我国测绘卫星的未来发展

我国测绘卫星的未来发展 孙承志唐新明周晓青贾剑钢张过1* 摘要:科技的发展日新月异,本文在综述国内外测绘卫星发展及应用现状的基础上,结合我国测绘航天规划建设目标,阐述了我国测绘卫星的发展规划及政策措施,并介绍了我国第一颗民用高分辨率立体测绘卫星——资源三号卫星工程的情况。资源三号卫星工程对我国测绘事业的发展具有革命性意义,将填补我国民用测绘卫星应用领域的空白,开创我国航天摄影测量新纪元。 关键词:测绘卫星发展规划地理空间信息资源三号 一、引言 测绘获取的是与地表有关的地理空间信息,是“数字中国”地理空间框架的基本内容和国民经济、社会信息化建设的重要基础。目前,在我国的测绘事业与科技发展中,基础地理信息资源短缺、信息数据获取能力不足,已成为制约发展的严重的“瓶颈”问题。测绘卫星由于其全球、全天候、动态观测等优点,越来越成为主要的对地观测手段,成为测绘数据获取的重要信息源。 现代测绘已经十分依赖于卫星测绘技术。目前40%的高分辨率卫星遥感资料用于测绘和地理信息产业;卫星定位系统成为测绘定位的全新手段;国家高程基准的建立愈来愈依赖于卫星重力测量资料;我国海平面和高程基准建立、海面地形测绘均需要海洋测高卫星的数据;干涉雷达卫星不仅可以用于数字高程模型的建立,更由于其可满足恶劣天气条件下的数据获取,已在测绘诸多领域中发挥特殊的作用。 二、国内外卫星测绘发展应用现状 *1孙承志,硕士,高级工程师,国家测绘局科技与国际合作司副司长,主要研究方向为测绘科技管理、测绘卫星规划与应用、摄影测量与遥感。唐新明、周晓青,中国测绘科学研究院。贾剑钢、张过,武汉大学。 (一)国外卫星测绘应用现状 国外测绘卫星数据应用已相当广泛,卫星遥感数据已成为1:50万至1:5万地形图修测的主要地理空间信息源。随着对地观测技术的重大进步和一些庞大(如美国NASA 的EOS 计划)的实施,资源遥感已进入新的发展时期,卫星测绘对测绘制图技术取得了重大进展。表1-1为国外具有代表性的遥感卫星。 表1-1 国外已经发射或近期计划发射的主要资源遥感卫星一览表 卫星名称 拥有者 发射/预期 传感器 类型 通 道 分辨率(m ) 重 访(天) 应 用领 域 ERS-2 欧 洲 199 5 AMI 雷 1 2 6 3 资源环 Sentinel-1A 欧 洲 201 1 SAR 雷 Sentinel-2B 欧 洲 201 3 全 5 多10 注:全=全色,多=多光谱,高=高光谱,雷=雷达,灰色背景立体成像,蓝色背景分辨率小于15m。 法国SPOT-5卫星在保持60km的摄影带宽的同时,将影像的分辨率提高到5m,并利用“超级模式”(Supemode)的技术方法,在黑白相片上实现2.5m的分辨率。新搭载的高分辨率立体成像仪(HRS),能够制作10m高分辨率立体照片。 美国第一颗高分辨率商业小卫星—IKONOS-2以米级分辨率实现对地面同一地段重复摄影观测的周期为2.9昼夜,经过图像正交变换,使用地面基准点的校正精度可达到2米,用于编制1:24000比例尺的地图。另一颗高分辨率商业卫星QuickBird-2影像的地面分辨率达0.61m,平面和高程精度为5米。GeoEye公司于2008年发射当前最高分辨率的商业遥感卫星GeoEye-1,具有0.41m分辨率。 日本ALOS卫星系统携带三套有效载荷,分别为全色遥感立体仪器(PRISM)、先进可见光近红外2型辐射计(A VNIP-2)和L波段合成孔径雷达(PALSAR)。