唐新明，王鴻燕

自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048

衛(wèi)星測繪是有效獲取地理空間信息的重要手段[1-2]，主要依靠測繪衛(wèi)星和具備測繪功能的遙感衛(wèi)星開展全球地理信息資源獲取、測繪產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用服務(wù)。從廣義上講，具備立體測圖或者高程測量能力的衛(wèi)星都可以稱為測繪衛(wèi)星，主要包括高分辨率光學(xué)測繪衛(wèi)星(指具有平面或立體測圖能力的光學(xué)遙感衛(wèi)星[3])、雷達(dá)測圖衛(wèi)星、激光測高衛(wèi)星、重力衛(wèi)星和導(dǎo)航定位衛(wèi)星5種類型[4-7]。

中國長期以來一直十分重視測繪衛(wèi)星的研制[8]。經(jīng)過10多年的發(fā)展，我國民用測繪衛(wèi)星已實(shí)現(xiàn)由試驗(yàn)應(yīng)用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉(zhuǎn)變[5]。特別是民用光學(xué)衛(wèi)星測繪應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了資源三號(ZY-3)、高分七號(GF-7)和資源一號(ZY-1)、高分系列其他衛(wèi)星等多系列、多分辨率衛(wèi)星的組網(wǎng)運(yùn)行，空間分辨率、時(shí)間分辨率和測圖精度不斷提高；影像應(yīng)用日益廣泛，從單一的測繪產(chǎn)品生產(chǎn)擴(kuò)展為多元遙感影像產(chǎn)品和服務(wù)，衛(wèi)星測繪產(chǎn)品體系建立并不斷完善；從限于中國陸域到全球地理信息的獲取、更新和共享，應(yīng)用廣度逐步拓寬。截至2021年底，在10年時(shí)間里面向國內(nèi)外各應(yīng)用領(lǐng)域2000余個(gè)單位或機(jī)構(gòu)提供了光學(xué)衛(wèi)星測繪產(chǎn)品和服務(wù)，在自然資源管理中發(fā)揮了不可或缺的作用，并廣泛服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)文明建設(shè)，為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

1 衛(wèi)星在軌和數(shù)據(jù)獲取情況

為滿足國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國家安全對地理信息資源覆蓋面、現(xiàn)勢性和產(chǎn)品種類的要求，打破自主衛(wèi)星數(shù)據(jù)源匱乏和過分依賴國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)的局面，自20世紀(jì)末以來，國家牽頭組織開展了自主測繪衛(wèi)星的一系列技術(shù)論證，科學(xué)規(guī)劃、推進(jìn)自主測繪衛(wèi)星的立項(xiàng)、研制和發(fā)射，力爭建設(shè)一套長期、穩(wěn)定、連續(xù)的自主民用測繪衛(wèi)星體系[9]，推進(jìn)衛(wèi)星測繪應(yīng)用技術(shù)的深化。

經(jīng)過10多年的努力和發(fā)展，目前，我國民用光學(xué)測繪衛(wèi)星主要包括ZY-3衛(wèi)星系列和GF-7衛(wèi)星系列[10-12]。從ZY-3到GF-7，在10年時(shí)間里實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星測繪由1∶5萬比例尺到1∶1萬比例尺的進(jìn)步，取得了我國民用光學(xué)立體測繪衛(wèi)星“從無到有、從有到多、從多到精”的跨越式進(jìn)步，使我國成為國際上少數(shù)幾個(gè)掌握成套衛(wèi)星測繪技術(shù)的國家之一[1]。

1.1 測繪衛(wèi)星在軌情況

(1) ZY-3衛(wèi)星。ZY-3衛(wèi)星工程是“十一五”期間我國民用航天重點(diǎn)科研項(xiàng)目，旨在長期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速地獲取覆蓋全國的高分辨率全色立體影像和多光譜影像，生產(chǎn)全國1∶5萬基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)1∶2.5萬及更大比例尺地形圖的修測和更新[2,13-14]。共有4顆資源三號衛(wèi)星列入了研制計(jì)劃，通過多星在軌組網(wǎng)運(yùn)行提高對我國及全球各地區(qū)測繪影像的覆蓋能力[15]。

