董毅博，李海峰,2，周曉光

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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面向地災(zāi)應(yīng)急的國產(chǎn)衛(wèi)星觀測能力分析

董毅博1，李海峰1,2，周曉光1

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

摘要：針對國產(chǎn)衛(wèi)星系統(tǒng)在災(zāi)害應(yīng)急觀測任務(wù)中的覆蓋能力并不完全明確的問題，對適用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急觀測的國產(chǎn)衛(wèi)星進(jìn)行模擬仿真，利用網(wǎng)格點法從空間和時間兩個維度對衛(wèi)星的覆蓋情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，深入研究國產(chǎn)衛(wèi)星在應(yīng)急響應(yīng)、重復(fù)觀測以及復(fù)合觀測三方面的覆蓋能力，并為災(zāi)后應(yīng)急任務(wù)制定和我國災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供建議。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)衛(wèi)星；地質(zhì)災(zāi)害；應(yīng)急觀測；覆蓋能力

我國地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地殼構(gòu)造活動強(qiáng)烈，地震、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成了巨大損失。衛(wèi)星遙感技術(shù)以其全天候、近實時的特點在災(zāi)后應(yīng)急響應(yīng)中發(fā)揮越來越重要的作用。2008年的汶川地震中，來自12個國家的24顆衛(wèi)星提供了包括622景災(zāi)前影像在內(nèi)的1 257景影像[1]，為災(zāi)后的緊急救援和損失評估提供了有效的災(zāi)情信息。但是在這次地震中，我國衛(wèi)星暴露出觀測的時效性不足的問題，也就是直到48 h后，應(yīng)急中心才獲取了CBERS-02B提供的災(zāi)區(qū)影像。因此一個自然的問題是，雖然我國對地觀測衛(wèi)星體系已經(jīng)初具規(guī)模，然而在這種規(guī)模下，其時間和空間覆蓋能力是否可以滿足災(zāi)害應(yīng)急觀測的要求？

目前國產(chǎn)衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋能力不完全明確的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面：①災(zāi)害響應(yīng)速度不明確。汶川地震后第一幅高分辨率遙感影像是通過“空間與重大災(zāi)害國際憲章”(CHARTER)機(jī)制獲取的Fomosat-2影像，而在甘肅定西地震中，當(dāng)日12:30即接收到了來自SJ-9的影像數(shù)據(jù)。災(zāi)后多長時間能夠獲取衛(wèi)星影像，不同地區(qū)的響應(yīng)速度是否有差異，對于這樣的問題目前還沒有一個明確的說法。②重復(fù)觀測周期不明確。當(dāng)前衛(wèi)星多為太陽同步軌道，單顆衛(wèi)星通過側(cè)擺等形式能夠?qū)崿F(xiàn)任意地點3～5 d的重訪，但在多星聯(lián)合觀測的情況下，當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)能否實現(xiàn)更短時間的重復(fù)觀測不夠明確。③復(fù)合觀測能力的不確定，不同目的的觀測對影像種類、分辨率的需求不同。宏觀的災(zāi)情觀測需要寬覆蓋大范圍的影像，而災(zāi)后的損毀評估則需要更加精細(xì)的高分辨率影像，但我國的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)采用部門所有制，已有的衛(wèi)星系統(tǒng)在能力配置、載荷搭配等方面存在統(tǒng)籌規(guī)劃和能力配置不足的問題，各部門衛(wèi)星在協(xié)同觀測時提供多尺度、不同類型影像的能力不確定。當(dāng)前的研究中，通過衛(wèi)星載荷參數(shù)配置評估其滿足災(zāi)害需求的能力的方法[2-4]，僅限于對單顆衛(wèi)星的理論覆蓋能力進(jìn)行評估；而在宏觀層面對我國衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)災(zāi)能力的研究[5,6]，并沒有提出具體評估和計算方法，且在能力描述上比較模糊。