3个光学系统能获取空间分辨率为2.5m的光学影像,其正视相机地面幅宽70km,前后视相机地面幅宽35km。 印度航天测绘发展迅速,其首颗测绘卫星CARTOSAT-I于2005年发射,可提供2.5m 分辨率的本国和海外地区立体影像,地形高程的确定精度为5m。 在干涉测量方面,美国的航天飞机测图任务(SRTM)用了11天时间,对北纬60°和南纬56°之间的区域进行了双天线InSAR成像,取得了全球超过80%的陆地区域的DEM。目前NASA开放的SRTM所获取的DEM,北美地区水平分辨率为30米(1〞),欧亚地区水平分辨率为90米(3〞),高程精度约为10m,在地形起伏较大的地区,精度相应更低一些。欧空局于2002年3月发射的Envisat替代了之前的ERS-1/2,所搭载的先进合成孔径雷达系 统ASAR,具有极化方式可选择、两种极化方式同时成像、多视角、多分辨率等特点。 星载激光测高已得到高度重视,美国于2003年1月发射了ICESA T(Ice, Cloud and land Elevation Satellite)卫星,用于测量冰原地形及其时变以及云层及大气层的特征,搭载的地学激光测高系统GLAS (Geoscience Laser Altimeter System)可测定沿轨道的陆地和水面的地形。 从总体上讲,国外测绘卫星总体性能和技术指标较为先进,基本形成系列甚至成网络,且具有很高的商业化运行程度,正在进一步向高空间分辨率、高光谱分辨率、短重访周期发展。测绘卫星摄影系统不仅需要高分辨率,而且需要获得立体影像,带有精密的卫星定位定姿系统,这些卫星由于其巨大的应用市场,已吸引了世界上大批用户的注意力。 (二)我国卫星测绘发展应用现状 目前我国已建立了资源、气象、海洋、环境与减灾卫星系列,初步形成了国家对地观测体系,并启动高分辨率对地观测系统重大专项,建立更完善的国家对地观测系统。我国对高分辨率卫星影像具有大量而迫切的需求,国家每年需投入大量经费,订购SPOT2/4/5、Landsat TM/ETM+、QuickBird、IKNOWS、MODIS等遥感卫星影像数据,用于我国1:100万、1:25万、1:5万、1:1万基础地理信息的建设和更新。 现有资源一号、资源二号系列卫星可提供中等分辨率遥感影像,用于1∶100万和1∶25万地形图更新。2007年发射的02B星和计划中的CBERS-3/4的高分辨率影像原则上可对1∶5万和1∶2.5万的基础地理信息进行部分要素的更新,但由于立体观测能力非常有限,无法生成数字高程模型,难以满足1:5万和更大比例尺的测绘的全面需求。因此,到目前为止,我国尚没有能够满足测绘要求的自主的测绘卫星。 在卫星测绘数据应用方面,我国已基本解决利用国外卫星数据修测地形图和更新各种比例尺的地形数据库的关键技术,形成了科学的生产工艺。国家测绘局从1999年开始大面积利用法国SPOT卫星数据制作1∶5万正射影像图及修测相应的地形图,利用美国LANDSAT的TM数据更新1∶25万数据库,为缩短地图的更新周期提供了有效的方法,并积极投入开展未来测绘卫星影像处理技术基础性研究和建设,主要为高分辨率卫星影像几何纠正及后处理方法的研究和应用。 三、我国卫星测绘发展规划 随着计算机科学、科学、系统科学等以及通信、电子、航空航天科技的飞速发展, 卫星测绘在基础理论与技术手段等方面取得了显著的进步,星载光电传感器、合成孔径雷达干涉以及对地观测系统若干关键技术获得重大突破,使得测绘卫星搭载的有效载荷功能总体、分辨率及观测精度越来越高。 (一)测绘卫星系列 为满足我国测绘行业与国民经济和社会信息化建设对测绘卫星的迫切需求,国家测绘局从2005年开始启动测绘卫星计划,积极制定测绘部门十一五、十二五航天规划,拟用10-15年时间,建立我国具有长期稳定运行能力的测图卫星系列体系,作为国家空间基础设施的重要组成部分。 测绘卫星主要包括:高分辨率光学立体测图卫星、干涉雷达卫星、激光测高卫星、重力卫星和导航定位卫星。如图(1-1)所示。 图1-1 测绘卫星系列 其中,高分辨率光学立体测图卫星包括:2m全色、10m多光谱正射影像和5m全色立体影像的高分辨率光学立体测图卫星,以满足国家基础测绘1∶5万地形测图和基础地理信息生产的需要,以及资源调查等方面的应用需要;1-2m全色、3-6m多光谱的超高分辨率光学立体测图卫星,用于区域基础测绘,以满足1∶1万地形测图和基础地理信息生产的需要; 0.5-1m全色、1-3m多光谱的甚高分辨率光学立体测图卫星,用于城市基础测绘,以满足1∶2000—1∶5000地形测图和基础地理信息生产的需要。干涉雷达卫星包括:3-5米、单波段、单极化干涉雷达卫星,以满足困难地区1∶5万地形测图和基础地理信息生产的需要; 0.5-1米、多波段、多极化干涉雷达卫星,以满足困难地区1∶1万地形测图和基础地理信息生产的需要。激光测高卫星利用激光脉冲来精确测定地面和海面高度, 完成对陆地地形和植被的采集,建立高精度的全球DEM模型, 并可测定局部地形的米级年度变化。将开展对激光卫星的轨道设计、控制激光脉冲计时器的时钟的稳定性、卫星方位以及激光器指向的精确确定方法等关键技术预研,发展我国激光测高卫星。重力卫星用于测定高精度的全球重力场及其随时间的变化,以精确求定大地水准面,建立和维护高精度的高程基准及其框架,实现高程测量自动化。将研制开发低-低卫星跟踪卫星模式的卫星重力测量系统,发展我国重力测量卫星。导航定位卫星用来测量地面运动或静止物体的三维坐标,国家已对导航定位卫星系统作了专门的规划。 表1-2 我国测绘卫星系列规划建议 四、我国促进卫星测绘发展的政策和措施 (一)建设卫星测绘应用系统,形成自主的卫星测绘技术体系 建设卫星测绘应用系统,开展测绘卫星地面接收、校正、处理、多级产品加工和分发服务的关键技术研究与系统研制工作。依托信息技术、现代大地测量技术、航空航天摄影测量技术、遥感数据处理技术和系统集成技术等先进技术,全面突破测绘卫星地面应用系统建设及其测绘卫星应用的关键技术,研制具有自主知识产权的测绘卫星应用系统,包括数据预处理、数据有损压缩、相机几何畸变、大气和地面辐射、立体测图、数字高程模型等方面以及几何纠正和辐射校正技术,形成基于航天影像的生产技术流程,建立由业务运行管理、测绘产品生产、测绘数据管理与分发、应用与推广、影像分析与检校、产品质量监督与评价等系统,基本形成基于高分辨率立体测图卫星的卫星测绘技术体系,并为测绘卫星的发展规划、技术论证、教育、测绘卫星数据产品开发以及推广应用提供稳定长期的技术支持。 (二)成立国家测绘卫星应用中心,支撑测绘卫星的发展和应用 成立卫星测绘应用统筹协调的重要支撑机构——国家测绘卫星应用中心,其主要职责是:贯彻国家关于测绘卫星发展的方针和政策,负责测绘卫星“天地一体化”系统发展规划;研究提出测绘卫星发展战略、中长期规划、年度计划和经费预算建议;负责测绘卫星应用系统的方案设计、工程建设、技术协调和运行管理,开展基于测绘卫星的基础地理信息生产、更新与数据库建设,建立航天测绘生产和服务技术体系;负责测绘卫星影像产品和测绘产品的分发服务,负责向国家领导机关和国防建设提供测绘卫星保障服务,