資源三號01星(ZY-3 01)于2012年1月9日成功發(fā)射，是我國首顆民用高分辨率光學(xué)傳輸型立體測圖衛(wèi)星，集測繪和資源調(diào)查功能于一體。衛(wèi)星采用三線陣測繪方式，可準(zhǔn)確獲取影像的三維地面坐標(biāo)，用于生產(chǎn)1∶5萬測繪產(chǎn)品，以及開展1∶2.5萬及更大比例尺地形圖的修測與更新。資源三號02星(ZY-3 02)于2016年5月30日成功發(fā)射，前后視相機(jī)分辨率由3.5 m提高到2.5 m，較01星擁有更優(yōu)異的影像融合能力和更高圖像高程測量精度，并搭載了一套試驗(yàn)性激光測高載荷[16,17]。資源三號03星(ZY-3 03)于2020年7月25日成功發(fā)射，設(shè)計(jì)壽命延長至8 a。ZY-3 03與ZY-3 01、ZY-3 02星組成我國首個(gè)立體測繪衛(wèi)星星座，重訪周期從雙星3 d縮短到三星1 d，可以保證我國高分辨率立體測繪數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定獲取，形成全球領(lǐng)先的業(yè)務(wù)化立體觀測能力。

ZY-3衛(wèi)星工程全面突破了國產(chǎn)衛(wèi)星1∶5萬立體測圖技術(shù)，建立了自主衛(wèi)星的1∶5萬立體測圖技術(shù)體系，填補(bǔ)了我國立體測圖這一領(lǐng)域的空白[18-19]。在軌測試表明，ZY-3 01星圖像分辨率和定位精度指標(biāo)優(yōu)于其他第一代傳輸型測繪衛(wèi)星，達(dá)到當(dāng)時(shí)的世界領(lǐng)先水平[4-5,9,13,14,19-23]。ZY-3 02星的測圖精度與ZY-3 01星總體一致，生產(chǎn)出的數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)格網(wǎng)大小提高到10 m[18]；其激光測高儀載荷的在軌試驗(yàn)探索，有效促進(jìn)了我國空間激光載荷和激光數(shù)據(jù)處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[2]。ZY-3 03星搭載的新型激光測高儀采用雙邊采樣、多閾值可調(diào)、多回波鑒別的體制，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)高程測量，星地測距精度提升為亞米級[15，24]。

ZY-3衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國民用立體測繪衛(wèi)星領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了零的突破[19]，完成了從“從無到有、從有到多”的跨越。衛(wèi)星功能、性能指標(biāo)優(yōu)于同時(shí)期國際同類衛(wèi)星，達(dá)到國際先進(jìn)水平，不僅打破了我國航天立體測繪長期依賴國外遙感數(shù)據(jù)的局面[9,18,23]，并在國際合作中貢獻(xiàn)了中國智慧與中國方案，讓“中國制造”的衛(wèi)星測繪影像進(jìn)軍國際市場[15]，具有重大的意義。

(2) GF-7衛(wèi)星。GF-7衛(wèi)星是中國“十二五”期間“高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)”工程項(xiàng)目之一[2]，于2019年11月3日成功發(fā)射、2020年8月20日投入使用。GF-7衛(wèi)星在ZY-3衛(wèi)星平臺基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)壽命8 a，搭載的兩線陣立體相機(jī)可有效獲取20 km幅寬、優(yōu)于0.8 m分辨率的全色立體影像和3.2 m分辨率的多光譜影像。搭載的兩波束激光測高儀以3 Hz的觀測頻率進(jìn)行對地觀測，地面足印直徑小于30 m，并以高于1 GHz的采樣頻率獲取全波形數(shù)據(jù)。在軌測試結(jié)果表明，GF-7衛(wèi)星各項(xiàng)指標(biāo)均滿足或優(yōu)于衛(wèi)星研制總要求[1,25-27]，能夠滿足1∶1萬比例尺制圖要求[2,28-29]，大幅增強(qiáng)我國獨(dú)立獲取地理空間信息的能力，提升國家測繪地理信息服務(wù)保障水平，在高精度立體測繪、自然資源監(jiān)測等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢，可為城市建設(shè)、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)、生態(tài)環(huán)境、林草管理、防災(zāi)減災(zāi)等方面提供更好的數(shù)據(jù)保障[30]。

