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中国地球观测遥感卫星发展现状及文献分析

1 引 言 作为全球发展最为迅猛的高科技技术之一,地球观测卫星遥感是利用卫星上搭载的可见光、红外和微波等传感器,收集地球表面和近地空间的电磁辐射数据,探测和识别地球资源和环境信息的空间观测...

作者:孙伟伟、杨刚、陈超等来源:遥感学报|2020年08月30日

1 引 言

作为全球发展最为迅猛的高科技技术之一,地球观测卫星遥感是利用卫星上搭载的可见光、红外和微波等传感器,收集地球表面和近地空间的电磁辐射数据,探测和识别地球资源和环境信息的空间观测技术( Gu和Tong,2015 Guo, 2012 Guo等,2014 )。中国的地球遥感卫星技术起源于20世纪80年代,晚于欧美发达国家。经过30多年的迅速发展,遥感卫星技术取得了较大的进步,已经广泛应用于陆地自然资源调查、海洋生态环境保护、气象灾害预测和国家重大工程等诸多领域( 徐冠华 等,2016 Guo等,2019 )。

截止2019年11月,中国已经发射了200余颗地球遥感卫星,主要分为3大系统:陆地卫星、气象卫星和海洋卫星( Hou和Liu,2015 )。陆地遥感卫星始于1999年,技术发展迅速,时空分辨率和图像质量提升明显。陆地遥感卫星已经具备全色、多光谱、红外、合成孔径雷达、视频和夜光等多种手段的观测能力,构建了包括资源、高分、环境/实践和小卫星在内的4个对地遥感观测卫星系列,正在应用于国土资源调查、环境保护、灾害监测和城市建设等领域( 王桥和刘思含,2016 Xu等,2014 )。同时,中国十分重视气象遥感卫星的发展,目前是世界上同时具有极轨和静止轨道两个系列业务气象卫星的少数国家之一。气象遥感卫星从1977年开始研发到现在经历了42年,卫星遥感器性能逐步提高,卫星运行寿命不断增加,探测的大气要素更加细致全面。气象遥感卫星目前已经形成以风云卫星为主体的较为成熟的大气遥感观测体系,能够基本满足大气科学研究、天气分析和数字天气预报应用需求( 卢乃锰和谷松岩,2016 )。相比而言,海洋遥感卫星起步最晚,首颗海洋遥感卫星HY-1A发射于2002年。经过近20年的发展,海洋卫星的时间和空间分辨率已得到较大提升,初步形成海洋水色、海洋动力环境和海洋监视监测3大卫星系列,能够实现海洋水色和关键海洋参数的大面积同步观测,并逐步从试验型到业务型应用转化,逐渐用于海洋权益维护、海域管理使用和海洋生态环境保护等领域( 蒋兴伟 等,2019 林明森 等,2015 )。

同时,学者们也开始梳理中国地球观测遥感卫星系统的发展成就和问题所在,如分析陆地卫星系统的技术发展、服务现状及几何与辐射能力( 王海燕 等,2019 陈卫荣 等,2019 曹海翊 等,2018 ),归纳商业小卫星的发展成就和应用特点( 白照广,2019 ),总结风云气象卫星的发展进程和产品应用情况( 卢乃锰和谷松岩,2016 卢乃锰 等,2017 ),和阐述海洋卫星系统的发展和未来规划等( 蒋兴伟 等,2016 , 2019 林明森 等,2019 )。然而,当前研究大多集中在展示单个遥感卫星系统的发展成就,较少梳理目前在轨遥感卫星的传感器关键参数、技术内在特点及卫星应用的文献研究热点等。

针对上述问题,本文回顾了中国陆地、气象和海洋3大地球观测遥感卫星系统的发展历程,梳理了目前在轨遥感卫星传感器的关键参数和应用领域,剖析了中国地球观测遥感卫星的发展现状和技术内在特点。在此基础上,利用CiteSpace文献分析方法,归纳总结在轨遥感卫星的文献研究热点,以期为中国后续地球观测遥感卫星发展规划和技术应用研究提供细致的科学参考。

2 陆地遥感卫星

陆地遥感卫星主要探测地球表面的各种资源、环境、灾害和人类活动信息及变化情况,为自然资源调查、生态环境保护、农作物估产、灾害监测和城市规划等提供数据服务。从20世纪80年代起,中国已经将陆地遥感卫星列为国家科技攻关重大项目。1999年,中国成功发射的首颗陆地卫星资源一号,填补了自主遥感卫星数据的空白。经过20年的发展,已经发射近100颗民用陆地观测卫星,传感器的时间、空间和光谱分辨率大幅度提升,基本形成了从一颗星到多颗星、从一个卫星系列到多个卫星系列、从科研试验到业务运行的陆地卫星格局。

2.1 资源系列卫星

资源系列卫星是中国的地球资源探测卫星,从20世纪80年代开始研制,相继发射了“资源一号”至“资源三号”3个系列( Li和Cao,2010 )。“资源一号”系列逐渐形成两个分支,一个是中巴合作的“资源一号”CBERS系列,另一个是国内独立研制的ZY1业务卫星系列( 张庆君,2018 )。

“资源一号”01和02卫星(代号CBERS-01、02),以法国SPOT 4卫星的设计指标为目标,由中国和巴西联合研制,是中国发射的第一颗民用国产陆地观测卫星(  杨忠东 等,2003 De Oliveira Lino 等,2000  )。星上有效载荷包括1台5波段的CCD相机、1台4波段的红外多光谱扫描仪和1台2波段的宽视场成像仪。资源一号卫星为中巴两国的农业、林业、地质、水文、测绘和环境等资源的调查、开发、管理和监测提供中分辨率的遥感信息服务。CBERS-01星于1999-10-14发射,2003-08-13寿命结束;CBERS-02星于2003-10-21发射,2009-01-15寿命结束。

“资源一号”02B卫星(代号CBERS-02B),于2007年9月发射升空,有效保证了资源系列卫星遥感数据的连续性( 周雨霁 等,2008 何宇华 等,2007 )。CBERS-02B首次搭载2.36 m高分辨率相机,具备了全色多光谱同时成像的能力,在轨运行两年7个月,于2010年4月寿命结束。“资源一号”02C星(代号ZY1-02C)于2011-12-22发射升空,是中国第一颗国土资源普查的业务卫星( 李宗仁 等,2017 Jiang等,2014 )。ZY1-02C卫星搭载全色5 m的多光谱相机、全色2.36 m的高分辨率相机和10 m的PMS多光谱相机,幅宽达到54 km,主要用于土地资源监管、矿山开发监测、地质灾害监测、地质隐患调查等国土资源微观调查与监管业务应用,目前在轨运行。

“资源一号”04卫星(代号CBERS-04)于2014-12-07发射,由中巴合作完成,被誉为“南南合作典范”。CBERS-04搭载5 m全色、10 m多光谱相机、20 m多光谱相机、40 m/80 m的红外相机)和分辨率为67 m的宽视场成像仪,卫星轨道高度778 km,提供的中分辨率遥感数据主要用于国土资源、林业、水利、农情、环境保护等领域的监测、规划和管理,目前在轨运行。

“资源一号”02D卫星(代号ZY1-02D)于2019-09-12发射升空,是中国首颗民用高光谱业务卫星。ZY1-02D搭载9谱段的多光谱相机和166谱段的高光谱相机,提供2.5 m全色、10 m多光谱和30 m高光谱影像数据,主要用于生态环境监测、土壤质量评估、地矿填图、地表水和冰川监测等领域,并可在应急管理、生态环境、住房与城乡建设、交通运输、农业农村、林业草原等方面发挥重要作用。

“资源二号”卫星(代号ZY-2),是中国新一代传输型遥感卫星,其包含的01、02和03星分别于2000年9月、2002年10月和2004年11月成功发射,并实现了三星组网。ZY-2卫星搭载红外和可见光相机、多光谱扫描仪、微波辐射计、多功能雷达、重力及磁力遥感等多种遥感设备,用于国土资源勘查、环境监测与保护、城市规划、农作物估产、防灾减灾和空间科学试验等领域,目前已停止工作。

资源三号”卫星(代号ZY-3),01星于2012-01-09发射升空,是中国第一颗民用高分辨率光学传输型立体测图卫星( 李德仁,2012 唐新明和胡芬,2018 Wang等,2014 )。星上搭载的前、后、正视相机和多光谱相机,提供长期、连续、稳定、快速地获取覆盖全国的2.1 m的高分辨率立体影像和6 m的多光谱影像。ZY-3 02星于2016年5月成功发射,与01星组网运行,共同服务于国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通、国家重大工程等领域,目前在轨运行。

2.2 高分系列卫星

高分系列卫星来源于中国高分辨率对地观测重大专项计划(简称“高分”专项)。“高分专项”计划于2010年5月启动,在2020年建成中国自主研发的高分辨率对地观测系统。高分系列卫星覆盖从全色、多光谱到高光谱、从光学到雷达、从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型,最终建设成为一个具有高时空分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的对地观测系统( 童旭东,2016 Tong等,2016 )。高分系列卫星编号从“高分一号”(简称GF-1)开始,目前全部完成发射任务,主要服务于国家综合防灾减灾、国家安全、资源调查与监测、环境监测与评价、城市化精细管理、国家战略规划支撑及重大工程监测等国家级综合应用领域。

GF-1是中国高分专项首颗卫星,于2013-04-26发射升空( 白照广,2013  )。卫星搭载4个4谱段多光谱相机、2个2 m全色和8 m多光谱相机,分别提供幅宽800 km、16 m分辨率的多光谱影像数据,和幅宽60 km、2 m的全色和8 m的多光谱影像数据。GF-1卫星突破了高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感关键技术( 陆春玲 等,2014 ),主要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、防灾减灾等领域( Lu和Bai,2015 )。

GF-2是中国第一颗亚米级高分辨率民用光学遥感卫星,于2014-08-19发射升空,标志着中国遥感卫星进入亚米级“高分时代”( 潘腾,2015  ; Huang等,2018 )。卫星搭载有两台1 m全色和4 m多光谱相机,空间分辨率可达到0.8 m,主要用于地质解译、地质灾害调查、矿山开发监测、土地利用监测与变更调查、城乡建设管理、路网规划与灾害应急、道路基础设施监测、森林资源调查、林业生态工程与灾害监测等领域。

