吳瑋秦其明范一大劉明舒陽

（1 北京大學地球與空間科學學院，北京 100871）

（2 民政部國家減災中心，北京 100124）

“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據產品減災服務時效性測試

吳瑋1,2秦其明1范一大2劉明2舒陽2

（1 北京大學地球與空間科學學院，北京 100871）

（2 民政部國家減災中心，北京 100124）

“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據產品應用服務的時效性是工程建設、管理和應用部門普遍關心的熱點問題，也是評價災害應急階段“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據產品快速服務能力的重要指標。文章針對“高分四號”衛(wèi)星及其有效載荷成像特點，在分析不同衛(wèi)星成像模式下減災應用需求的基礎上，提出了“高分四號”衛(wèi)星凝視、區(qū)域和機動巡查模式下，數(shù)據服務時效性測試方案以及減災應用產品生產的時效性測試方案。結果表明，“高分四號”衛(wèi)星具有很強的機動靈活性和高時效觀測能力，最快能在1個半小時以內實現(xiàn)從需求申請到產品生產的全鏈路數(shù)據產品服務。通過測試發(fā)現(xiàn)，觀測計劃編排和衛(wèi)星應急觀測時長較短，反應速度較快，但地面數(shù)據處理、分發(fā)和傳輸?shù)臅r長受多因素影響，時長伸縮性大。隨著“高分四號”衛(wèi)星長期在軌穩(wěn)定運行，數(shù)據服務工作日趨穩(wěn)定成熟，全鏈路數(shù)據服務的時效性會得到進一步提高，在國家防災減災救災中的數(shù)據應用服務支撐作用將日益凸顯。

減災應用 時效性 數(shù)據服務 “高分四號”衛(wèi)星

0 引言

2015年12月29日0時04分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號”乙運載火箭成功發(fā)射“高分四號”衛(wèi)星，衛(wèi)星順利進入預定軌道位置，“高分四號”衛(wèi)星的成功發(fā)射標志著我國“十二五”航天宇航任務圓滿收官，也標志著我國自然災害監(jiān)測、預警與評估達到分鐘級高頻次監(jiān)測能力[1]。

“高分四號”衛(wèi)星作為國家科技重大專項“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”中發(fā)射的第三顆民用遙感衛(wèi)星，是全球首發(fā)地球靜止軌道高分辨率光學成像對地觀測衛(wèi)星。該衛(wèi)星定點于東經105.6°赤道上空，對中國及周邊地區(qū)進行高時間分辨率的近實時觀測，能夠以分鐘級甚至秒級間隔進行高頻率拍攝，并在較短時間內將拍攝圖像傳回地面處理中心[2]。“高分四號”衛(wèi)星具有與傳統(tǒng)靜止軌道氣象海洋衛(wèi)星一致的極高時間分辨率觀測和大幅寬特點，同時又具備與陸地衛(wèi)星相似的中分辨率地物辨識能力，整星觀測機動靈活性強，反應速度快，在減災與應急管理中有著十分廣闊的應用前景。“高分四號”衛(wèi)星應用服務的時效性一直是衛(wèi)星工程建設、管理和應用部門普遍關心的熱點問題，也是評價衛(wèi)星應用能力的重要指標。減災救災工作直接關系到人民群眾的生命財產安全和政府科學決策，對于衛(wèi)星減災應用服務的及時性有著特別突出迫切的需求。

為科學評價“高分四號”衛(wèi)星在減災救災中應用的時效性，本文緊密結合“高分四號”衛(wèi)星及其有效載荷的成像模式與技術特點，在充分分析衛(wèi)星減災救災業(yè)務應用需求的基礎上，設計了星地聯(lián)合的全鏈路服務時效性測試方案；通過實際測試，從數(shù)據完整性、數(shù)據覆蓋需求滿足度、時長等角度科學分析和評價“高分四號”衛(wèi)星減災應用服務的時效性，為后續(xù)開展“高分四號”衛(wèi)星減災業(yè)務化應用、完善應急工作規(guī)程提供借鑒。

1 “高分四號”衛(wèi)星及其載荷特點

與距離地面數(shù)百千米的低軌道遙感衛(wèi)星不同，“高分四號”衛(wèi)星位于地球赤道上空，相對于地球靜止不動，工作的空間環(huán)境更為惡劣復雜。該衛(wèi)星是我國首顆整星設計壽命長達8年的遙感衛(wèi)星，具有成像模式多樣的特點，包括區(qū)域模式、凝視模式和機動巡查模式，為更好地滿足減災與應急業(yè)務需求提供了多種選擇。