组织开展测绘卫星向相关领域的推广应用;研究提出测绘卫星数据使用政策、管理政策、共享和分发服务政策等相关政策性建议,提出测绘卫星相关技术草案或建议;开展测绘卫星知识产权保护与科技成果转化,促进测绘卫星的产业化建设;负责组织开展卫星测绘应用领域科学、技术和应用服务的研究、开发和技术推广工作,组织和实施与卫星测绘应用相关的科研项目;组织完成测绘卫星在轨测试;负责统筹建设卫星地面几何检校场,负责卫星几何标定及与几何定位精度相关的辐射标定工作;负责开展国际国内测绘卫星科技合作与交流,组织相关的应用培训工作,开拓测绘卫星的国际市场。 (三)开拓测绘卫星市场,参与国际化测绘卫星市场竞争 在满足国内测绘需求的基础上,大力开展测绘卫星的国际市场开拓,与其他国家开展广泛的交流和合作,并制定灵活的营销策略,宣传测绘卫星、制作国外影像产品、参与地理信息方面的国际化合作,利用我国测绘的技术优势参与其他国家的测绘市场竞争,争取在我国周边及其他国家建立地面卫星接收和处理系统,打入国际市场。 (四)制定测绘卫星发展政策,促进测绘卫星产业化 创造满足测绘卫星发展的政策环境,强化测绘卫星科技成果与新产品推广政策,加强测绘卫星知识产权保护与科技成果转化。建立完善的测绘卫星数据使用政策、管理政策、共享和分发服务政策,使测绘系列卫星数据发挥最大的使用效率,促进测绘卫星的产业化建设。建立满足测绘卫星应用的政策环境,促进测绘卫星的应用开发,使测绘卫星在应用规模和应用水平上显著提高。 (五)积极开展国际合作,加强人才队伍建设 发展国际国内测绘卫星科技合作与交流,特别是开展项目合作,引进消化国际先进技术和资金援助,培养高层次的、具有国际影响的测绘卫星科技人才,提升在国际测绘科技界的地位。加强测绘卫星的人才队伍建设,在培养测绘卫星的领军人才的同时建立测绘卫星科技创新人才培养体系,培养多层次的技术人才。 五、我国首颗民用高分辨率立体测图卫星——资源三号 2008年3月12日,国务院批准《国防科工委财政部关于资源三号卫星工程研制立项的请示》,同意资源三号卫星工程项目立项并开展研制建设。资源三号卫星是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星,集测绘和资源调查功能于一体,将用于1:5万立体测图及更大比例尺基础地理信息产品的生产和更新,开展国土资源调查与监测。资源三号卫星工程由卫星、运载火箭、发射场、测控、地面和应用六大系统组成,将历经36个月的研制与建设,计划于2011年上半年发射。资源三号卫星工程的建设,将大力增强我国独立获取地 理空间信息的能力,提升我国测绘服务保障水平,推动地理信息产业的发展。 (一)资源三号卫星 资源三号卫星将配置三线阵测绘相机和多光谱相机等有效载荷,三线阵测绘相机前视、后视全色影像地面像元分辨率优于4m,正视全色影像地面像元分辨率优于2.5m,多光谱影像地面像元分辨率将优于10m。卫星基高比介于0.85-0.95,发射后将在轨道高度约500-600公里的太阳同步圆轨道飞行。在一个回归周期内,卫星可对地球南北纬84度以内地区实现无缝影像覆盖,回归周期为59天,重访周期5天,卫星设计工作寿命4年,重量约2630kg。资源三号卫星构形见图1-2所示。 图1-2 资源三号卫星构形图 (二)应用系统 资源三号卫星应用系统是整个卫星工程的重要组成部分,由国家测绘局负责建设。其建设目标是最终实现长期、稳定、高效地将高分辨率影像转化为高质量的基础地理信息产品的业务化运行系统。