GF-3是中国首颗空间分辨率达到1 m的C频段多极化合成孔径雷达成像卫星,于2016-08-10发射升空( Sun等,2017 )。GF-3也是世界上成像模式最多的雷达卫星,不仅涵盖条带、扫描成像模式,而且可以自由切换至聚束、全球观测、高低入射角等12种成像模式,实现“一星多用”的效果( 张庆君,2017 )。GF-3获取的微波遥感信息可用于地表土壤水分监测、地质灾害预测预警、流域水系特征、地表水分布、洪涝范围、土地利用、植被覆盖等重要领域,同时可以服务于海洋应用如海浪、海面风场、海洋内波、浅海水下地形、海面溢油、海冰和海面目标等( 刘杰和张庆君,2018 )。

GF-4是中国首颗、世界上分辨率最高的地球同步轨道高分辨率遥感卫星,于2015-12-29发射升空。GF-4卫星上搭载1台50 m的全色/多光谱相机和1台400 m的中波红外面阵相机,地球同步轨道高度为36000 km,能够实现对同一区域的持续观测( 练敏隆 等,2016 )。GF-4卫星获取的影像数据能够实现水体、堰塞湖、云系、林地、森林火点和气溶胶厚度等识别与变化信息提取,主要用于防灾减灾、气象、地震、林业和环保等领域( 王殿中和何红艳,2017 )。

GF-5是中国首颗高光谱卫星,于2018-05-09发射升空,搭载包括可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪在内的6台载荷( 孙允珠 等,2018 )。GF-5卫星运行于太阳同步轨道,其中可见短波红外高光谱相机获取330个谱段(400—2500 nm)、30 m分辨率、60 km幅宽的高光谱影像数据,主要应用于水体和生态环境监测、固体废弃物遥感、重大工程和环境事故遥感监测、油气资源调查和地质填图等领域( 刘银年,2018 )。

GF-6是中国首颗精准农业观测的低轨光学遥感卫星,又称“高分陆地应急监测卫星”,于2018-06-02日发射升空。GF-6卫星搭载1台2 m全色/8 m多光谱高分辨率相机和1台16 m多光谱中分辨率宽幅相机,并且首次增加“红边”波段以反映作物特有光谱特性。GF-6与GF-1卫星组网运行,主要服务于农业农村、自然资源、应急管理、生态环境等行业领域应用( 刘晋阳 等,2019 )。

GF-7是中国高分系列卫星中测图精度要求最高的科研型卫星,于2019-11-03发射升空( Tang 等,2020 )。GF-7搭载双线阵立体相机和激光测高仪等有效载荷,突破了亚米级立体测绘相机技术,能够获取高空间分辨率光学立体观测数据和高精度激光测高数据( 刘建军 等,2018 )。GF-7卫星能够实现民用1:10000比例尺卫星立体测图,满足中国基础测绘、全球地理信息保障、城乡建设监测评价、农业调查统计等高精度立体测绘的数据需求。

2.3 环境/实践系列卫星

环境/实践系列卫星包括环境系列卫星和实践九号卫星。环境系列卫星是中国专门针对环境和灾害监测的对地观测系统。

“环境一号A/B卫星”(代号HJ-1A/B),于2008-09-06发射升空( 王桥 等,2010 )。HJ-1A卫星搭载一台30 m宽幅CCD相机与的中国首个100 m分辨率的高光谱相机,幅宽分别为700 km和50 km。HJ-1B卫星搭载一台30 m CCD相机与150 m的红外多光谱相机,幅宽分别为700 km和720 km。“环境一号C星”(代号HJ-1C)于2012-11-19发射升空。星上搭载S波段合成孔径雷达,具有条带和扫描两种工作模式,成像宽度分别达到40 km和100 km( 张润宁和姜秀鹏,2014 )。HJ-1卫星的主要任务是大范围、全天候、全天时动态监测环境污染、生态破坏和自然灾害,预测发展变化趋势并做到快速科学评估,为紧急救援、灾后救助与重建工作提供强有力的数据支撑( Wang等,2010 )。HJ-1A/B/C卫星设计寿命3年,目前仍在运行。

“实践九号A/B卫星”(代号SJ-9A/B)是民用新技术试验卫星系列规划中的首发星,于2012-10-14在太原发射中心成功发射( 文强 等,2013 )。SJ-9A卫星搭载一个2.5 m全色多光谱相机和10 m的红外相机,幅宽为30 km。SJ-9A/B卫星主要用于卫星长寿命高可靠、高精度高性能,国产核心元器件和卫星编队及星间测星与链路等试验,获取的遥感影像数据可用于国土资源调查与监测、农业、林业、水利、城乡建设、环境保护和防灾减灾等领域。

2.4 小卫星系列

中国的小卫星系列主要包括“北京”系列、“天绘一号”系列、“高景一号”卫星星座、“珠海一号”卫星星座、“吉林一号”卫星星座、“珞珈一号”和“三极遥感星座观测系统”。

“北京一号”(代号BJ-1)小卫星及运营系统是国家发展计划支持的科研成果,于2005-10-27成功发射( 冉琼 等,2009 )。卫星搭载4 m全色相机与32 m多光谱相机,可以实现600 km幅宽的大幅成像。BJ-1卫星主要用于灾害监测与评估、植被调查、农业和测图等领域。卫星设计寿命5年,于2010-10-27圆满完成预定任务,2012年退役。2015-07-11,“北京二号”(代号DMC3)小卫星发射,包括3颗1 m全色、4 m多光谱的光学遥感卫星,设计寿命7年( 唐尧 等,2019 )。中国二十一世纪空间技术应用股份有限公司承担卫星星座在轨任务测控、卫星数据接收等运行管理,并组织数据产品生产和提供对地观测服务。DMC3的卫星遥感数据是中国民用遥感卫星体系和自主数据源的有益补充,主要用于全球资源环境调查、城市规划和智能管理及灾害监测等领域。

“天绘一号”(代号TH-1)系列卫星是中国第一代光学遥感立体测绘卫星,由3颗卫星组成。天绘一号01星、02星和03星分别发射于2010-08-24、2012-05-06和2015-10-26,并成功组网运行( 李岩 等,2012 Wang 等,2017 )。该星由航天东方红卫星有限公司研制,星上搭载三线阵CCD相机、2 m全色相机、10 m多光谱相机和5 m三线阵全色立体相机。中国天绘卫星中心负责天绘系列卫星及地面应用系统的运行控制、数据接收处理和应用服务。天绘一号卫星的主要任务为获取全球范围内立体、多光谱和高分辨率影像信息,测制全球地区1:5万比例尺地图,修测1:2.5万比例尺地图,为中国国土资源调查、地图测绘等应用提供科学数据( 王蓉 等,2014 )。

“高景一号”(代号SuperView-1)系列卫星是中国首个商业化运营的0.5 m高分辨率遥感卫星星座。SuperView-1的01/02卫星于2016-12-28成功发射,03/04星于2018-01-09发射至同一轨道,4颗卫星已成功组网运行,具备全球范围内任意目标1 d内重访的能力( Wang等,2018 )。4颗卫星的设计技术指标和配置状态基本一致,每颗卫星承载1台高分辨率全色多光谱相机,可提供0.5 m全色和2 m多光谱,拼接幅宽大于60 km的高分辨率影像。Superview-1卫星由航天东方红卫星有限公司制造,由北京航天世景信息技术有限公司负责全球商业运营,为全球用户提供遥感数据服务和应用系统解决方案,以及针对国土资源调查、测绘、环境监测、金融保险和互联网行业的增值服务。

“珠海一号”是由珠海欧比特宇航科技股份有限公司发射并运营的商业遥感微纳卫星星座( Jiang等,2019 )。整个星座由34颗卫星组成,包括视频卫星、高光谱卫星、雷达卫星、高分光学卫星和红外卫星,将实现全天时、全天候、无障碍地获取遥感数据,形成全天候对地观测能力,目前已发射12颗卫星。01组于2017-06-15发射升空,包含2颗视频卫星(代号为OVS-1A和1B),光学分辨率为1.98 m,具有凝视成像和条带成像两种工作模式。02组卫星于2018-04-26发射升空,包含4颗高光谱卫星OHS-01/02/03/04和1颗高分辨率视频卫星OVS-2;OHS高光谱卫星的波段可达256个,覆盖范围400—1000 nm,幅宽150 km。03组卫星于2019-09-19发射升空,包含4颗高光谱卫星和1颗0.9 m分辨率的视频卫星,联合02组卫星实现国内首次高光谱卫星组网运行,能够实现2 d半覆盖全球、对特定区域1 d重访,大幅度提高采集高光谱遥感数据的能力。“珠海一号”星座的高光谱遥感数据能够为海洋监测、农业生态环境监测、土地荒漠化监测、林业监测、资源分布与调查、水资源环境动态监测、减灾应急、环境综合监测管理、智慧城市和金融保险等领域提供数据支撑。

“吉林一号”(代号JL-1)是由长光卫星技术有限公司发射并运营的光学遥感卫星星座,计划通过两个阶段建设成为一个高时间分辨率、高空间分辨率的包含近200颗卫星的遥感信息获取平台( 李贝贝 等,2018 )。目前在轨14颗遥感卫星,包括8颗高分辨率视频卫星、2颗高分辨率光学卫星,2颗光谱卫星和1颗技术验证卫星。2015-10-07“吉林一号”一箭4星发射,包括1颗光学A星、2颗灵巧视频星以及1颗灵巧验证星。光学A星搭载0.72 m全色和2.88 m多光谱相机,幅宽为11.6 km;灵巧视频星的空间分辨率为1.13 m,具备获取4 K高清彩色视频影像能力;灵巧验证星的空间分辨率为4.7 m,主要完成多重成像技术及国产高敏度CMOS芯片验证;视频03星可以获取分辨率0.92 m的彩色视频。2017-01-09视频卫星03星(林业一号)发射升空;2017-11-21视频卫星04、05和06星(佐丹力159吉林一号)发射升空;2018-01-19,视频07星(德清一号)和08星(林业二号)发射升空。视频卫星兼具视频成像和光学推扫两类成像模式,空间分辨率优于1 m,幅宽大于11 km,还可获取亚米级静态图像,幅宽大于13 km ( Xiao 等,2018 )。2019-01-21“吉林一号”光谱01星(吉林林草一号)和02星(文昌超算一号)发射升空,搭载多光谱成像仪、短波红外、中波、长波红外相机等载荷,可以获取5 m分辨率、26个波段、幅宽110 km的遥感影像数据。2019-06-05“吉林一号”高分03A卫星发射升空,获取分辨率优于1.1 m、幅宽大于18 km的高分辨率影像数据。2019-11-13“吉林一号”高分02A卫星发射升空,获取0.75 m全色和3 m多光谱数据,与此前的13颗卫星组网运行。“吉林一号”卫星星座将为国土资源监测、林业普查、环境保护、交通运输和防灾救灾等重要领域提供信息支持服务。