作為我國首顆民用亞米級光學(xué)傳輸型立體測繪衛(wèi)星，GF-7衛(wèi)星采用“雙線陣相機(jī)與激光測高儀主被動(dòng)復(fù)合測繪”的模式[2,8,25,31]，突破了亞米級立體測繪相機(jī)技術(shù)[2,32]，實(shí)現(xiàn)了1∶1萬航天立體測圖[25]，標(biāo)志著我國在高精度測繪衛(wèi)星領(lǐng)域又邁上了一個(gè)新臺階，航天測繪水平已經(jīng)在國際上走到了排頭兵的位置[13]，開啟了我國自主大比例尺航天測繪新時(shí)代[8,31]。

(3) 其他主要民用光學(xué)衛(wèi)星。除ZY-3、GF-7衛(wèi)星已實(shí)現(xiàn)立體測圖四星組網(wǎng)之外，截至2021年底，國產(chǎn)民用亞米級分辨率在軌光學(xué)衛(wèi)星還有GF-2、高分多模衛(wèi)星，2 m級分辨率在軌光學(xué)衛(wèi)星中，高分一號(GF-1)及2 m/8 m光學(xué)衛(wèi)星星座(GF-1B/C/D)、高分六號(GF-6)已實(shí)現(xiàn)2 m分辨率光學(xué)衛(wèi)星五星組網(wǎng)，5 m光學(xué)01/02星已實(shí)現(xiàn)高光譜衛(wèi)星雙星組網(wǎng)，也可為衛(wèi)星測繪提供高空間分辨率、高平面精度、高時(shí)間分辨率的地表平面信息來源。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

經(jīng)過10年的在軌運(yùn)行，國產(chǎn)民用光學(xué)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了全球優(yōu)于2.5 m分辨率的光學(xué)衛(wèi)星影像獲取覆蓋面積超過1.5億km2，16 m分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)全球有效覆蓋。全球范圍(陸海)有效立體數(shù)據(jù)覆蓋超過1.28億km2，其中陸地覆蓋率達(dá)到76%。ZY-3衛(wèi)星三星組網(wǎng)后，2 m級立體影像覆蓋能力顯著增強(qiáng)(圖1)，目前共獲取原始數(shù)據(jù)26213軌、近630萬景衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，國內(nèi)陸地區(qū)域年度有效立體數(shù)據(jù)覆蓋率提升至95%，累計(jì)覆蓋率已達(dá)100%，并于2021年底利用ZY-3衛(wèi)星立體影像數(shù)據(jù)完成了全國實(shí)景三維一版圖生產(chǎn)。GF-7自發(fā)射以來，已在軌安全運(yùn)行2年多，獲取了大量亞米級高精度立體影像數(shù)據(jù)。截至2021年底，共獲取原始數(shù)據(jù)4075軌，原始數(shù)據(jù)總量約1.1 PB，形成立體影像29.38萬景對(同景不同傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)為1景對)。基于GF-7衛(wèi)星應(yīng)用基本系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)當(dāng)日拍攝當(dāng)日處理，全球有效立體數(shù)據(jù)覆蓋超3800萬km2，全國有效立體數(shù)據(jù)覆蓋約780萬km2；獲取全球380萬個(gè)有效激光點(diǎn)、全國80萬個(gè)有效激光點(diǎn)。

圖1 資源三號衛(wèi)星各大洲獲取數(shù)據(jù)覆蓋統(tǒng)計(jì)情況(2012—2021年)