“高分四號”衛(wèi)星上搭載了一臺高分辨率光學遙感凝視相機，它具備可見光近紅外通道50m像元分辨率和中波紅外通道400m像元分辨率的探測能力，單景幅寬分別為500km×500km和400km×400km。該相機首次采用面陣凝視成像體制和可見光近紅外與中波紅外共口徑技術，實現(xiàn)可見光/紅外共用一個口徑，通過分色裝置可同時對地面成像，在進行可見光拍攝時，相機還提供全色、紅、綠、藍、近紅外等五種濾鏡切換服務[3]。此相機還可以通過積分時間調整技術控制曝光時間，高亮、低亮全能應對，具備強大又靈活的亮度適應功能[4]?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星這種大幅寬、全天時觀測和機動靈活的特性，為快速及時開展災害監(jiān)測提供有力的保障?！案叻炙奶枴毙l(wèi)星和相機主要技術指標見表1。

表1 “高分四號”衛(wèi)星和相機主要技術指標Tab.1 Main technical indexes of GF-4 satellite and its payloads

2 衛(wèi)星成像模式減災應用需求分析

我國自然災害種類多樣、發(fā)生頻繁、地域分布廣闊、季相性特征明顯。及時開展災害高風險區(qū)監(jiān)測，快速捕捉大范圍災害的時空變化，高時效地獲取地表承災體的損毀信息對遙感衛(wèi)星提出了高效率的觀測要求。多模式觀測是“高分四號”衛(wèi)星成像的一個顯著特點，通過衛(wèi)星整星的姿態(tài)快速機動與高穩(wěn)定控制，能夠滿足不同災害觀測對象和不同工作任務對衛(wèi)星快速觀測的應用需求。

“高分四號”衛(wèi)星不同的成像工作模式在減災與應急服務中的應用需求不同，具體如下：

（1）凝視模式

凝視成像技術是“高分四號”衛(wèi)星觀測的一大特色。該模式是指衛(wèi)星整體姿態(tài)保持不變，始終對500km×500km的固定區(qū)域進行不間斷的連續(xù)成像。凝視模式既可以通過分時切換方式實現(xiàn)可見光近紅外通道的全譜段連續(xù)觀測，又可以與中波紅外結合實現(xiàn)同時相同步觀測。凝視成像適合應用于對空間范圍不大、發(fā)展演變十分迅速的災害進行監(jiān)測，一般在數(shù)小時內要求完成災害重復觀測任務，滿足時效性要求很高的災害應急響應需求。如對于潰壩型洪澇災害、森林草原火災、大型滑坡泥石流、堰塞湖等，可發(fā)揮凝視成像的優(yōu)勢，在一段時間內通過固定時間間隔對災區(qū)進行不間斷成像，從而捕捉災害的空間變化情況。盡管凝視成像只是對單景圖像覆蓋區(qū)域進行連續(xù)觀測，但 500km×500km觀測范圍可以實現(xiàn)重特大災害重災區(qū)的高頻次觀測，使得“高分四號”衛(wèi)星成為災區(qū)高時效觀測的重要手段。

（2）區(qū)域模式

區(qū)域成像模式是對一個大于 500km×500km的連續(xù)空間區(qū)域，通過機動調整“高分四號”衛(wèi)星的指向和姿態(tài)，對該區(qū)域進行步進式成像，獲取多景觀測圖像后通過拼接形成一幅覆蓋觀測需求區(qū)域的圖像。區(qū)域模式下，既可以采用單譜段進行大區(qū)域單色成像，又可以采用可見光近紅外的全譜段方式進行成像，還能與中波紅外譜段相結合進行同步成像。區(qū)域模式特別適合于對災害風險區(qū)和大范圍災害進行快速成像。如針對流域性的洪澇災區(qū)、西北牧區(qū)雪災區(qū)、西南干旱地區(qū)、黃河上游冰凌區(qū)等，根據應用目的，可每天或間隔數(shù)小時進行快速成像觀測。區(qū)域模式對于成像范圍沒有特定的要求，可以是 2景×2景的1 000km×1 000km范圍，也可以4景×4景的2 000km×2 000km范圍，甚至可以范圍更大。由于“高分四號”衛(wèi)星觀測幅寬大，通常2景×2景即可滿足重特大災害大部分一般災區(qū)的觀測需求。