“武汉大学珞珈一号科学实验卫星”(代号LJ-1)是由武汉大学牵头,联合长光卫星技术有限公司研制的夜光遥感卫星(  Li 等, 2019a )。珞珈一号01卫星发射于2018-06-02,是世界上第一颗兼具遥感和导航功能的“一星多用”低轨微纳科学实验卫星,也是全球首颗专业夜光遥感卫星。卫星提供130 m分辨率、幅宽250 km的夜光影像数据,优于美国国防气象卫星和国家极轨环境卫星系统预备计划卫星。夜光影像数据由高分辨率对地观测系统湖北数据与应用中心负责数据管理与分发,主要应用于社会经济参数估算、区域发展研究、重大事件评估和渔业监测等领域( 钟亮和刘小生,2019  ; Jiang 等,2018 )。

“京师一号卫星”(代号BNU-1),又称“冰路卫星”,由北京师范大学发起,由中国科学技术部和北京师范大学共同投资,由深圳航天东方红海特卫星公司研制。BNU-1卫星于2019-09-12发射升空,是中国“三极遥感星座观测系统”的第一颗试验卫星,也是中国首颗极地观测遥感小卫星。BNU-1卫星搭载一台分辨率80 m、幅宽745 km的多光谱相机和一台分辨率8 m、幅宽25 km的光学相机。卫星入轨后将由南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)负责运行,数据将用于极地气候与环境观测,包括航道海冰漂移和冰架崩解等,能够有效弥补中国长期自主极地观测数据的短缺,对于促进中国极地与全球变化研究具有重要意义。

其他小卫星包括灵鹊-1A、潇湘一号卫星、铜川一号卫星和宁夏一号等。灵鹊-1A星是由北京零重空间技术有限公司灵鹊星座规划的首发验证星,具有对地观测和视频成像等功能。潇湘一号卫星是由长沙天仪空间科技研究院有限公司研制的技术试验卫星,其中03星主要用于验证无线电通信及开展小型遥感试验。

3 气象遥感卫星

气象遥感卫星是地球观测卫星系统的重要组成部分,主要探测大气层要素变化,获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数,服务于中国气象、水文、农业、自然灾害、海洋等诸多领域( 杨忠东 等,2013 Zhang 等,2019 )。

中国气象遥感卫星的自主研发工作始于1977年。1988年,中国成功发射风云一号(代号FY-1)A星,揭开了中国气象卫星遥感的新篇章。经过数十年的发展,中国先后成功发射了风云一号(FY-1)、风云二号(FY-2)、风云三号(FY-3)和风云四号(FY-4)系列的17颗气象卫星,包括8颗极轨气象卫星和9颗静止轨道气象卫星,实现了从试验应用型到业务型的成功转变( 杨军 等,2018 卢乃锰和谷松岩,2016 )。中国目前是世界上少数同时具有极轨和静止轨道两个系列业务气象卫星的国家之一,同时还在研发晨昏轨道气象卫星,以进一步完善和丰富现有的气象卫星观测体系( 唐世浩 等,2016 )。

按照轨道类型和功能定位差异,中国气象遥感卫星可以分为太阳同步极地轨道(简称“极轨”)卫星、地球静止轨道(简称“静轨”)气象卫星和其他气象卫星3大类。在轨运行的气象卫星共有10颗,包括3颗极轨卫星、5颗静轨卫星,2颗试验卫星GF-5卫星和碳卫星。中国“高分”专项中的GF-5卫星搭载了4个大气传感器,能够探测温室气体和气溶胶等大气成分( 熊伟,2019 );碳卫星(代号Tansat)能够监测全球二氧化碳浓度、反演植被叶绿素荧光等。在轨运行的气象遥感卫星的具体参数如 表2 所示。

表2 在轨运行的中国气象遥感卫星主要参数一览表
Table 2 Main parameters of China in-orbit meteorological satellites
系列

卫星

名称

代号 发射时间 轨道高度/km 传感器

重访

周期

波段数 波谱或频率范围 空间分辨率/m 幅宽/km 工作模式 用途

获取

途径

极轨卫星系列 风云三号 B星 FY-3B 2010-11-05 836 可见光红外扫描辐射计 5.5 d 10 0.43—12.5 μm 1100 1100 跨轨扫描 云、可见光、雪、地表温度、海表温度、气溶胶、叶面积指数等 国家卫星气象中心
中分辨率成像光谱仪 20 0.402—12.5 μm 250—1000 2800 绕轴旋转 地表辐射、高分辨率植被指数、陆地覆盖类型、海洋水色、气溶胶、大气可降水
红外分光计 26 0.69—14.95 μm 17000 2250 跨轨扫描 大气温度资料、湿度资料
微波温度计 4 50—57 GHz 62000 2200 跨轨扫描 大气温度
微波湿度计 5 150—183 GHz 16000 2700 跨轨扫描 大气湿度
微波成像仪 10 10.65—89 GHz 9000—85000 1400 圆锥扫描 降水和云水、大气可降水、海平面温度和风速、土壤湿度和温度、雪盖
紫外臭氧垂直探测仪 12 252—340 nm 50000 200 仅天线视图 垂直臭氧资料
紫外臭氧总量探测仪 6 308—360 nm 50000 3000 跨轨扫描 臭氧总量
太阳辐射监测仪 1 0.2—50 μm 北极区域观测太阳(非跟踪) 太阳常数
地球辐射探测仪 2

0.2—4.3 μm

0.2—50 μm

28000 2300 视场观测模式 反射太阳辐射通量、OLR
空间环境检测器

电子:0.25—2.0 MeV;质子:6.4—38 MeV;

α粒子: 15—60 MeV;电子温度:0—1 eV;

电子密度:10—1 0 6  e/c m 3

跟随轨道量测 高能粒子
C星 FY-3C 2013-09-23 836 可见光红外扫描辐射计 5.5 d 10 0.43—12.5 μm 1100 2800

跨轨

扫描

云图、植被、泥沙、卷云及云相态、雪、冰、地表温度、海表温度、水汽总量
红外分光计 26 0.69—14.95 μm 17000 2250

跨轨

扫描

大气温、湿度廓线、O 3 总含量、CO 2 浓度、气溶胶、云参数、极地冰雪、降水等
微波温度计 13 50—60 GHz 32000 2200

跨轨

扫描

微波湿度计 15 89—183 GHz 16000/32000 2700

跨轨

扫描

微波成像仪 10 10.65—89 GHz 9000—85000 1400

圆锥

扫描

雨率、云含水量、水汽总量、土壤湿度、海冰、海温、冰雪覆盖等
中分辨率光谱成像仪 20 0.402—12.5 μm

250—

1000

2800

绕轴

旋转

海洋水色、气溶胶、水汽总量、云特性、植被、地面特征、表面温度、冰雪
紫外臭氧垂直探测仪 12 252—340 nm 50000 200

天线

视图

O 3 垂直分布
紫外臭氧总量探测仪 6 308—360 nm 50000 3000

跨轨

扫描

O 3 总含量
地球辐射探测仪 2 0.2—50 μm0.2—4.3 μm 28000 2300

跨轨

扫描

地球辐射
太阳辐射监测仪 1 0.2—50 μm 太阳辐射
空间环境监测器

电子:0.25—2.0 MeV;质子:6.4—38 MeV;

α 粒子: 15—60 MeV;电子温度:0—1 eV;

电子密度:10—1 0 6  e/c m 3

卫星故障分析所需空间环境参数

全球导航

卫星掩星

探测仪

大气密度廓线、大气温度廓线、大气折射率廓线、低层大气湿度廓线、电子密度廓线
D星 FY-3D 2017-11-15 836 中分辨率成像光谱仪 5.5 d 25 0.402—12.5 μm 250—1000 2800

跨轨

扫描

气溶胶、云和陆地表面特性、海表特性和低层水汽
微波成像仪 10 10.65—89 GHz 9000—85000 1400

圆锥

扫描

雨、云和大气中水汽含量、植被、土壤湿度、海温、海冰、雪覆盖及海面油污分布
微波温度计 13 50—60 GHz 32000 2200

跨轨

扫描

大气温度
微波湿度计 15 89—183 GHZ 16000/32000 2700

跨轨

扫描

大气湿度垂直分布、水汽含量、云中液态水含量、降水等
红外高光谱大气探测仪 1370 3.92—15.39 μm 16000 2250

跨轨

扫描

大气温度、湿度廓线分布
近红外高光谱温室气体监测仪 4 0.75—2.38 μm 10000 垂直观测、指向太阳 全球主要温室气体CO 2 、CH 4 以及CO等气体柱总量

广角极光

成像仪

115—180 nm

427.8—630 nm

10000/300000

扫描

成像

极光椭圆区域的光强分布

电离层光

度计

3—100 keV 80000  

跨轨

扫描

反演电离层电子总含量
空间环境监测器

电子:0.25—2.0 MeV;质子:6.4—38 MeV;

α 粒子:15—60 MeV;电子温度:0—1 eV;电子密度:10—1 0 6  e/c m 3

现场

测量

卫星轨道空间的高能电子、质子和重离子
全球导航卫星掩星探测仪

300000

×500

710

临边

扫描

大气折射率、温度、压力、湿度等大气物理量及电离层电子密度等物理参数
静轨卫星 风云二号 E星 FY-2E 2008-12-23 35786 扫描辐射计 实时 5

1: 0.55—0.99 μm

2: 10.3—11.3 μm

3:11.5—12.5 μm

4: 6.3—7.6 μm

5: 3.5—4.0 μm

可见光:1250;

其他:5000

立体

成像

白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图
F星 FY-2F 2012-01-13 空间环境监测器

电子:0.15—1.0 MeV;质子:0.85—400 MeV;

α 粒子:3.8—500 MeV

G星 FY-2G 2014-12-31
H星 FY-2H 2018-06-05
风云四号A星 FY-4A 2016-12-11 35786 多通道扫描成像辐射计 实时 14

1:0.45—0.49 μm

2:0.55—0.75 μm

3:0.75—0.90 μm

4:1.36—1.39 μm

5:1.58—1.64 μm

6:2.1—2.35 μm

7:3.5—4.0 μm(high)

8:3.5—4.0 μm (low)

9:5.8—6.7 μm

10:6.9—7.3 μm

11:8.0—9.0 μm

12:10.3—11.3 μm

13:11.5—12.5 μm

14:13.2—13.8 μm

可见近红外:500—1000;

红外:2000—4000

成像

探测、垂直

探测、闪电

地球云图
干涉式大气垂直探测仪 914

1:8.85—14.29 μm

2: 4.44—6.06 μm

3:0.55—0.75 μm

16000/2000 大气温度和湿度垂直分布
闪电成像仪 777.4 nm 7800 对云闪、云间闪、云—地闪在内的总闪电进行凝视观测,实现对雷暴系统的实时、连续监测和跟踪
空间环境监测仪器 空间环境和效应探测
其他气象卫星