2 衛(wèi)星測繪產(chǎn)品體系

2.1 數(shù)據(jù)處理

光學(xué)測繪衛(wèi)星持續(xù)獲取的影像數(shù)據(jù)經(jīng)地面接收系統(tǒng)接收和解碼后，傳輸?shù)较鄳?yīng)的衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和生產(chǎn)，形成不同種類和用途的衛(wèi)星遙感影像產(chǎn)品(圖2)，一定程度上滿足了國內(nèi)外眾多領(lǐng)域的旺盛需求。衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過建設(shè)期，以及持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)和適應(yīng)性改造，逐步形成自動(dòng)化、規(guī)模化、業(yè)務(wù)化、網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)線[33]，保證各類影像產(chǎn)品的持續(xù)生產(chǎn)或按需定制，不斷促進(jìn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量保持穩(wěn)定甚至是得到進(jìn)一步提升，產(chǎn)品種類日益豐富、體系日益完善。

圖2 光學(xué)測繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取與處理流程

2.2 產(chǎn)品體系的建立

作為主要滿足中大比例尺立體測圖應(yīng)用的光學(xué)衛(wèi)星測繪影像產(chǎn)品，其體系劃分為3大類：基礎(chǔ)測繪遙感影像產(chǎn)品、數(shù)字地形產(chǎn)品和專題應(yīng)用產(chǎn)品。各類產(chǎn)品相互關(guān)系如圖3所示。

圖3 光學(xué)測繪衛(wèi)星產(chǎn)品間相互關(guān)系

(1) 基礎(chǔ)測繪遙感影像產(chǎn)品?；A(chǔ)測繪遙感影像產(chǎn)品根據(jù)影像的處理級別和地理定位精度可以分為原始影像(0級)、輻射校正影像產(chǎn)品(1級)、傳感器校正影像產(chǎn)品(2級)、系統(tǒng)幾何糾正影像產(chǎn)品(3級)、幾何精糾正影像產(chǎn)品(4級)、正射糾正影像產(chǎn)品(5級)。

(2) 數(shù)字地形產(chǎn)品。數(shù)字地形產(chǎn)品包括數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字柵格圖(DRG)等。目前，ZY-3衛(wèi)星已完成了全國正射影像產(chǎn)品(表1)和全國數(shù)字表面模型產(chǎn)品(表2)的制作和周期性更新。

表1 ZY-3衛(wèi)星全國數(shù)字正射影像產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

表2 ZY-3衛(wèi)星全國數(shù)字表面模型產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

(3) 專題應(yīng)用產(chǎn)品。以基礎(chǔ)測繪影像產(chǎn)品和數(shù)字地形產(chǎn)品等為主要數(shù)據(jù)源，根據(jù)行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，利用專業(yè)技術(shù)和方法，進(jìn)行信息增強(qiáng)、信息提取、自動(dòng)分類和分析處理等，從而得到一系列服務(wù)于不同領(lǐng)域和不同需求的專題應(yīng)用產(chǎn)品(圖4)，主要包括：植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、地表反射率、表觀反射率、地表坡向、地表坡度、線狀地物提取、海冰覆蓋、葉綠素a濃度、懸浮物濃度、氣溶膠光學(xué)厚度等專題產(chǎn)品和多期專題變化專題產(chǎn)品等。

圖4 ZY-3專題應(yīng)用產(chǎn)品示意圖

3 應(yīng)用情況

經(jīng)過10多年的努力，我國實(shí)現(xiàn)了自主衛(wèi)星測繪“零的突破”和精度的不斷提升，多元化的光學(xué)衛(wèi)星測繪產(chǎn)品在資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)急保障等方面全面替代國外同等分辨率衛(wèi)星影像，成為高分辨率光學(xué)衛(wèi)星業(yè)務(wù)化應(yīng)用的典范。截至2021年底，面向全國各行業(yè)和全球60多個(gè)國家和地區(qū)，累計(jì)提供210萬余景、16.6億多平方千米的數(shù)據(jù)和測繪產(chǎn)品服務(wù)，應(yīng)用成效顯著，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3.1 空間地理信息數(shù)據(jù)快速獲取和持續(xù)更新