（3）機動巡查模式

機動巡查模式是利用“高分四號”衛(wèi)星姿態(tài)高可控、機動靈活的能力，對多個地區(qū)進行交替式的巡查成像，從而可以獲取不同熱點地區(qū)的 500km×500km范圍連續(xù)觀測數(shù)據。機動巡查模式既可以僅僅采用可見光近紅外連續(xù)觀測，又可以與中波紅外配合實現(xiàn)同步觀測。我國自然災害多種多樣，災害多發(fā)并發(fā)特征明顯，利用“高分四號”衛(wèi)星機動巡查成像模式，可以同時應對多場并發(fā)災害，保證災害應急觀測的及時性。如針對東北地區(qū)森林草原火災、新疆西北部融雪性洪水和華南地區(qū)的春汛，通過合理安排衛(wèi)星觀測計劃，可對三處災害發(fā)生地區(qū)進行交替式重復觀測，在數(shù)小時內達到多災多任務高時效應對的目的。

3 減災應用服務時效性測試流程

“高分四號”衛(wèi)星減災應用服務能力的高低不僅取決于衛(wèi)星系統(tǒng)的觀測能力，還依賴于地面系統(tǒng)、應用系統(tǒng)等綜合支撐能力。因此，“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據產品的減災應用服務時效性也不僅僅是衛(wèi)星觀測的時效性，而是星地一體化全鏈路服務的時效性，是星地系統(tǒng)綜合服務能力的體現(xiàn)。“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據產品服務流程如圖1所示。用戶根據災害遙感應用需求，首先向“高分四號”衛(wèi)星任務管理系統(tǒng)通過網絡平臺提出特定區(qū)域、特定時間的凝視模式、區(qū)域模式或機動巡查模式的衛(wèi)星觀測需求。任務管理系統(tǒng)在接收到觀測需求后，通過解析分析，編排衛(wèi)星觀測計劃，并將任務指令傳輸至測控系統(tǒng)。經過測控系統(tǒng)上注運控指令，調度“高分四號”衛(wèi)星按任務要求開展不同模式的成像。衛(wèi)星系統(tǒng)完成觀測任務后，將原始數(shù)據下傳至地面接收站，由接收站將數(shù)據傳輸至地面處理系統(tǒng)進行數(shù)據的預處理。通過專項鏈路，地面處理系統(tǒng)將處理后的“高分四號”衛(wèi)星1級輻射校正數(shù)據傳輸至減災應用系統(tǒng)。最后，用戶在接收到全部有效數(shù)據后，開展輻射定標、幾何校正、災害遙感特征參數(shù)提取等工作，完成減災應用產品服務任務。由此可見，“高分四號”衛(wèi)星減災應用服務涉及的系統(tǒng)多、鏈路長，其時效性是多系統(tǒng)協(xié)同能力的綜合體現(xiàn)。因此，針對“高分四號”衛(wèi)星減災應用服務的時效性測試應包含數(shù)據服務的時效性測試和減災應用產品生產的時效性測試等兩個方面。

其中，測試數(shù)據服務的時效性是統(tǒng)計從不同衛(wèi)星觀測模式需求的提出到觀測任務編排、指令上行、數(shù)據下傳接收、地面數(shù)據預處理以及數(shù)據全部推送到減災應用系統(tǒng)的全過程所需時間，進而評價數(shù)據服務的正確性、完整性和時效性。這里針對凝視成像模式，為更好體現(xiàn)凝視成像特點，測試中安排對一個固定區(qū)域進行間隔5min的連續(xù)5次成像，同時獲取可見光近紅外和中波紅外成像數(shù)據。針對區(qū)域模式，從實際需求出發(fā)，為測試區(qū)域成像模式下“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據服務的最快時間，測試中安排2景×2景區(qū)域范圍進行成像，獲取可見光近紅外和中波紅外成像數(shù)據。針對機動巡查模式，為更好體現(xiàn)衛(wèi)星觀測能力，測試中針對三個大跨度、不連續(xù)的地理位置進行交替式成像，獲取每個區(qū)域兩個時相的可見光近紅外和中波紅外成像數(shù)據。

“高分四號”衛(wèi)星災害監(jiān)測目標、產品內容多種多樣，不同的應用任務其產品的生產時間存在很大差異。因而，測試“高分四號”衛(wèi)星減災應用產品生產的時效性更側重于應急階段在第一時間提供減災應用產品的時效性?？紤]到“高分四號”衛(wèi)星在減災救災中主要應用于洪澇、旱災和雪災等災害監(jiān)測，因而在獲取數(shù)據后的第一時間可提供相應的植被指數(shù)、水體指數(shù)和雪蓋等災害遙感特征參數(shù)/指數(shù)產品，依托高分減災應用示范等軟件系統(tǒng)，分別統(tǒng)計基于單景“高分四號”衛(wèi)星圖像進行輻射定標、幾何校正和生產歸一化差分植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）[5-7]、歸一化差分水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）[8-10]和雪蓋范圍所需時間。其中，NDVI是利用“高分四號”衛(wèi)星第4譜段紅光和第5譜段近紅外間的波譜關系；NDWI則是利用“高分四號”衛(wèi)星第3譜段綠光和第5譜段近紅外間的波譜關系，而雪蓋范圍則是采用單通道綠波段閾值方法獲取雪蓋范圍。