GF-5

卫星

GF-5 2018-05-09 705

大气环境红外甚高光谱分辨率探

测仪

1—2 d 1 2.4—13.3 μm 南极8—100 km内大气成分的垂直分布和水平分布、大气监测和气候变化研究 高分辨率对地观测系统重大专项网
大气主要温室气体监测仪 4

1:0.759—0.769 μm

2:1.568—1.583 μm

3:1.642—1.658 μm

4:2.043—2.058 μm

10.3

天底

穿轨

打点、

海洋

耀斑

CO 2 柱、CH 4 柱总量探测,大气环境和气候变化
大气痕量气体差分吸收光谱仪 4

1:0.240—0.315 μm

2:0.311—0.403 μm

3:0.401—0.550 μm

4:0.545—0.710 μm

48000×13000 2600

面阵

推扫

平流层O 3 、大

气痕量气体异常波动和大气污染

大气气溶胶多角度偏振探测仪 8

1:0.433—0.453 μm

2:0.480—0.500 μm

(偏振)

3:0.555—0.575 μm

3.5 1850

沿轨

探测、

穿轨

探测

地表高反射率下垫面、气溶胶及云探测
 

4:0.660—0.680 μm

(偏振)

5:0.758—0.768 μm

6:0.745—0.785 μm

7:0.845—0.885 μm

(偏振)

8:0.900—0.920 μm

       
碳卫星 TanSat 2016-12-22 712 高光谱温室气体探测仪 16 d 1024 0.758—0.776 μm 2000 20

天底

模式、

耀斑

模式、

目标

模式、

掩星

模式

监测全球二氧化碳浓度、反

演植被叶绿素荧光

国家卫星气象中心
512 1.594—1.624 μm 2000
512 2.041—2.081 μm 2000
云和气溶胶偏振成像仪 5

1:0.359—0.402 μm

2:0.645—0.695 μm

3:0.855—0.885 μm

4:1.360—1.390 μm

5:1.630—1.650 μm

250/1000 400

极化

观测

获取云、气溶胶信息

3.1 极轨卫星系列

极轨卫星是通过地球南北极且与太阳同步轨道的气象卫星,轨道高度一般在650—1500 km,能够实现长重访周期的全球观测,为中期数值天气预报、气候诊断和预测、自然灾害和环境监测等提供有效观测数据。中国的极轨卫星包括FY-1系列的4颗卫星(FY-1A至D)和FY-3系列的4颗卫星(FY-3A至D),其中FY-3B、C和D仍然在轨运行。

FY-1A卫星于1988年9月发射升空,是FY-1系列的第一颗试验卫星,更是中国首颗气象卫星( 许健民 等,2010 )。卫星搭载5通道的可见光—红外扫描辐射仪,主要用于天气预报和植被、冰雪覆盖、洪水、森林火灾等环境监测,于1988年10月停止运行。FY-1B卫星于1990-09-03发射升空,星上搭载了与FY-1A相同的5通道可见光—红外扫描辐射仪,但获取的可见光云图质量优于FY-1A,红外图像质量良好,提升了天气预报等应用的时效性。FY-1B卫星于1991年8月停止运行。FY-1C和FY-1D卫星分别于1999-05-10和2002-05-15发射,卫星搭载两台互为备份的10通道可见光—红外扫描辐射仪( 胡秀清 等,2006 )。FY-1C和FY-1D卫星提高了探测精度,能够为天气预测提供高精度资料,二者分别于2004-06-24和2011年5月停止运行。

作为中国新一代风云极轨气象卫星,首颗试验卫星FY-3A于2008-05-07发射。星上搭载可见光—红外扫描辐射计、红外分光计、微波温度计、微波湿度计、中分辨率成像光谱仪、微波成像仪、地球辐射扫描仪、太阳辐射监测仪、紫外臭氧垂直探测仪、紫外臭氧总量探测仪和空间环境检测器,成功解决了3维大气探测难题,大幅度提高了中国气象卫星的全球资料获取能力( Dong 等,2009 张兴赢 等,2015 )。FY-3A卫星于2018年3月停止运行。FY-3B卫星于2010-11-05发射,搭载与FY-3A相同的大气探测器。FY-3C于2013-09-23发射,是风云三号系列气象卫星的首颗业务星,在FY-3A和FY-3B原有探测器的基础上增加了全球导航卫星掩星探测。FY-3D卫星于2017-11-15发射,星上共搭载了10个传感器( Li 等,2019b )。除微波温度计、微波湿度计、微波成像仪、空间环境监测仪器包和全球导航卫星掩星探测仪等5台继承性仪器之外,红外高光谱大气探测仪、近红外高光谱温室气体监测仪、广角极光成像仪和电离层光度计为全新研制和首次上星搭载,中分辨率光谱成像仪进行了大幅升级改进,性能显著提升( Wang 等,2019 )。FY-3D卫星实现与FY-3A、FY-3B、FY-3C组网运行,使中国天气预报时效从6小时缩短至4小时。

3.2 静止卫星系列

静止卫星是在赤道上空地球同步轨道的气象卫星,轨道高度约35000 km,能够实现对地球表面三分之一的固定区域高频次的气象观测,快速捕捉天气变化,为中尺度强对流天气的预警和预报提供服务。中国的静止卫星包括FY-2系列的8颗卫星(FY-2A至H)和FY-4系列的1颗卫星(FY-4A)。

作为中国第一代静止气象卫星,第一颗试验卫星FY-2A于1997-06-10发射升空。FY-2A搭载了三通道的扫描辐射计,于1998年4月停止运行。FY-2B于2000-06-25发射,于2006年2月停止运行。FY-2A和FY-2B为后续静止气象卫星的研制积累了大量经验。FY-2C是中国第一代静止卫星的首颗业务卫星,于2004-10-19发射。FY-2C卫星搭载了5个通道的扫描辐射计和空间环境监测器,其数据量化等级增加到10 bit,于2009年11月停止运行。FY-2D于2006-12-08日发射,与FY-2C星形成双星组网观测。卫星的单天获取云图能力增加至96次,实现了15 min的高精度观测,于2015年7月停止运行。FY-2E卫星于2008-12-23发射升空,改进了云图杂散辐射,能够获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图,收集其他平台的气象数据来监测太阳活动和轨道空间环境,目前在轨运行。FY-2F卫星于2012-01-13发射,星上搭载了扫描辐射计和空间环境监测器。扫描辐射计包括1个1.25 km分辨率的可见光和4个5 km分辨率的红外通道,目前在轨运行。FY-2G卫星于2014-12-31发射,星上搭载了与FY-2F相同的扫描辐射计和空间环境监测器,设计寿命从3年增加到4年,同时也提高了观测精度,目前在轨运行。FY-2H卫星于2018-06-05发射,星上搭载了扫描辐射计和空间环境监测器。该卫星能够提供实时云图及晴空大气辐射、云导风、沙尘等数十种遥感产品,为全球数值天气预报、灾害预警和环境监测等提供参考资料,目前在轨运行。

FY-4A是中国第二代静止气象卫星,于2016-12-11发射,搭载了多通道扫描成像辐射计、干涉式大气垂直探测仪、闪电成像仪和空间环境监测仪等多种探测仪( 张志清 等,2017 )。多通道扫描成像辐射计包含14个通道(6个可见/近红外波段、2个中波红外波段、2个水汽波段和4个长波红外波段),能够实现分钟级的区域快速扫描( Zhang等,2018 )。干涉式大气垂直探测仪是国际上第一台在静止轨道上以红外高光谱干涉分光方式探测3维大气垂直结构的精密遥感仪器,通道数高达1650个,空间分辨率为16 km,利用迈克尔逊干涉分光方式观测不同谱段的红外辐射,获取大气温度和湿度的垂直分布并服务于气象预( Di等,2018 )。闪电成像仪为中国首次研制,采用CCD面阵和光学成像技术,能够凝视观测区域内的总闪电包括云闪、云间闪和云—地闪,实时连续监测和跟踪雷暴系统,用于强对流天气监测、民航、铁路和电力等行业领域( 梁华 等,2017 )。空间环境监测仪包含高能粒子探测器、磁强计和空间天气效应探测器。

3.3 其他气象卫星

其他用于大气环境监测和气象服务的遥感卫星主要包括GF-5卫星和碳卫星。

GF-5卫星是中国“高分”专项的重要组成部分,搭载了4台大气载荷,包括大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪( Zhou等,2019  )。GF-5卫星能够探测CO 2 、CH 4 、O 3 、NO 2 、SO 2 等大气成分的总量及其空间分布,满足大气环境监测和气候变化的研究需求( Zhao等,2017 赵敏杰 等,2019 )。

碳卫星(代号TanSat)于2016-12-22发射,是中国自主研制的首颗全球大气二氧化碳观测科学实验卫星( Ran和Li,2019 王思恒 等,2019 )。TanSat卫星搭载了高光谱二氧化碳探测仪和多谱段云与气溶胶探测仪,监测精度优于4 ppm,能够提供超高光谱分辨率数据,用于监测全球大气中CO 2 浓度和植被叶绿素荧光信号,进而估算全球植被光合生产力,提升全球碳源汇观测能力( Du 等,2018 )。

4 海洋遥感卫星

海洋遥感卫星主要观测海面风场、浪高、海流、海面高度、海面温度、盐度及海洋水色等环境参数,为中国海洋权益维护、海域管理使用和海洋生态环境保护等提供技术服务( Pan 等,2009 林明森 等,2019 )。

中国从1985年开始海洋遥感卫星的立项论证,编制了《中国海洋卫星及卫星海洋应用发展规划》,指出要发展海洋水色环境、海洋动力环境和海洋监视监测3个系列的海洋遥感卫星系统( 张庆君和赵良波,2018  ; 林明森 等,2019 )。海洋水色环境系列卫星海洋一号(HY-1)获取中国近海和全球海洋水色水温及海岸带变化信息。海洋动力环境系列卫星海洋二号(HY-2)用以全天时、全天候获取中国近海和全球海面风场、海面高度、有效波高和海面温度等海洋动力环境信息。海洋监视监测系列卫星海洋三号(HY-3)用以监视海岛、海岸带和海上目标,获取海面浪场、风暴潮漫滩、内波、海冰和溢油等信息( 蒋兴伟 等,2016 )。