在利用我国现有卫星测绘数据获取、处理条件和各种成熟技术装备的基础上,以空间信息技术、测绘新技术为依托的设施先进、信息畅通、管理科学、运转高效、服务便捷的国家级卫星测绘业务化应用系统,开展资源三号卫星的高精度几何校正,大规模高精度三线阵以及多光谱影像处理,测绘遥感影像产品、立体测绘产品以及各种专题产品快速生产,形成资源三号卫星的管理、数据获取、数据处理和数据分发等测绘生产业务流程,以满足基础测绘、国土资源调查与监测、地球空间信息产业运行、防灾减灾、对地观测系统建设、国防基础能力建设、境外数据获取等重大工程领域的广泛需求。 资源三号卫星应用系统由庞大的计算机硬件和软件集成,具有较高自动化程度,该专业化生产运行系统将包括业务运行管理、影像分析与地面检校、影像处理与应用、立体测图产 品生产、数据管理、数据分发服务、产品质量监督与评价和国土资源应用等8个分系统以及1个地面几何检校场(见图1-3所示)。在测绘部门内,应用系统在业务上将分为卫星测绘应用中心和卫星测绘应用分中心(陕西、黑龙江、四川、海南和重庆五个分中心)。卫星测绘应用中心的硬件设备由存储、计算集群、接收服务器、三线阵立体测图工作站以及各种应用服务器等构成。分中心硬件由各种应用服务器、三线阵立体测图工作站和异地备份存储构成(如图1-4所示)。 图1-3 资源三号卫星应用系统分系统构成 图1-4 资源三号卫星应用系统硬件总体结构 资源三号卫星每天获取与需处理的数据量巨大,应用系统每天需处理的0级数据量将为1790GB,每天接收和归档景数为2508景,每天可完成10幅1:5万DEM、10幅1:5万DRG、10幅1:5万DLG生产,具有完成152幅1:5万DRG、140幅1:5万DLG、600幅1:2.5万DRG、600幅1: 2.5万DLG更新的能力,并生产各类增值产品。应用系统将对原始数据和产品数据永久保存。 (三)资源三号卫星数据产品 利用资源三号卫星传感器获取的全色和多光谱影像可以生产出多种产品,从应用的角度可以将资源三号卫星数据产品划分为:测绘遥感影像产品、立体测绘产品和专题产品。 测绘遥感影像产品根据几何处理精度分为初级、基本、高级三类产品,其中初级测绘遥感影像产品包括原始数据、辐射校正产品、初级系统几何校正产品。基本测绘遥感影像产品包括传感器校正产品、系统几何校正产品。高级测绘遥感影像产品包括精纠正产品、正射纠正产品、数字正射影像产品。 与其它高分辨率资源遥感卫星不同,资源三号卫星是可以充分利用三线阵立体成像的特点生成立体测绘产品,立体测绘产品根据几何处理精度和产品形式分为基本立体影像产品、高级立体影像产品、数字高程模型、数字表面模型、数字线划图和数字栅格图。其中基本立体影像产品包括立体传感器校正产品、立体系统几何校正产品、传感器校正核线产品和系统几何校正核线产品,高级立体影像产品包括立体精纠正产品、精纠正核线产品和正射影像立体配对片产品。 专题产品是由基础地理信息数据与专业信息数据整合加工所形成的数字产品,包括融合影像产品、坡度图、坡向图、三维可视化产品、影像分类产品和植被指数等。 六、结束语 我国测绘卫星的发展将在统筹兼顾、需求牵引、共同配合、服务产业的指导思想指引下,发展形成一个高效的高精度综合测绘卫星系列,为国家基础测绘和地理信息产业发展提供全面、持续稳定、高质量的数据源。资源三号卫星工程的应用和发展,将填补我国民用测绘卫星的空白,开创我国航天摄影测量的新纪元,对增强我国独立获取地理空间信息的能力,提升我国测绘服务保障水平,提高国土资源调查与监测能力,推动测绘事业和地理信息产业发展,具有里程碑意义。