圖1 “高分四號”衛(wèi)星數(shù)據產品服務流程圖Fig.1 Flow chart of GF-4 satellite data and information products service

4 時效性測試實驗與分析

4.1 實驗數(shù)據

根據不同衛(wèi)星觀測模式，“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據服務時效性測試數(shù)據如表2所示。而對于減災應用產品服務時效性的測試，由于僅測試產品的生產效率，考慮到季相、地理環(huán)境等因素，實驗數(shù)據只要滿足覆蓋有植被、水體、積雪區(qū)域即可。

表2 “高分四號”衛(wèi)星時效性測試數(shù)據表Tab.2 Timeliness test data of GF-4 satellite

4.2 時效性測試結果與評價

“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據與減災應用產品時效性測試結果如表3～4所示。表3中分別針對凝視、區(qū)域和機動巡查等三種成像模式下數(shù)據服務時效性進行測試，其中，計劃申請至衛(wèi)星成像總時長是指由用戶提出觀測計劃到衛(wèi)星對需求區(qū)域進行成像的時間；衛(wèi)星工作總時長是指衛(wèi)星相機開機和關機間隔時間；數(shù)據接收到數(shù)據生產總時長是指從衛(wèi)星數(shù)據下傳到地面站接收到地面處理系統(tǒng)進行數(shù)據1級產品生產的時間；數(shù)據生產到數(shù)據推送總時長是指從數(shù)據進行1級產品生產到數(shù)據專線推送至減災應用示范系統(tǒng)指定存儲盤陣的時間；數(shù)據服務總時長是指從用戶提出觀測申請到用戶收到全部所需觀測數(shù)據的時間。表 4是分別針對NDVI、NDWI和雪蓋范圍等三種應用產品生產的時效性進行測試，災害遙感特征參數(shù)/指數(shù)產品生產總時長是指對獲取的單幅“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據進行解壓縮、輻射定標、大氣校正、幾何校正和信息提取等處理所需的總時間。

表3 “高分四號”衛(wèi)星數(shù)據時效性測試結果表Tab.3 Timeliness test result of GF-4 satellite data min

表4 “高分四號”衛(wèi)星減災應用產品時效性測試結果表Tab.4 Timeliness test result of GF-4 satellite disaster reduction application products

“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據服務時效性不只是包含衛(wèi)星觀測時長，而是涉及到多個系統(tǒng)、多個環(huán)節(jié)，數(shù)據服務總時長易受到多種因素影響，同樣獲取5景左右“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據，三種成像模式測試中最快能夠實現(xiàn)1h10min完成從需求申請到數(shù)據全部推送到位，最慢則延遲到5h33min。其中，從不同模式觀測計劃申請到衛(wèi)星開機成像的時長會受到觀測需求解析、任務計劃編排、測控指令上行等多個環(huán)節(jié)的影響，最快為 32min，最慢為 1h01min，表明衛(wèi)星觀測任務安排響應時效性很高，可以快速實現(xiàn)以需求為牽引的衛(wèi)星觀測成像。衛(wèi)星開關機總時長最短為2景×2景區(qū)域成像模式下的19min，最慢為凝視成像模式下間隔5min連續(xù)5次成像的39min，衛(wèi)星工作時長主要根據觀測的需求來制定。而在機動巡查模式下，衛(wèi)星工作總時長為30min，表明針對我國任意三處位置，基本可實現(xiàn)30min內連續(xù)觀測兩次的目的。“高分四號”衛(wèi)星實現(xiàn)了從衛(wèi)星成像到衛(wèi)星下傳的準實時過程，“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據的地面接收到地面處理系統(tǒng)開展數(shù)據預處理的時長涉及到地面站間的數(shù)據傳輸、數(shù)據存儲和系統(tǒng)生產等多個環(huán)節(jié)，最快為16min，最慢則推遲到2h10min，伸縮性很大，在數(shù)據傳輸鏈路暢通和數(shù)據落盤存儲無誤情況下，時效性主要受到地面處理系統(tǒng)能力和處理任務優(yōu)先順序安排的影響。數(shù)據生產到專線推送至用戶的時長會受到“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據分發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據傳輸鏈路等因素影響，時長最快可達3min，最慢則延遲到3h33min，說明這部分較長的推送時間還有很大的壓縮空間。為實現(xiàn)“高分四號”衛(wèi)星減災應用產品的第一時間服務能力，針對單景衛(wèi)星圖像，依托現(xiàn)有成熟系統(tǒng)，可以實現(xiàn)16min內完成NDVI、NDWI或雪蓋范圍產品的生產，主要受到數(shù)據定標、大氣校正、反射率反演和幾何校正等因素的影響，而信息提取時間較短，一般在1min左右即可完成。