经过多年的发展,中国已经发射了海洋水色环境卫星海洋一号(HY-1)系列中的A、B和C 3颗试验卫星,海洋动力环境卫星海洋二号(HY-2)系列中的A和B两颗试验卫星,海洋监视监测卫星海洋三号(HY-3)中的首颗试验卫星( 林明森 等,2019 )。HY-1和HY-2卫星数据由国家卫星海洋应用中心负责管理和分发。同时,中国积极与法国合作发射中法海洋卫星(CFOSAT),吸收法国海洋波谱探测方法和工程实践的丰富经验,提升中国海浪谱测量的技术水平( 陈连增和雷波,2019 )。此外,2019年,中国发射了极地观测遥感小卫星BNU-1,也能用于极地区域的航道海冰漂移和冰架崩解等。

在轨运行的海洋遥感卫星共7颗,包括2颗海洋水色环境卫星HY-1B和C、2颗海洋动力环境卫星HY-2A和B、海洋监视监测试验卫星GF-3(参数见 表1 )、中法海洋卫星CFOSAT和小卫星BNU-1。各个系列海洋卫星的具体参数见 表3 所示。

表1 在轨运行的中国陆地遥感卫星主要参数一览表
Table 1 Main parameters of China in-orbit terrestrial observation satellites
系列

卫星

名称

代号 发射时间 轨道高度/km 传感器

重访

周期

波段数 波谱或频率范围 空间分辨率/m 幅宽/km 工作模式 用途 获取途径
资源系列 资源1号 02C星 ZY1-02C 2011-12-22 780.099 全色 3 d 4 1:0.51—0.85 μm 5 60 推扫成像 土地资源监管、矿山开发监测、地质灾害监测、地质隐患调查等国土资源的微观调查与监管 中国资源卫星应用中心
多光谱

2:0.52—0.59 μm3:0.63—0.69 μm

4:0.77—0.89 μm

10
全色 1 1:0.50—0.80 μm 2.36 54
04星 CBERS-04 2014-12-07 778 全色 3 d 4 1:0.51—0.85 μm 5 60 推扫成像 国土资源、林业、水利、农情、环境保护等领域的监测、规划和管理
多光谱

2:0.52—0.59 μm3:0.63—0.69 μm

4:0.77—0.89 μm

10
多光谱 26 d 4 5:0.45—0.52 μm6:0.52—0.59 μm7:0.63—0.69 μm8:0.77—0.89 μm 20 120
多光谱 26 d 4

1:0.50—0.90 μm2:1.55—1.75 μm

3:2.08—2.35 μm

40 120
热红外 4:10.40—12.50 μm 80
多光谱 3 d 4 1:0.45—0.52 μm2:0.52—0.59 μm3:0.63—0.69 μm4:0.77—0.89 μm 73 866
02D星 ZY-1 02D 2019-09-12 778 全色 3 d 9 1:0.452—0.902 μm 2.5 115 推扫成像 生态环境监测、土壤质量评估、地质矿物填图、地表水和冰川监测等领域
多光谱

2:0.452—0.521 μm3:0.522—0.607 μm4:0.635—0.694 μm5:0.776—0.895 μm

6:0.416—0.452 μm

7:0.591—0.633 μm

8:0.708—0.752 μm

9:0.871—1.047 μm

10
高光谱 166

166:0.40—2.5 μm (可见光:10 nm;

短波红外:20 nm)

30 60
资源3号 ZY-3 2012-01-09 505.984 立体相机 前视 5 d 1 1:0.50—0.80 μm 3.5 52 立体成像 国土资源调查与监测、测绘、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通、国家重大工程
后视
正视 2.1 51
多光谱 4

1:0.45—0.52 μm2:0.52—0.59 μm

3:0.63—0.69 μm4:0.77—0.89 μm

6
02星 ZY-3 02 2016-05-30 505 立体相机 前视 3—5 d 1 1:0.50—0.80 μm 2.5 51 立体成像
后视
正视 2.1
多光谱 3 d 4

1:0.45—0.52 μm2:0.52—0.59 μm

3:0.63—0.69 μm4:0.77—0.89 μm

5.8
高分系列 高分一号 GF-1 2013-04-26 645 全色 4 d 5 1:0.45—0.90 μm 2 60 推扫成像 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、防灾减灾等
多光谱

2:0.45—0.52 μm3:0.52—0.59 μm

4:0.63—0.69 μm5:0.77—0.89 μm

8
多光谱 2 d 4

6:0.45—0.52 μm7:0.52—0.59 μm

8:0.63—0.69 μm

9:0.77—0.89 μm

16 800

高分

二号

GF-2 2014-08-19 631 全色 5 d 5 1:0.45—0.90 μm 1 45 推扫成像 地质解译、地质灾害调查、矿山开发监测、土地利用监测与变更调查、城乡建设管理、路网规划与灾害应急、道路基础设施监测、森林资源调查、林业生态工程与灾害监测等
多光谱

2:0.45—0.52 μm3:0.52—0.59 μm

4:0.63—0.69 μm5:0.77—0.89 μm

4

高分

三号

GF-3 2016-08-10 755

合成

孔径

雷达

单视:<3 d;双视:<1.5 d 1 C频段:4—8GHZ 1—500 5—650 单极化、双极化和全极化 土壤水分监测、地质灾害预测预警、流域水系特征、地表水分布、洪涝范围、土地利用,海浪、海面风场、内波、浅海水下地形、海面溢油、海冰和海面目标

高分

四号

GF-4 2015-12-29 36000 多光谱 20 s 5

1:0.45—0.90 μm2:0.45—0.52 μm

3:0.52—0.60 μm

4:0.63—0.69 μm

5:0.76—0.90 μm

50 400 面阵凝视 防灾减灾、气象、地震、林业和环保等
红外 1 1:3.50—4.10 μm 400

高分

五号

GF-5 2018-05-09 705 高光谱 5 d 330

0.40—2.50 μm

(可见光:5 nm;

短波红外:10 nm)

30 60 推扫成像 水体和生态环境监测、固体废弃物遥感、重大工程和环境事故遥感监测、油气资源调查和地质填图等
多光谱 12

1:0.45—0.52 μm

2:0.52—0.60 μm

3:0.62—0.68 μm

4:0.76—0.86 μm

5:1.55—1.75 μm

6:2.08—2.35 μm

20

7:3.50—3.90 μm

8:4.85—5.05 μm

9:8.01—8.39 μm

10:8.42—8.83 μm

11:10.3—11.3 μm

12:11.4—12.5 μm

40

高分

六号

GF-6 2018-06-02 645 全色 4 d 5 1:0.45—0.90 μm 2 90 推扫成像 农业农村、自然资源、应急管理、生态环境等
多光谱

1:0.45—0.52 μm

2:0.52—0.60 μm

3:0.63—0.69 μm

4:0.76—0.90 μm

8
多光谱 2 d 8

1:0.45—0.52 μm

2:0.52—0.59 μm

3:0.63—0.69 μm

4:0.77—0.89 μm

5:0.69—0.73 μm

6:0.73—0.77 μm

7:0.40—0.45 μm

8:0.59—0.63 μm

16 800

高分

七号

GF-7 2019-11-03 505 全色/多光谱立体相机 5 5 1:0.45—0.90 μm 0.8 20 推扫成像 民用1:10000卫星立体测图,基础测绘、全球地理信息保障、城乡建设监测评价、农业调查统计等

2:0.45—0.52 μm

3:0.52—0.59 μm

4:0.63—0.69 μm

5:0.77—0.89 μm

3.2
激光测高仪
环境/实践系列 环境1号 A星 HJ-1A 2008-09-06 649.093 多光谱 4 d 4

1:0.43—0.52 μm

2:0.52—0.60 μm

3:0.63—0.69 μm

4:0.76—0.90 μm

30 700 推扫成像 大范围、全天候、全天时动态监测环境污染、生态破坏和自然灾害监测及评估 中国资源卫星应用中心
高光谱 110—128 110—128:0.45—0.95 μm 100 50
B星 HJ-1B 2008-09-06 649.093 多光谱 4

1:0.43—0.52 μm

2:0.52—0.60 μm

3:0.63—0.69 μm

4:0.76—0.90 μm

30 700
多光谱 4

1:0.75—1.10 μm

2:1.55—1.75 μm

3:3.50—3.90 μm

150 720
热红外 4:10.50—12.50 μm 300
C星 HJ-1C 2012-11-19 499.26 合成孔径雷达 1 S频段: 2—4 GHZ

单视:5;

4视:20

100 VV极化
实践九号 A星 SJ9-A 2012-10-14 645 全色 4 d 5 1:0.45—0.89 μm 2.5 30 推扫成像 国土资源调查与监测、农业、林业、水利、城乡建设、环境保护和防灾减灾
多光谱

2:0.45—0.52 μm

3:0.52—0.59 μm

4:0.63—0.69 μm

5:0.77—0.89 μm

10
B星 SJ9-B 近红外 8 d 1 1:0.80—1.20 μm 73 18
小卫星系列 北京二号 DMC3 2015-07-11 651

全色/

多光谱

1 d 5

1:0.44—0.51μm

2:0.51—0.59 μm

3:0.60—0.67 μm

3.2 24 多景模式/沿轨立体/跨轨立体/条带模式、区域成像 全球资源环境调查、城市规划和智能管理及灾害监测 中国二十一世纪空间技术应用股份有限公司
4:0.45—0.65 μm 0.8
5:0.76—0.91 μm 3.2
天绘一号 01星 TH-1 01 2010-08-24 500 全有 全色 组网1 d 1 0.51—0.69 μm 2 60 立体成像 获取全球范围内立体、多光谱和高分辨率影像信息,测制全球地区1:5万比例尺地图,修测1:2.5万比例尺地图 中国天绘卫星中心
02星 TH-1 02 2012-05-06 多光谱 4

1:0.43—0.52 μm

2:0.52—0.61 μm

3:0.61—0.69 μm

4:0.76—0.90 μm

10
03星 TH-1 03 2015-10-26

立体

相机

1 0.51—0.69 μm 5
高景一号 01/02星 SuperView-1 2016-12-28 530 全有 全色

组网

1 d

1 1:0.45—0.89 μm 0.5 12

星下成像、侧摆成像、连续条带、多条带拼接、

立体和多目标成像

提供遥感数据服务和应用系统解决方案,以及国土资源调查、测绘、环境监测、金融保险和互联网增值服务 北京航天世景信息技术有限公司
03/04星 2018-01-09 多光谱 4

1:0.45—0.52 μm

2:0.52—0.59 μm

3:0.63—0.69 μm

4:0.77—0.89 μm

2
珠海一号 01组 OVS-1A/1B 2017-06-15 530

RGB

视频

组网

1 d

1

RGB:

0.43—0.76 μm

1.98 6.1 凝视、推扫 海洋监测、农业生态环境监测、土地荒漠化监测、林业监测、资源分布与调查、水资源环境动态监测、减灾应急、环境综合监测管理、智慧城市和金融保险等领域 珠海欧比特宇航科技股份有限公司
02组 OHS-01/02/03/04 2018-04-26 500 高光谱 256

选32个:

0.4—1.0 μm

10 150 凝视、推扫
OVS-2 RGB视频 1

RGB:

0.43—0.76 μm

0.9

视频:2.7;

图像:22.5

03组 OHS-3A/3B/3C/3D 2019-09-19 500 高光谱 256

选32个:

0.4—1.0 μm

10 150 凝视、推扫
OVS-3 视频 1

RGB:

0.43—0.76 μm

0.9

视频:2.7;

图像:22.5

吉林一号 光学A星 2015-10-07 650 全色

单星3.3 d;

组网1—1.5 d

1 1:0.612—0.794 μm 0.72 11.6 常规推扫、大角度侧摆 国土资源监测、林业普查、环境保护、交通运输和防灾救灾等领域 长光卫星技术有限公司
多光谱 4

1:0.457—0.526 μm

2:0.54—0.595 μm

3:0.628—0.688 μm

2.88
视频01/02星 656 RGB视频 1

RGB:

0.43—0.76 μm

1.13 4.6×3.4 凝视视频
灵巧验证星 650 全色 1 1:0.612—0.794 μm 4.7 9.6 推扫、凝视视频、灵巧成像、立体成像
视频03星 2017-01-09 535

RGB

视频

1

RGB:

0.41—0.69 μm

0.92 11×4.5 凝视视频、夜光、立体、空间目标成像
视频04-06星 2017-11-21 535

RGB

视频

1

RGB视频:

0.437—0.723 μm

0.92 11×4.5 凝视视频、推扫、夜光、立体、空间目标成像
6

1:0.45—0.80 μm

2:0.45—0.51 μm

3:0.51—0.58 μm

4:0.63—0.69 μm

5:0.705—0.745 μm

6:0.77—0.895 μm

19
视频07/08星 2018-01-19 535 RGB视频 1

RGB视频:

0.437—0.723 μm

0.92 11×4.5 凝视视频、推扫、夜光、立体、空间目标成像
6

1:0.45—0.80 μm

2:0.45—0.51 μm

3:0.51—0.58 μm

4:0.63—0.69 μm

5:0.705—0.745 μm

6:0.77—0.895 μm

19
光谱01/02星 2019-01-21 528 多光谱 26

1:0.45—0.80 μm2:0.403—0.423 μm

3:0.433—0.453 μm

4:0.45—0.515 μm

5:0.525—0.600 μm

6:0.63—0.68 μm

7:0.7845—0.8995 μm

8:0.485—0.495 μm

9:0.615—0.625 μm

10:0.650—0.680 μm

11:0.69875—0.71875 μm

12:0.7325—0.7475 μm

可见近红外:5;

短波红外:100;长波红外:150

110 推扫、夜光、空间目标成像

13:0.773—0.793 μm

14:0.855—0.875 μm

15:0.66—0.67 μm

16:0.6775—0.685 μm

17:0.75—0.7575 μm

18:0.75875—0.76275 μm

19:0.935—0.955 μm

20:1.0—1.04 μm

21:1.195—1.225 μm

22:1.36—1.39 μm

23:1.55—1.59 μm

24:1.61—1.69 μm

25:3.7—4.95 μm

26:7.5—13.5 μm

高分03A星 2019-06-05 572 全色 1 1:0.45—0.70 μm 1.06 18.5

推扫成像、多目标推扫成像、

空间目标成像

多光谱 4

1:0.45—0.51 μm

2:0.51—0.58 μm

3:0.63—0.69 μm

4:0.77—0.895 μm

4.24
高分02A星 2019-11-13 535 全色 1 1:0.45—0.70 μm 0.75 40 推扫成像
多光谱 4

1:0.45—0.51 μm

2:0.51—0.58 μm

3:0.63—0.69 μm

4:0.77—0.895 μm

3.0
珞珈一号 01卫星 2018-06-02 645 夜光 3—5 d 1 0.48—0.80 μm 130 260 夜光模式、白天模式 社会经济参数估算、区域发展研究、重大事件评估和渔业监测等领域 高分湖北数据与应用中心
京师一号 冰路卫星 BNU-1 2019-09-12 739 多光谱 2 d 5

1:0.527—0.769 μm

2:0.471—0.506 μm

3:0.560—0.599 μm

4:0.638—0.676 μm

5:0.751—0.773 μm

80 745 推扫成像 极地气候与环境观测 京师一号数据引接系统
全色 1 0.45—0.70 μm 8 25
表3 在轨运行的中国海洋遥感卫星主要参数一览表
Table 3 Main parameters of China in-orbit marine satellites
系列 卫星名称 代号

发射

时间

轨道高度/km 传感器 重访周期 波段数 波谱或频率范围 空间分辨率/m 幅宽/km 工作模式 用途 获取途径
水色环境系列卫星 海洋一号 B星 HY-1B 2007-04-11 798

水色

扫描仪

1 d 10

1:0.402—0.422 μm

2:0.433—0.453 μm

3:0.48—0.50 μm

4:0.51—0.53 μm

5:0.555—0.575 μm

6:0.66—0.68 μm

7:0.74—0.76 μm

8:0.845—0.885 μm

9:10.30—11.40 μm

10:11.40—12.50 μm

1100 推扫成像 获取中国近海和全球海洋水色水温及海岸带动态变化信息 国家卫星海洋应用中心

多光谱

成像仪

7 d 4

1:0.433—0.453 μm

2:0.555—0.575 μm

3:0.655—0.675 μm

4:0.675—0.695 μm

250 500
C星 HY-1C 2018-09-07 782 水色水温扫描仪 1 d 10

1:0.402—0.422 μm

2:0.433—0.453 μm

3:0.48—0.50 μm

4:0.51—0.53 μm

5:0.555—0.575 μm

6:0.66—0.68 μm

7:0.73—0.77 μm

8:0.845—0.885 μm

9:10.30—11.30 μm

10:11.50—12.50 μm

1100 2900 推扫成像

海岸带

多光谱

成像仪

3 d 4

1:0.42—0.50 μm

2:0.52—0.60 μm

3:0.61—0.69 μm

4:0.76—0.89 μm

50 950

紫外

成像仪

1 d 2

1:0.345—0.365

2:0.375—0.395

550 2900
动力环境系列卫星 海洋二号 A星 HY-2A 2011-08-16 971

雷达

高度计

14 d 2

1:13.58 GHz

2:5.25 GHz

2000 2 推扫成像 监测海洋动力环境,获得包括海面风场、海面高度场、有效波高、海洋重力场、大洋环流和海表温度场等重要海况参数

微波

散射计

1 1:13.256 GHz 50000 1700
B星 HY-2B 2018-10-25 扫描微波辐射计 5

1:6.6 GHz

2:10.7 GHz

3:18.7 GHz

4:23.8 GHz

5:37.0 GHz

25000—100000 1600
校正微波辐射计 3

1:18.7 GHz

2:23.8 GHz

3:37.0 GHz

25000—100000  
其他海洋卫星

中法海洋

卫星

CFOSAT 2018-10-29 520

海浪

波谱仪

实时 1 13.575 GHz 50000—70000 扫描成像 监测海表面波浪
扇形波束旋转扫描散射计 1 13.256 GHz

25000/

12500

1000 测量海表面风浪

4.1 海洋水色环境系列卫星

海洋水色环境系列卫星HY-1以在可见光、红外谱段探测水温为主,遥感载荷为海洋水色扫描仪和海岸带成像仪,实现中国海域海洋水色环境要素的大尺度、周期性获取和业务化监测应用。

HY-1A卫星于2002-05-15发射,是中国第一颗海洋水色探测的试验型业务卫星,主要用于探测海洋水色环境要素,包括叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、可溶性有机物、水温、污染物以及浅海水深和水下地形( Pan等,2003 )。卫星搭载一台10波段1100 m分辨率的海洋水色扫描仪(2个红外波段,8个可见光波段),一台是4波段250 m分辨率的CCD成像仪。该卫星成功完成了海洋水色功能及试验验证,奠定了中国海洋卫星发展的技术基础,于2004年4月停止工作。

HY-1B卫星于2007-04-11发射,是HY-1A的后续星。HY-1B搭载的传感器与HY-1A相同,但观测能力和探测精度均有进一步提高。HY-1B卫星获取海水光学特性、叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、海水温度及污染物,应用于赤潮监测、海温预报和海岸带监测等领域应用。

HY-1C卫星于2018-09-07发射,星上搭载了海洋水色水温扫描仪、海岸带成像仪、紫外成像仪、星上定标光谱仪和船舶自动识别系统5种载荷( Chen等,2019 )。该卫星与后续的HY-1D卫星组网运行,形成上下午双星组网,用于观测全球海洋的叶绿素浓度、悬浮泥沙、可溶性有机物等海洋水色信息,监测海表温度、海冰、海雾和赤潮等海岸带变化信息。

4.2 海洋动力环境系列卫星

海洋动力环境系列卫星HY-2以主动微波探测全天候获取面风场、海面高度和海温为主,搭载微波散射计、雷达高度计和微波辐射计,用于台风、灾害性海浪、风暴潮、全球海平面变化、海啸等监测和大洋渔业等(  Li等,2018 林明森和张有广,2018 )。

HY-2A是中国第一颗海洋动力环境卫星,于2011-08-16发射,填补了中国海洋动力环境监测的空白( Ye等,2015 )。卫星集主、被动微波遥感器于一体,搭载有微波散射计、雷达高度计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计4个微波遥感器和多普勒测定轨系统、双频GPS和激光测距仪,能够全天时、全天候、全球连续探测海面风场、海面高度场、有效波高、海洋重力场、大洋环流和海表温度场等重要海况参数,为灾害性海况预警报和海洋科学研究提供实测数据( Liu等,2019 )。

HY-2B卫星于2018-10-25发射,搭载有雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计、校正辐射计、数据收集系统和船舶识别系统( Wang 等,2019 )。雷达高度计测量海面高度、有效波高和重力场等参数;微波散射计观测全球海面风场等;扫描微波辐射计观测海面温度、海面水汽含量、液态水和降雨强度等参数;校正辐射计为雷达高度计提供大气湿对流层路径延迟校正服务;数据收集系统接收中国近海及其他海域的浮标测量数据;船舶识别系统为海洋防灾减灾和大洋渔业生产活动等提供服务。HY-2B将与后续发射的海洋二号C星、D星组网,形成全天候、全天时、高频次全球大中尺度海洋动力环境卫星监测体系。