針對以上問題，本文以中國陸地及主要島嶼為研究區(qū)域，對國產(chǎn)衛(wèi)星進(jìn)行模擬仿真，利用網(wǎng)格點法計算得到其對地面目標(biāo)的時間窗口，以此為基礎(chǔ)，在時間和空間兩個維度對時間窗口進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到國產(chǎn)衛(wèi)星在面向地災(zāi)應(yīng)急任務(wù)時的應(yīng)急響

應(yīng)規(guī)律、重復(fù)觀測能力和復(fù)合觀測能力，為我國地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)后應(yīng)急任務(wù)制定和我國衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

1研究方法

1.1衛(wèi)星覆蓋模型

成像衛(wèi)星的覆蓋范圍是衛(wèi)星對地面的有效可視范圍，是指衛(wèi)星在高速運動狀態(tài)下對地面進(jìn)行成像時，最大側(cè)視角在地面上形成的一條寬度為可視幅寬并以星下點軌跡為中線的帶狀區(qū)域，覆蓋范圍內(nèi)的成像任務(wù)都可能被衛(wèi)星實施，其中最大側(cè)視角是由視場角加上側(cè)擺角得到的，衛(wèi)星覆蓋模型如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星覆蓋模型

1.2國產(chǎn)衛(wèi)星選取

自1988年風(fēng)云一號成功發(fā)射以來，我國已初步建立起風(fēng)云系列、資源系列、環(huán)境減災(zāi)系列、高分系列等對地觀測衛(wèi)星。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急觀測任務(wù)的需求[7]，本文選取資源衛(wèi)星應(yīng)用中心對外提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的陸地衛(wèi)星GF-1、GF-2、HJ-1A、HJ-1B、ZY-1 02C、ZY-3[8]，屢次為地質(zhì)災(zāi)害提供技術(shù)支持的試驗衛(wèi)星SJ-9A、SJ-9B[9]以及于2014-12-07發(fā)射的CBERS-04[10]共9顆在軌運行衛(wèi)星作為覆蓋能力的研究對象。

1.3觀測區(qū)域的格網(wǎng)點法剖分

對衛(wèi)星覆蓋的解算方法有解析法和網(wǎng)格點數(shù)值仿真法兩種[11]，解析法適合計算單顆衛(wèi)星的地面覆蓋情況，在多顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)發(fā)生重疊時，無法提供完整的地面覆蓋信息，且精度有限；網(wǎng)格點數(shù)值仿真法簡稱網(wǎng)格點法，與解析法相比，具有計算精度高，且適用于任意類型的軌道和各種復(fù)雜覆蓋形狀的載荷等優(yōu)點[12]，但會隨網(wǎng)格密度的增加和仿真周期的增加而增大計算量。通過合理地設(shè)置網(wǎng)格密度和仿真周期，利用網(wǎng)格點法對我國衛(wèi)星進(jìn)行覆蓋分析能夠兼顧效率與準(zhǔn)確性。

1)格網(wǎng)點劃分。根據(jù)我國地質(zhì)災(zāi)害分布特點[13]，選定我國陸地、臺灣島以及海南島作為研究區(qū)域。由于我國衛(wèi)星的載荷幅寬大多在50 km以上，個別幅寬在50 km以下的載荷通過側(cè)擺能夠擁有幾百千米的可視幅寬，因此，將研究區(qū)域以等面積的形式劃分為間隔50 km的格網(wǎng)點，共計3 794個。

2)實驗周期設(shè)定。由于各載荷的重訪周期最長為26 d，為獲得更全面的數(shù)據(jù)，實驗仿真時長必需大于此周期，因此本文設(shè)定實驗周期為CBERS-04發(fā)射后的第一個月份2015-01，共計31 d。

3)網(wǎng)格點覆蓋判定。利用美國AGI公司的衛(wèi)星仿真工具包STK(Satellite Tool Kit)[14]的Access接口，能夠準(zhǔn)確獲取衛(wèi)星sat載荷sensor對地面目標(biāo)的時間窗口集合W={w}，集合中元素w(k)={tstart,tstop,sat,sensor}為按時間排序后的第k個時間窗口，tstart表示開始時間，tstop表示結(jié)束時間。