通過三種模式下“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據服務測試，不難發(fā)現(xiàn)，從數(shù)據完整性角度分析，針對每一種成像模式，減災用戶均能夠獲得符合數(shù)據接口規(guī)范的數(shù)據文件，數(shù)據結構清晰、內容完整。從數(shù)據正確性角度分析，用戶能夠獲取滿足計劃申請所需時間、地域和譜段等需求的“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據，數(shù)據獲取量與相應的觀測模式保持一致。從數(shù)據覆蓋滿足度分析，由于“高分四號”衛(wèi)星成像幅寬大、覆蓋區(qū)域廣，對成像范圍沒有特定限制，因此，完全能夠滿足用戶區(qū)域觀測需求。

5 結束語

“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據獲取和減災應用產品服務的時效性是災害應急階段第一時間數(shù)據產品服務能力的充分體現(xiàn)。本文從不同衛(wèi)星成像模式特點及減災應用需求出發(fā)，提出了“高分四號”衛(wèi)星凝視、區(qū)域和機動巡查模式下數(shù)據服務時效性測試方案以及第一時間減災應用產品服務時效性測試方案。結果表明，“高分四號”衛(wèi)星具有很強的機動靈活性和高時效觀測能力，最快能在 1h30min以內實現(xiàn)從觀測需求提出端到減災應用產品生產端的全鏈路數(shù)據產品服務。測試中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星觀測計劃編排和衛(wèi)星應急觀測時長較短，反應速度較快，但地面數(shù)據處理、分發(fā)和傳輸?shù)臅r長受多因素影響，伸縮性很大。由于“高分四號”衛(wèi)星在軌測試期間全鏈路測試時間短，演練案例較少，隨著衛(wèi)星投入使用和大規(guī)模使用，“高分四號”衛(wèi)星數(shù)據服務工作將逐步穩(wěn)定成熟，全鏈路數(shù)據服務的時效性還將進一步得到提高，對國家防災減災救災的數(shù)據應用服務支撐作用將會更加突出。

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Timeliness Testing of GF-4 Satellite Data Product and Disaster Reduction Application Service

WU Wei1, 2QIN Qiming1FAN Yida2LIU Ming2SHU Yang2

（1 School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China）
（2 National Disaster Reduction Center of China, Ministry of Civil Affairs, Beijing 100124, China）

The timeliness of GF-4 satellite data product and application service is a hot issue of common concern of the project construction, management and application departments, and an important indicator of GF-4 satellite quick service capability during disaster emergency. In this paper, according to GF-4 satellite and its payload imaging characteristics, disaster reduction application demands are analyzed based on different satellite imaging modes. A testing scheme of data service timeliness in GF-4 satellite gazing, region and mobile patrol imaging modes, and a testing scheme of the timeliness of the production of disaster reduction application products are put forward. The results show that the GF-4 satellite has a strong flexibility and high timely observation capabilities, the shortest time of full link GF-4 satellite data and disaster reduction application products can be within 1.5 hours. The test shows that the time are short for the satellite observation plan and the satellite emergency observation and the reaction speed is relatively high, but the duration of the ground data processing, distribution and transmission is influenced by many factors and changes largely in differentimaging modes. With GF-4 satellite stable operation for long-term, data services will become more and more mature and stable. Thus, the timeliness of data service in the whole link will be further improved, and the supporting role of data application service will become increasingly prominent in the national disaster prevention and mitigation.

disaster reduction application; timeliness; data service; GF-4 satellite

V19

: A

: 1009-8518(2016)04-0102-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.014

吳瑋，男，1981年生，2006年獲武漢大學地圖學與地理信息系統(tǒng)專業(yè)碩士學位，現(xiàn)在北京大學地圖學與地理信息系統(tǒng)專業(yè)攻讀博士學位，副研究員，主要從事災害遙感研究與應用服務工作。E-mail: wuwei@ndrcc.gov.cn。

（編輯：陳艷霞）

2016-06-14

國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（30-Y20A02-9003-15/16，30-Y20A04-9003-15/16）