“天眼”工程——中国的高分专项

  上一期的《地球变化观测者：Landsat卫星记录50年》介绍了目前世界上最著名的对地观测卫星系统——陆地卫星系列（Landsat）。经过几十年的发展，我国的遥感卫星也有了自己的体系，足以在国际上进入第一梯队。

  高分专项工程，全称中国高分辨率对地观测系统工程，高分系列卫星覆盖了从全色、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，构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。

  上述的高分卫星中，GF-1、GF-2为光学遥感卫星，GF-3为雷达卫星，这两者有什么不同？所谓卫星的高分辨率又是指什么？

光学卫星&微波成像雷达卫星

  光学卫星的原理和人眼类似，依靠太阳光照射在地球表面物体的反射，被动地获取影像。局限性也和人眼一模一样，云雾天气看不到物体，黑夜中没法使用。

  微波成像雷达卫星是一种主动的遥感成像方式，需要主动多次发送电磁波到地面，利用回波来成像，来间接测量被测物体的信息。微波遥感具有一定的穿透特性，可以在一定程度穿越云雾和地表。与光学卫星相比，SAR卫星具有全天候、全天时的优点与一定的地表穿透能力。

  但传统的SAR卫星重轨周期一般以周为单位，数据更新频率较低，因此更适用于长时间的普查，例如高铁、公路的长期形变监测，和石油管道、城市沉降等的勘察工作。因此对于大范围和边远地区的监测，SAR卫星非常具有优势。

光学遥感卫星分辨率

  光学遥感卫星分辨率通常分为四种类型：空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率。

空间分辨率：最直观的分辨率类型，指的是卫星影像中单个像素所对应的地面面积。空间分辨率越高，能够识别的地表细节就越丰富。

光谱分辨率：与传感器的波段宽度有关，波段宽度越窄，光谱分辨率越高，这意味着传感器能够捕捉到更细微的光谱变化，从而提供更详细的光谱信息。

辐射分辨率：指卫星传感器在测量地物辐射时能够区分的最小辐射强度变化。传感器的辐射分辨率越高，对辐亮度的差异越敏感，位数/灰阶越多，图像色彩越细腻。

时间分辨率：又称重访周期，指不同平台或传感器对同一地方进行重复观测的最小时间间隔，受成像幅宽、侧摆能力、轨道参数和纬度等影响。幅宽越大、侧摆能力越强、纬度越高，重访周期越短。对于监测快速变化的环境现象，如洪水、火灾等，具有显著优势。

高分卫星介绍

高分一号

  作为我国高分辨率对地观测系统的首发星，采用太阳同步轨道，搭载了两台2m（全色）/8m（多光谱）分辨率相机，四台16m（多光谱）分辨率相机。“高分一号”的宽幅多光谱相机幅宽达到了800公里，而法国发射的SPOT6卫星幅宽仅有60公里。

高分二号

  采用太阳同步轨道，我国自主研制的首颗空间分辨率优于1米的民用光学遥感卫星，搭载有两台高分辨率1m全色、4m多光谱相机，具有亚米级空间分辨率、高定位精度和快速姿态机动能力，标志着中国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”。

高分三号

  采用太阳同步轨道，我国首颗1m分辨率C频段多极化合成孔径雷达成像卫星，具有全天时全天候监测、高精度测量、多模式成像等突出优势，尤其适合应用于防灾减灾。

  高分三号03星的主载荷C频段多极化合成孔径雷达，具备单极化、双极化和全极化能力，最大成像幅宽650公里，成像工作模式可以扩展到20种，使该星成为国际上综合性能最高的C波段合成孔径雷达卫星。

GF-3卫星各成像模式均可以通过卫星侧摆实现左右侧视成像

C频段多极化合成孔径雷达

• C频段：地球微波遥感卫星可以划分为不同的频段，包括L、S、C、X等（频率由低到高），频段越低，穿透性越强，但不容易实现高分辨率；频段越高，穿透性越弱。C频段介于高低之间的频段特性，是一个综合性能较好的频段。

• 多极化：电磁波发射和接收分为水平波（H）和垂直波（V），SAR（合成孔径雷达）系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。

  • HH - 用于水平发送和水平接收
  • VV - 用于垂直发送和垂直接收
  • HV - 用于水平发送和垂直接收
  • VH - 用于垂直发送和水平接收