(1) 基礎(chǔ)時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)與更新。ZY-3衛(wèi)星自2012年發(fā)射以來，就成為我國1∶5萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新工作的基礎(chǔ)核心數(shù)據(jù)源，有效緩解了長期以來困擾我國的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新數(shù)據(jù)周期長的問題。以國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星影像為主體的自主數(shù)據(jù)源已經(jīng)連續(xù)6年實(shí)現(xiàn)超過97%的有效覆蓋保障，累計(jì)超過12萬景的衛(wèi)星影像成果應(yīng)用于國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新，累計(jì)更新面積近7600萬km2，為我國基礎(chǔ)測繪工作提供了穩(wěn)定、持續(xù)的數(shù)據(jù)保障，促進(jìn)測繪產(chǎn)品的更新周期縮短1/3，基礎(chǔ)地理信息更新能力提高2倍以上[16]，大幅提升了我國光學(xué)遙感影像產(chǎn)品和測繪成果的現(xiàn)勢性和精度。而以GF-7衛(wèi)星為代表的亞米級高分辨率光學(xué)衛(wèi)星為2020年珠峰高程測量、省級1∶1萬比例尺測圖提供了獨(dú)特的立體數(shù)據(jù)，逐步成為地方各級自然資源主管部門開展基礎(chǔ)測繪、加強(qiáng)自然資源管理的重要手段。

(2) 天地圖平臺建設(shè)。自2012年以來，國家地理信息公共服務(wù)平臺—“天地圖”平臺即利用ZY-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)年度有效更新率持續(xù)提升，國內(nèi)區(qū)域所用2 m級衛(wèi)星影像國產(chǎn)化替代率連續(xù)8年達(dá)到99%以上，境外區(qū)域影像國產(chǎn)化替代率逐步提升。國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星持續(xù)保障“天地圖”年度更新，累計(jì)提供了9700萬km2高質(zhì)量衛(wèi)星影像成果，其中國外影像4900萬km2、國內(nèi)影像4800萬km2，實(shí)現(xiàn)了全國自主可控的公共影像服務(wù)年度業(yè)務(wù)化覆蓋和更新，大大提升了社會(huì)公眾對高清晰、高現(xiàn)勢性影像服務(wù)的需求滿足程度，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

(3) 全球地理信息資源建設(shè)與維護(hù)更新。遙感衛(wèi)星具備全球數(shù)據(jù)獲取能力，使得開展全球地理信息資源建設(shè)成為可能，可為“一帶一路”倡議和“走出去”等國家戰(zhàn)略實(shí)施提供自主、權(quán)威、統(tǒng)一、高效的全球高精度地理信息綜合服務(wù)。2017年，國家測繪地理信息局啟動(dòng)全球地理信息資源建設(shè)與維護(hù)更新項(xiàng)目，計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)首次對全球1∶5萬基礎(chǔ)地理信息框架要素的測繪。通過自主科技攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了無地面控制點(diǎn)條件下ZY-3衛(wèi)星影像的處理和高精度絕對定向，優(yōu)于2.5 m立體影像的平面中誤差達(dá)到2～4 m、高程中誤差達(dá)到1～2 m，滿足影像幾何定位精度優(yōu)于1∶5萬比例尺測圖要求，生產(chǎn)成本相對國內(nèi)區(qū)域的傳統(tǒng)測繪生產(chǎn)降低了70%以上[34]。目前，累計(jì)保障實(shí)現(xiàn)全球約1.1億km2的優(yōu)于2.5 m立體影像的獲取，已完成任務(wù)區(qū)域超8000萬km2影像產(chǎn)品的生產(chǎn)和233個(gè)全球重點(diǎn)城市的測圖，并有力地支持了“一帶一路”倡議、國防建設(shè)、東盟信息港建設(shè)和多個(gè)部委及地方省份的相關(guān)應(yīng)用；部分工程成果被東盟/上合組織環(huán)境保護(hù)合作中心以在線影像服務(wù)方式調(diào)用，支持跨國界水體環(huán)境綜合管理決策。