4.3 海洋监视监测系列卫星

相比HY-1和HY-2卫星,海洋监视监测系列卫星HY-3是综合卫星,搭载载荷为多极化、多模式合成孔径雷达,用以全天候全天时探测海上目标、重要海洋灾害、全球变化等,满足海洋目标和海洋环境的实时监测需求。

该系列首颗试验卫星GF-3于2016-08-10发射升空,也是中国“高分”专项系统的重要成员( 袁新哲 等,2018 )。卫星搭载中国首颗1 m分辨率的C频段多极化合成孔径雷达,具备12种成像模式,能够全方位获取海洋的4种极化信息,完成典型海洋目标和海洋环境的实时详查任务。

4.4 其他海洋卫星

中法海洋卫星CFOSAT由中国和法国联合研制,于2018-10-29发射( Hauser等,2016a )。卫星搭载中国提供的扇形波束旋转扫描散射计和法国提供的海浪波谱仪。扇形波束旋转扫描散射计时采用扇形波束扫描方式来测量海洋风场的微波散射计,海浪波谱仪采用六波束真实孔径雷达方式连续测量全球海面波浪谱,可以与散射计实现观测角的互补,帮助研究海洋动力环境作用过程和表面散射特性(  Grelier等,2016 )。CFOSAT在世界上首次实现对海洋表面风和浪的大面积、高精度同步联合观测,能够加强中国对海洋动力环境变化规律的科学认知,提高对巨浪、海洋热带风暴、风暴潮等灾害性海况预报的精度与时效,为海上船只航行安全、全球海洋防灾减灾和全球海洋资源调查提供安全服务保障( Hauser等,2016 b  ; 徐莹 等,2019 )。卫星获取的扫描散射计和生成的数据归中国国家航天局所有,由国家海洋卫星应用中心负责管理和分发;海浪波谱仪和生成的数据归法国国家空间研究中心所有。

此外,中国2019-09-12发射了BNU-1卫星(又称“冰路卫星”),搭载一台分辨率80 m、幅宽745 km的多光谱相机和一台分辨率8 m、幅宽25 km的光学相机,用以极地气候与环境监测,包括航道海冰漂移和冰架崩解等,帮助进一步提升中国在极地地区的海洋监测能力。

5 地球遥感卫星的发展现状分析

经过数十年的发展,中国地球遥感卫星体系逐渐走向成熟。陆地、气象和海洋3大遥感卫星系统,能够为用户提供强有力的数据支撑,整体技术已经达到了国际先进水平。

陆地遥感卫星系统发展最为迅速,尤其商业小卫星的发展突飞猛进。近十年来,共发射了50多颗陆地卫星,资源、高分、环境/实践和小卫星4个系列共同形成较为完整的陆地遥感观测体系。对比美国和欧洲的陆地遥感卫星系统,中国卫星传感器数量及类型、空间分辨率和重访周期均处于国际先进水平,尤其以GF-5和ZY1-02D高光谱遥感卫星技术等已经处于国际领先。 图1 图2 为中国陆地遥感卫星传感器类型、重访周期与空间分辨率及对应的统计分析结果。目前在轨的陆地卫星传感器包括全色相机、多光谱相机、红外相机、高光谱相机、立体相机、合成孔径雷达、视频相机、夜光相机和激光高度计9种,类型丰富但内部发展不均衡。多光谱相机和全色相机占比最高,两者合计超过63%的比例。高光谱相机占比达到11%,这是由于近两年GF-5和ZY1-02D的成功发射和欧比特公司的大量商业卫星投入导致该技术发展迅速。视频相机占比12%,全部来自于商业小卫星包括欧比特和吉林一号系列。立体相机越发受到重视,占比5%左右,TH-1A/B/C、ZY-03和GF-7卫星均有搭载。红外相机占也较低,仅CBERS-04、GF-4、HJ-1B和SJ9-B共4颗卫星搭载。合成孔径雷达、夜光相机和激光测高仪传感器占比最少,合计不超过4%,缺少激光雷达等传感器。目前仅GF-3和HJ-1C共2颗卫星搭载合成孔径雷达传感器,LJ-1搭载夜光相机,激光测高计仅有GF-7卫星搭载。卫星重访周期方面,超过62.5%的卫星不超过1 d(包含组网),其中GF-4卫星的重访周期高达20 s;重访周期小于5 d(包含组网)的陆地遥感卫星占比96.4%;仅SJ9-B和CBERS-4卫星的重访周期超过5 d,分别为8 d和26 d。24%的卫星传感器能够获得优于1 m的空间分辨率,其中Superview-1卫星全色影像的空间分辨率高达0.5 m;空间分辨率优于5 m的卫星传感器占比高达60%,88%的陆地遥感卫星传感器具有优于30 m的空间分辨率,仅HJ-1B、LJ-1和GF-4的3颗卫星传感器的空间分辨率超过100 m。

图1 中国陆地遥感卫星传感器的重访周期与空间分辨率分布

Fig.1 Scatter plots of revisiting time and spatial resolutions of China terrestrial observation satellite sensors

图2 陆地遥感卫星传感器类型及时空分辨率统计分析

Fig.2 Pan charts of sensor types, revisiting time and spatial resolution of China terrestrial observation satellites

注: 

 

(a) 传感器类型 (b) 卫星重访周期D/d (c) 传感器空间分辨率s/m

 

NOTE: 

 

(a) Sensor types (b) Satellite revising periods (D/d) (c) Spatial resolutions of different sensors (s/m)

 

进一步, 图3 展示了中国陆地遥感卫星传感器的波谱范围分布图。可以看出,多数传感器的波谱范围集中在可见光至近红外波段,热红外波段较少,且单一波段的光谱范围存在较大重叠。此外,陆地遥感卫星的轨道高度较为接近,大多分布在500—780 km,且较为集中,尤其在500 km和650 km附近。综上所述,中国在轨的陆地遥感卫星具有传感器类型丰富、体系较为完整、时空分辨率高的优点,但也存在传感器发展不均衡、轨道高度较为接近、同类传感器波谱范围重叠明显的现状不足。

图3 中国在轨的陆地遥感卫星传感器的波谱范围分布

Fig.3 Spectral ranges of China terrestrial observation satellite sensors

相比陆地遥感卫星系统,中国气象遥感卫星系统发展更早且更为成熟,目前已向全球90多个国家和地区,以及2600多个用户提供风云气象卫星的资料。目前,中国风云卫星已经形成包含极轨和静止两大主要类型的气象遥感观测系统,能够实现多数气象要素的全球范围探测。研发的气象实验卫星包括GF-5和碳卫星能够进行气溶胶、温室气体和大气环境的垂直探测,进一步提升了中国的大气遥感探测能力。然而, 表2 可以看出,中国在轨的气象卫星数量较少,目前仅有8颗业务卫星,其中3颗卫星FY-2E/H和FY-3D为近两年发射,部分卫星如FY-3B和FY-2E存在超期服役问题。相比国外气象卫星观测系统,中国在轨的气象卫星的探测能力非常全面,能够探测大气温度、湿度、气压、云、大气成分和空间天气等多数大气要素,整体技术已经达到自主监测的国际一流先进水平。然而中国气象卫星尚未具备全要素探测能力,尤其缺乏大气风场等关键要素的探测能力。同时,空间分辨率和时间分辨率方面,在轨气象卫星较难做到同步做到高空间分辨率与低重访周期(如静止轨道卫星FY-4A),目前无法满足高时空分辨率的精细探测应用需求。

经过多年的建设,中国海洋遥感卫星系统也取得了显著进展,已经初步建立海洋水色和海洋动力环境卫星监测系统,海洋环境的大面积同步观测逐步走向成熟。水色环境系列卫星HY-1A/B/C和动力环境卫星HY-2A/B能够分别探测主要水色参数(如叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、海表温度)和海洋动力环境参数(如海面风场、浪高、海流)。GF-3卫星能够获取海洋浪场、风暴潮漫滩、内波、海冰和溢油逆袭,BNU-1卫星能够获取极地地区的海冰和环境信息。在卫星数量上,中国海洋遥感卫星现阶段虽已经逐步完善,但由于其发展起步较晚,目前在轨的海洋卫星共7颗(包含GF-3和BNU-1)。相比最为全面的美国海洋遥感卫星系统,中国海洋卫星搭载的微波传感器和主动传感器偏少,成像光谱仪的光谱波段和光谱分辨率有待提升。另一方面,在轨的海洋卫星的观测要素不够全面,无法观测部分关键海洋要素如海面地形测量、海洋盐度、海洋洋流、海洋冰盖厚度、海洋重力场和海洋大地水准面等。进一步,同系列卫星发射间隔时间较长,比如海洋水色环境系列卫星中HY-1C和HY-1B的时间间隔为11年,数据服务的连续性有待加强。此外,海洋卫星传感器的时间和空间分辨率有待提升,目前较难实现全天候、高精度的海洋环境的精细监测需求,如海洋赤潮和溢油等的逐日监测。

6 地球遥感卫星的文献研究分析

为进一步分析中国地球遥感卫星的研究现状,从WOS(Web of Science)收集了核心合集库以及CNKI中的CSCD库的相关文献,并利用CiteSpace软件进行数据去重及关键词分析。为尽量保证检索范围的准确性,WOS的检索条件为(以GF-1卫星为例):TS=Gaofen-1 OR TS=(GF-1 AND Satellite) OR TS=(GF1 AND Satellite) OR TS=(GF-1 AND Remote Sensing) OR TS=(GF1 AND Remote Sensing),检索年限范围为1986年—2019年。CNKI检索关键词选择为(以GF-1卫星为例):主题=高分一号,检索年限范围不限。经筛选及去重处理共获得英文SCI期刊文献1241篇,中文CSCD期刊文献736篇。仅对比2013年发射的Landsat-8卫星(CNKI:405篇和WOS:2061篇)和2014年发射的Sentinel-1卫星(CNKI:109篇和WOS:559篇)的中英文发文量,发现中国地球遥感卫星的中英文发文量整体较少,国产遥感卫星研究有待加强。不同遥感卫星系统的发文量差异较大,陆地遥感卫星最多,海洋遥感卫星最少。陆地遥感卫星系统中,资源和高分系列卫星的期刊发文量最大,尤其是高分系列卫星,占国外总发文SCI数量的36.5%左右。各个卫星遥感系统(除小卫星外)的国内外发文比例为1∶2,高质量论文大多发表在国外SCI期刊。气象遥感卫星的国内外期刊论文失衡率最低,高分和资源系列陆地卫星的论文失衡最为严重,尤其ZY-1卫星的国内外论文失衡比例超过1:7。