基于以上考慮，本文利用網(wǎng)格點法獲取我國9顆衛(wèi)星19個載荷對3 749個地面目標(biāo)從2015-01-01—2015-01-31為期31d的所有時間窗口，作為覆蓋能力分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2覆蓋能力分析

在接下來的研究中，將首先以受地質(zhì)災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的云南省的省會昆明市所在網(wǎng)格的網(wǎng)格點i(經(jīng)緯度102.60°E,25.21°N)為例，分析衛(wèi)星系統(tǒng)對單個網(wǎng)格點的覆蓋情況。通過對網(wǎng)格點的時間窗口進(jìn)行分類統(tǒng)計，得到單個網(wǎng)格點時間維度的覆蓋能力；然后從空間上分析全國范圍內(nèi)不同網(wǎng)格點的分布規(guī)律，從而得到空間維度的覆蓋能力。

2.1應(yīng)急響應(yīng)能力

2.1.1時間窗口分布

時間窗口分布是指衛(wèi)星載荷對地面目標(biāo)的觀測分布在一天的哪些時刻，通過時間窗口的分布情況能夠得到不同時刻的應(yīng)急響應(yīng)速度，繼而衡量出衛(wèi)星的應(yīng)急響應(yīng)能力。首先，對集合Wi進(jìn)行預(yù)處理，忽略元素wi的字段tstart的日期部分，僅保留時間部分；然后以小時為采樣間隔進(jìn)行計數(shù)統(tǒng)計。通過分析，得到63.7%的時間窗口分布在11:00—12:00之間，剩余36.3%分布在12:00—13:00之間。由于選取衛(wèi)星均為太陽同步軌道設(shè)計，在降軌成像時于地方時10:30通過赤道上空，因此，衛(wèi)星對同一目標(biāo)的觀測時間也應(yīng)該較為固定，但受全世界時區(qū)離散劃分的方式以及側(cè)擺的影響，最終衛(wèi)星對同一目標(biāo)的觀測并非保持在某一固定的時刻而是分布在一定的時間范圍內(nèi)。由此得知，在天氣條件允許的情況下，國產(chǎn)衛(wèi)星在對昆明地區(qū)的觀測均發(fā)生在中午11:00—13:00之間。因此，當(dāng)昆明地區(qū)需要應(yīng)急觀測時，來自上午的請求能夠在當(dāng)天完成，而下午的請求則需要到第2天中午才能完成，此時應(yīng)考慮使用國外或軍用衛(wèi)星，或是利用航空觀測技術(shù)完成，以便盡快獲取災(zāi)情信息。

2.1.2全國范圍內(nèi)的時間窗口分布

利用上述方法對全國范圍內(nèi)的網(wǎng)格點的時間窗口分布情況進(jìn)行統(tǒng)計，得到圖2。通過圖2可以得出衛(wèi)星對全國任意網(wǎng)格觀測的時間范圍，進(jìn)而對觀測任務(wù)的規(guī)劃和制定進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化。

圖2　全國分時段覆蓋統(tǒng)計

從圖2中可以看出，衛(wèi)星對全國網(wǎng)格的覆蓋分布在8:00—15:00之間，覆蓋時刻由東向西逐漸延后，形成這樣的分布規(guī)律的原因在前文中已經(jīng)說明。因此，國產(chǎn)衛(wèi)星的應(yīng)急響應(yīng)能力具有上午較快，下午較慢，響應(yīng)速度不均勻的特點。

2.2重復(fù)觀測能力

2.2.1協(xié)同重訪時間

2.2.2每日覆蓋次數(shù)

