结合，形成时空协调、全天候、全天时的对地观测系统;根据需要对特定地区进行高精度观测，整合并完善现有遥感卫星地面接收站，建立对地观测中心等地面集成系统，计划到2020年建成稳定的卫星对地观测系统，形成完整的产业链。

致谢

感谢国家遥感中心、中国气象局、中科院遥感所、中科院地理所等单位所提供的图片和资料。

(科学(上海)，2007，59(6))