进一步,利用CiteSpace软件对收集的英文文献进行关键词分析( 图4 ),对结果进行聚类( 图5 ),其中 Q =0.4202, S =0.7698,显示聚类结果较为合理。在此基础上,从文献关键词中提取聚类名称,结合关键词频次与聚类结果以提取卫星关键词,总结研究热点。对于文献数量较少的遥感卫星,直接根据文献提取关键词并总结其研究热点。

图4 GF-1英文关键词(频次≥5)

Fig.4 English keywords of GF-1 satellite

图5 GF-1英文关键词聚类

Fig.5 English keywords clustering of GF-1 satellite

资源卫星系列中,资源一号研究热点为影像分类、影像融合、数据预处理,主要应用于土地利用情况、森林面积监测以及矿产资源调查。资源二号的研究热点为与ASTER多光谱影像的融合方法,主要应用于海岸带的监测管理。资源三号的研究热点为区域网平差方法精度验证、纹理特征提取和影像分类,主要应用于测绘以及土地利用分类。

表4 中国对地遥感卫星期刊论文数量与关键词的国内外对比分析
Table 4 The comparison between SCI and CKNI Journal papers for China earth observation satellites
系统 卫星系列 卫星

WOS

(核心合集)

英文关键词

CNKI

(CSCD)

中文关键词
陆地遥感卫星 资源系列

资源

一号

204

classification;algorithm;accuracy;Landsat;forest;

atmospheric correction;vegetation

28 土地利用;分类算法;矿产调查;影像融合;精度评价;归一化植被指数

资源

二号

1

coastal reclamation; coastal wetlands; driving

factors; coastal management

2 影像融合;小波变换;ASTER多光谱影像;HIS变换;主成分变换

资源

三号

164 block adjustment;rational function model;classification;land cover;built-up area detection 142 区域网平差;严格几何模型;DEM;纹理特征;分类;建筑物高度
高分系列 GF-1 220 classification;model;landsat;algorithm;time series;leaf area index;land cover;fusion 134 面向对象;植被指数;叶面积指数;几何校正;冬小麦;居民地
GF-2 95

classification;image segmentation;extraction;

convolutional neural network;land cover

54 面向对象;影像融合;多尺度分割;影像分类;城市黑臭水体
GF-3 91 SAR;algorithm;validation;calibration;ENVISAT;ocean surface;C band;wind;ship detection 48 合成孔径雷达;总体设计;长寿命;海水养殖;图像质量指标
GF-4 24

algorithm;land;validation;Landsat 8;surface;

cross-calibration;extraction

21 水体;校正精度;海岸带;光谱特征;舰船运动特征
GF-5 18

validation;GOSAT;XCO 2  retrieval;retrieval

algorithm;land;emissivity;NO 2

25 短波红外;温室气体;气溶胶;大气环境;遥感反演
GF-6 1 wide field of view; parameters determination; sensor correction; virtual CMOS 0
环境/实践系列 HJ-1 139 leaf area index;classification;land cover;atmospheric correction;MODIS data;time-series;vegetation index 61 太湖;叶绿素a;富营养化;内陆水体;地表温度;环境指数
SJ9 2 geometric accuracy improvement;geometric calibration;single-frequency GPS;Kinematic relative positioning;ambiguity fixing 1 严格成像模型;偏流角;四元数;P-H算法
小卫星系列 BJ-1 15

vegetation;classification;land cover;wetland;

spatial pattern

28 植被指数;土地利用;植被覆盖度;遥感图像分类;景观格局;融合
DMC3 2 classification;change detection;convolutional neural networks;SVM;accuracy evaluation 2 高位地灾;金沙江滑坡;灾情监测;白格堰塞湖;城市人居环境;区域生长
TH-1 4

satellite photogrammetry;on-orbit calibration;

location accuracy;orbital maneuver detection;

rational polynomial coefficients (RPCs)

57 卫星摄影测量;光束法平差;无地面控制点定位;区域网平差;在轨标定
Superview-1 0 1 影像融合;定性评价;定量分析;对象提取
珠海一号 3

hyperspectral;geometric calibration;band-to-band registration;interior orientation determination

accuracy;block adjustment

0
LJ-1 12 nighttime light imagery;population;light pollution;human settlement;geometric calibration 2 导航信号增强;信号质量;夜间灯光;SNPP-VIIRS;应用潜力
气象遥感卫星 气象卫星 FY-1 3 relativistic electron;solar wind;interplanetary magnetic field;geomagnetic storm;substorm;plasmapause 2 气象卫星;卫星应用;数据共享
FY-2 63

intercalibration;cloud top height;hurricane;

radiometric calibration;water vapor channel

28 辐射定标;太阳活动;可见光辐射;热带气旋;云分类
FY-3 80 calibration;backscatter ultraviolet;climate;cloud;earth atmosphere 61 微波湿度计;大气臭氧总量;沙尘识别;秸秆焚烧;人工神经网络
FY-4 26

sounding;cloudy sky;atmospheric temperature;

algorithm

9 图像配准;气象预报;灾害性天气;卫星平台
Tansat 23

carbon dioxide;aerosol;retrievalalgorithm;

calibration;sensitivity analysis

10 CO 2 ;气溶胶;光谱分辨率;碳排放;森林生态系统
海洋遥感卫星 海洋卫星 HY-1 6 chlorophyll-a concentration;suspended sediment concentration;sea ice retrieval;ocean color remote sensing 4 水色水温扫描仪;海面温度;定标;海洋观测;海洋防灾
HY-2 36 ocean;significant wave height;wind speed;altimeter;brightness temperature 16 有效波高;海面风速;微波辐射计;台风;误差补偿
CFOSAT 9 rotating fan-beam scatterometer (RFSCAT);ocean wave spectrometer;wind;sea surface;revisiting orbit 0
论文数量 1241 736

高分系列卫星中,GF-1卫星的研究热点为数据预处理、数据融合、影像分类、目标识别信息提取等,主要应用于土地利用动态监测、地质灾害监测、水环境和大气环境监测、农作物长势监测与估产、海岸带监测以及矿产资源调查监测等。GF-2卫星的研究主要在土地利用动态监测、城市精细化管理、交通路网规划、林业资源调查和建筑物提取等方面。GF-3卫星的研究热点为图像质量、目标识别信息提取,主要用于海域使用动态监测、船只检测和有效波高检测。GF-4卫星的研究热点为数据预处理与特征提取,集中在海岸带和水体等区域。GF-5卫星的研究热点为大气气溶胶、温室气体等环境要素监测。GF-6卫星的研究集中在影像的预处理。

环境/实践系列卫星中,HJ-1卫星的研究热点为水体富营养化、大气气溶胶、土地覆盖类型的监测以及数据预处理。SJ9卫星的研究热点为数据预处理,主要用于提高卫星的定位精度。

小卫星系列中,BJ-1卫星的研究热点为影像分类及融合,主要用于重点地区的土地覆盖类型、景观格局变化检测,包括北京建成区及周边地区、黄河及淮河上游等流域、渤海海域等,用于反映城市扩张和生态安全评价。DMC3卫星的研究热点为影像分类与特征提取,应用于灾情监测、城市景观格局分析。TH-1卫星的研究热点为定位、平差方法及精度评价,主要用于地图测绘。Superview-1卫星的研究热点为影像融合及精度评价。珠海一号研究热点为数据预处理。LJ-1卫星的研究热点为卫星导航信号增强技术,以及用夜间灯光数据反映人类空间活动。

气象遥感卫星系统中,FY-1系列卫星的研究热点为太阳活动的观测与中国气象卫星的发展及应用。FY-2卫星的研究热点为数据预处理及信息提取,主要用于观测气象及太阳活动。FY-3系列卫星的研究热点为大气成分监测,用于气候变化研究、沙尘识别、秸秆焚烧识别。FY-4系列卫星的研究热点为卫星设计、数据预处理及气象信息提取,主要用于气象预报。Tansat卫星的研究热点为数据预处理和二氧化碳含量监测,主要用于生态安全评价。

海洋遥感卫星系统中,HY-1系列卫星的研究热点为叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、海温和海冰观测。HY-2系列卫星的研究热点为海面风速、有效波高、海面温度等多种海洋动力环境参数观测,主要用于海洋环境监测和灾害预报。CFOSAT卫星的研究热点为旋转扇束散射仪的性能与标定,以及卫星重访轨道算法。

7 结 语

本文梳理了中国3大地球遥感卫星系统的发展历程,剖析了陆地卫星、气象卫星和海洋卫星的发展现状及特点,归纳总结了在轨卫星的文献研究热点。陆地遥感卫星系统的发展最为迅速,已经形成资源、高分、环境/实践和小卫星4大系列,卫星传感器类型丰富且时空分辨率高,但也面临传感器类型发展不均衡、轨道高度较为接近、同类传感器波谱范围重叠明显的现状不足。气象遥感卫星系统发展最为成熟,极轨和静止两大系列卫星能够探测大多数大气要素,然而卫星数量偏少、传感器时空分辨率较低且缺乏关键要素如大气风场的精细探测能力。海洋遥感卫星系统取得了显著进展,初步形成海洋水色、海洋动力环境卫星和海洋监视监测3大卫星格局,能够实现大面积的海洋环境同步观测,然而面临海洋卫星数量较少、传感器观测要素有限且时空分辨率较低等问题。文献热点分析发现,中国3大卫星遥感系统的研究论文总量偏少,国内外期刊论文失衡比例较为严重,尤其高分和资源系列的陆地卫星,许多卫星的研究集中在数据处理层面,卫星的应用研究相对薄弱且彼此不均衡。论文偏少和失衡现象的部分原因来自于国产遥感卫星的较短历史数据积累难以满足长时序的遥感监测分析、遥感数据分发和面向科研的免费共享机制不够完善、对国产遥感卫星的辐射和几何定量指标不够自信、和科研评价体系过分依赖SCI期刊论文发表等。

因此,陆地卫星的规划和发展需要考虑新型传感器如激光雷达、轨道高度的差异性和波谱范围的互补性,全面服务中国自然资源调查、生态环境保护和国家重大工程监测等应用。气象卫星系统需要发射更多的卫星来实现组网观测,优先考虑研发新型的大气探测传感器,提升全要素的探测能力与时空分辨率,满足天气预报和灾害监测等精细化需求。海洋遥感卫星系统需要增加卫星数量并缩短同类卫星的发射周期,提高传感器的海洋要素的探测能力与时空分辨率,加快科研试验型向业务型转变的进程,真正应用于海洋环境监测和海域管理等事业。同时,针对中国3大遥感卫星的巨大成就与应用研究不足的现状,建议完善卫星遥感科研数据的免费共享机制并加大数据的行业应用推广力度,提升中国地球观测遥感卫星技术的业务能力与国际影响力。

 
 

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