在每天都能完成一次覆蓋的情況下，以天為單位對網(wǎng)格點i的覆蓋次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到每日覆蓋次數(shù)，如圖3所示。統(tǒng)計結(jié)果顯示，1月18日與1月24日達(dá)到最多的10次覆蓋，1月19日和1月31日只覆蓋1次，平均每日覆蓋5.4次。

圖3　網(wǎng)格點i每日覆蓋次數(shù)

全國范圍網(wǎng)格點的日平均覆蓋次數(shù)如圖4所示。

圖4　全國網(wǎng)格日均覆蓋次數(shù)

圖4表明，網(wǎng)格覆蓋次數(shù)隨緯度增高而增多，且覆蓋次數(shù)在衛(wèi)星軌道運行方向上呈現(xiàn)出條帶狀分布的特點。根據(jù)分析，這樣的分布規(guī)律與太陽同步回歸軌道的特點相關(guān)，國產(chǎn)衛(wèi)星的回歸周期大多為60 d左右，而實驗仿真周期為31 d，因此在覆蓋次數(shù)的分布上呈現(xiàn)出一半條帶覆蓋次數(shù)較多而一半較少的特點，這反應(yīng)了我國中低緯度地區(qū)各點的覆蓋次數(shù)會呈現(xiàn)出周期性的波動。

基于協(xié)同重訪時間和日均覆蓋次數(shù)兩方面的分析，能夠?qū)ξ覈l(wèi)星的重復(fù)觀測能力有一個大致的了解：我國衛(wèi)星在協(xié)同觀測時具備了全國任意地點1 d內(nèi)重訪的重復(fù)觀測能力和部分地區(qū)短時間多次觀測的凝視觀測能力。

2.3復(fù)合觀測能力

2.3.1復(fù)合觀測能力

地災(zāi)觀測需要高時間、高空間、高光譜等高性能觀測能力，但受技術(shù)限制，每種載荷通常只能在一方面具有高性能的觀測能力，例如寬幅載荷通常只能提供中低分辨率影像，而高光譜載荷的覆蓋能力和空間分辨率相對較低，復(fù)合觀測能力就是各類載荷組合觀測滿足需求的能力。本文根據(jù)我國衛(wèi)星載荷的特點將其分為4類：全色波段優(yōu)于5 m多光譜優(yōu)于10 m的高分辨率載荷，寬覆蓋中低分辨率載荷，紅外載荷和高光譜載荷，下面將分別對其進(jìn)行覆蓋能力分析。首先根據(jù)集合Wi中sensor字段分成4個子集，然后以天為單位根據(jù)各子集元素wi的字段tstart進(jìn)行統(tǒng)計，得到協(xié)同重訪時間、一日覆蓋率和日均覆蓋次數(shù)3個反映衛(wèi)星覆蓋能力的指標(biāo)。其中，協(xié)同重訪時間上文中已經(jīng)介紹過；一日覆蓋率指1d內(nèi)完成覆蓋的概率，由覆蓋天數(shù)除以總天數(shù)得到，能夠反映觀測資源的重復(fù)觀測能力；日均覆蓋次數(shù)通過覆蓋總次數(shù)除以覆蓋天數(shù)得到，反映了觀測資源的凝視觀測能力。統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1　網(wǎng)格點i四類載荷覆蓋情況統(tǒng)計

注：括號內(nèi)為2日覆蓋率和3日覆蓋率

通過表1能夠得出我國衛(wèi)星針對昆明地區(qū)的地災(zāi)符合觀測能力：①基本實現(xiàn)1d內(nèi)高分辨率應(yīng)急響應(yīng)；②特定目標(biāo)日均3.5次凝視觀測；③2d內(nèi)中低分辨率大范圍宏觀覆蓋；④4d內(nèi)多尺度，多類型立體觀測。

2.3.2全國范圍的復(fù)合觀測能力

利用上述方法對全國范圍內(nèi)網(wǎng)格點的一日覆蓋率進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同載荷全國范圍一日覆蓋率分布圖