• 高分三号多极化（具备单极化、双极化和全极化能力）： 单极化：HH；VV；HV；VH 双极化：HH+HV；VV+VH；HH+VV 全极化：HH+VV+HV+VH

• 合成孔径：雷达的天线口径越大，越有利于提高卫星的分辨率，但卫星雷达口径不可能做得很大。所以科学家采用口径较小的天线孔径与数据处理相配合的方法，从而达到与大口径雷达等同的效果。

高分四号

  我国第一颗地球同步轨道遥感卫星，搭载了一台可见光50m/中波红外400m分辨率、大于400公里幅宽的凝视相机，采用面阵凝视方式成像，具备可见光、多光谱和红外成像能力，通过指向控制，实现对中国及周边地区的观测。

高分五号

  世界上第一颗同时对陆地和大气进行综合观测的卫星。在60km幅宽和30m空间分辨率下，可以获取从可见光至短波红外（400～2500nm）光谱颜色范围里，330个光谱颜色通道，颜色范围比一般相机宽了近9倍，颜色通道数目比一般相机多了近百倍，其可见光谱段光谱分辨率为5纳米。

高分六号

  配置2m全色/8m多光谱高分辨率相机、16m多光谱中分辨率宽幅相机，2m全色/8m多光谱相机观测幅宽90公里，16m多光谱相机观测幅宽800公里。GF-6星与GF-1星组网运行后，将使遥感数据获取的时间分辨率从4天缩短到2天。

高分七号

  运行于太阳同步轨道，搭载的两线阵立体相机可有效获取20公里幅宽、优于0.8m分辨率的全色立体影像和3.2m分辨率的多光谱影像。搭载的两波束激光测高仪以3Hz的观测频率进行对地观测，地面足印直径小于30m，并以高于1GHz的采样频率获取全波形数据。卫星通过立体相机和激光测高仪复合测绘的模式，实现1:10000比例尺立体测图。

高分八号

  高分专项安排的光学遥感卫星，主要应用于国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域，可为“一带一路”建设等提供信息保障。

高分九号

  高分专项安排的一颗光学遥感卫星，地面像元分辨率最高可达亚米级。主要应用于国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域，可为“一带一路”等国家重大战略实施和国防现代化建设提供信息保障。

高分十号

  高分专项安排的微波遥感卫星，其地面像元分辨率最高可达亚米级，主要用于国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域。

高分十一号

  由航天五院抓总研制，是高分专项安排的光学遥感卫星，地面像元分辨率最高可达亚米级，主要应用于国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域，为“一带一路”等国家重大计划的实施提供信息保障。目前高分十一号一共有4颗卫星。

高分十二号

  高分专项安排的微波遥感卫星，地面像元分辨率最高可达亚米级。主要用于国土普查、城市规划、土地确权、路网设计、农作物估产和防灾减灾等领域，可为“一带一路”建设和国防现代化建设提供信息保障。高分十二号一共有4颗卫星。

高分十三号

  由航天五院研制的高轨光学遥感卫星，旨在为中国国民经济发展提供信息服务。主要用于国土普查、农作物估产、环境治理、气象预警预报和综合防灾减灾等领域。

高分十四号

  高分专项安排的光学立体测绘卫星，可高效获取全球范围高精度立体影像，测制大比例尺数字地形图，生产数字高程模型、数字表面模型和数字正射影像图等产品，提供基础地理信息保障。

参考资料

1. 中国资源卫星应用中心 https://www.cresda.com/
2. 董新丰，甘甫平，李娜，闫柏琨，张磊，赵佳琪，于峻川，刘镕源，马燕妮.2020.高分五号高光谱影像矿物精细识别.遥感学报，24（4）：454-464
3. 梁继,郑镇炜,夏诗婷,等.高分六号红边特征的农作物识别与评估[J].遥感学报,2020,24(10):1168-1179.
4. 三星组网！我国雷达卫星海陆观测能力大幅提升，新华社
5. 科普 | 光学遥感卫星分辨率的奥秘，中国地理信息产业协会
6. 高分三号：不畏浮云遮望眼，只因它是雷达星，新华社
7. 遥感影像介绍——C频段微波遥感：穿透力与环境监测的完美平衡，地理遥感生态网平台
8. SAR的三种不同极化方式分别是什么（如何理解单极化、多极化、全极化）？链接：https://blog.csdn.net/Mluoo/article/details/128172053
9. 光学卫星和微波成像雷达卫星，揽宇方圆