以高分辨率載荷為例，從圖中可以了解到，全國3 794個網(wǎng)格中有578個網(wǎng)格的一日覆蓋率為100%，表明實驗區(qū)15.23%的地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)每天至少一次的覆蓋；有40個網(wǎng)格的一日覆蓋率為最低的87.1%，占實驗區(qū)面積的1.05%，意味著這些地區(qū)每天被覆蓋到的概率為87.1%，或者說如果觀測周期為100d的話，其中有87d會被覆蓋到。中低分辨率載荷雖然數(shù)量上比高分辨率載荷少，但幅寬均在700km以上，使得42.2%的地區(qū)實現(xiàn)了每天100%覆蓋。由于紅外載荷與高光譜載荷數(shù)量相對較少且多數(shù)幅寬相對較窄，所以一日覆蓋率相對較低。

綜上所述，國產(chǎn)衛(wèi)星能夠在短期(4d)內(nèi)為全國任意地區(qū)提供多種類型的影像數(shù)據(jù)，但尚不能實現(xiàn)所有地區(qū)各類型載荷1d內(nèi)重訪，多類型立體應(yīng)急觀測能力有待進(jìn)一步提高。

3結(jié)束語

針對地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急任務(wù)，國產(chǎn)衛(wèi)星通過協(xié)同觀測具備了全國任意地點1d內(nèi)重訪的重復(fù)觀測能力和部分地區(qū)短時間多次觀測的凝視觀測能力，而任意地點不同分辨率各類型影像數(shù)據(jù)也能夠在4d內(nèi)獲取。我國衛(wèi)星在近年來的重大地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)揮了巨大的作用，中巴地球資源衛(wèi)星、高分一號和實踐九號等作為空間和重大災(zāi)害國際憲章組織的值班衛(wèi)星，更是為世界范圍內(nèi)重大自然災(zāi)害提供了援助。但是，目前國產(chǎn)衛(wèi)星的覆蓋能力距離災(zāi)害應(yīng)急觀測的需求還有一定差距：不具備全天時觀測能力，同一地區(qū)每天只有2～3h能夠被觀測到；不具備全天候觀測能力，僅有環(huán)境一號C星一顆微波遙感衛(wèi)星，絕大多數(shù)為光學(xué)衛(wèi)星，在夜晚及陰雨天氣情況下無法進(jìn)行觀測；多類型立體觀測能力不強(qiáng)，載荷類型不夠豐富，紅外載荷與高光譜載荷數(shù)量較少；高分辨率觀測能力較弱，優(yōu)于1m空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)量過少。因此，從提高覆蓋能力的角度出發(fā)，我國的空間災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)可從兩方面發(fā)展，一是進(jìn)一步發(fā)展現(xiàn)有對地觀測體系，豐富載荷類型，加強(qiáng)微波遙感衛(wèi)星建設(shè)，提高衛(wèi)星空間分辨率，采用多星星座組網(wǎng)工作模式；另外，積極發(fā)射類似于快舟系列的小衛(wèi)星，構(gòu)建類似于美國PlanetLab的由一百多顆小衛(wèi)星組成的Flock系統(tǒng)。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Observing capability analysis of domestic satellites in geological hazard oriented emergencies

DONG Yibo1，LI Haifeng1，2，ZHOU Xiaoguang1

(1.School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China；2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Abstract：In the hazard emergency observation task，the uncertain coverage capability of current domestic satellite system is a problem to be solved.In this paper，the time window of Geological hazard-oriented satellites are obtained by simulation at first.Then analysis is conducted in both spatial aspect and temporal aspect by using grid point method.Next the emergency response capabilities，repeated observation capabilities and composite observation capabilities are calculated separately on the statistics.Finally，some suggestions are put forward based on the study.

Key words：domestic satellites;geological hazard;emergency observation;coverage capability

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.07.011

收稿日期：2015-03-30

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA121301)

作者簡介：董毅博(1989-)，男，碩士研究生.

中圖分類號：V19

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)07-0051-06