(4) 衛(wèi)星遙感應(yīng)急保障。光學(xué)衛(wèi)星測繪產(chǎn)品生產(chǎn)一般具備常規(guī)和應(yīng)急兩種影像獲取和生產(chǎn)模式，其中，ZY-3衛(wèi)星應(yīng)急測繪模式下最快30 min之內(nèi)完成應(yīng)急拍攝計(jì)劃，應(yīng)用系統(tǒng)保障30景數(shù)據(jù)處理時(shí)間小于24 h[35]。2012年以來，國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星積極參與干旱、洪澇、森林火災(zāi)以及滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急保障工作，在一些群體性、社會(huì)性突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)、事故調(diào)查、事后評估中也發(fā)揮了支撐作用。通過建立災(zāi)害聚焦式連續(xù)觀測、持續(xù)跟蹤的保障機(jī)制，先后在四川汶川、雅安和青海玉樹等特大地震災(zāi)害及新疆塔什庫爾干、四川九寨溝縣等地震災(zāi)害，舟曲特大滑坡泥石流災(zāi)害、金沙江和雅江滑坡導(dǎo)致堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害，云南晉寧、四川木里及西昌、云南香格里拉多地、內(nèi)蒙古大興安嶺等森林火災(zāi)中提供了及時(shí)有效的應(yīng)急保障。緊急安排編程獲取計(jì)劃近千次，獲取的災(zāi)前災(zāi)后影像產(chǎn)品均第一時(shí)間提供給救災(zāi)和支援單位，并向社會(huì)公眾發(fā)布利用衛(wèi)星影像三維立體可視化技術(shù)制作的災(zāi)害遙感解譯圖和三維可視化等監(jiān)測成果(圖5)，直觀顯示了災(zāi)前災(zāi)后對比、災(zāi)中發(fā)展態(tài)勢。

圖5 利用ZY-3立體數(shù)據(jù)生成三維仿真模擬2020年四川西昌森林火災(zāi)災(zāi)前災(zāi)后情況

3.2 自然資源管理

(1) 自然資源調(diào)查與監(jiān)測。自然資源調(diào)查監(jiān)測，是查清我國各類自然資源家底和變化情況的基礎(chǔ)，而衛(wèi)星遙感影像采集獲取和全面覆蓋，是開展各類自然資源調(diào)查監(jiān)測的基礎(chǔ)。

從2017年底開始，第三次全國國土調(diào)查工作就全面使用國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。在時(shí)間緊、任務(wù)重、范圍廣的情況下，國產(chǎn)衛(wèi)星影像實(shí)現(xiàn)了整體保障占比高達(dá)96.22%的重大突破，并在后續(xù)的統(tǒng)一時(shí)點(diǎn)更新工作和年度土地利用變更調(diào)查與遙感監(jiān)測任務(wù)中持續(xù)發(fā)力。國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星影像的保障力度和數(shù)據(jù)質(zhì)量逐步提升，使得國外商業(yè)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)采購比例大幅下降，節(jié)約了大量國家財(cái)政經(jīng)費(fèi)。

為滿足第一次全國地理國情普查數(shù)據(jù)需求，ZY-3衛(wèi)星先后提供了2.3萬余景、累計(jì)覆蓋面積1350萬km2的影像數(shù)據(jù)，全面保障了地理國情普查標(biāo)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)核準(zhǔn)工作的順利開展。自2016年開始，國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星持續(xù)保障常態(tài)化、業(yè)務(wù)化的年度地理國情監(jiān)測，累計(jì)提供衛(wèi)星影像17萬余景，每年均實(shí)現(xiàn)2 m以上任務(wù)區(qū)域95%以上面積的有效覆蓋。

在各項(xiàng)自然資源調(diào)查工作中，光學(xué)衛(wèi)星立體影像產(chǎn)品充分發(fā)揮優(yōu)勢，在地表覆蓋要素的采集、調(diào)查、核實(shí)、分析工作中發(fā)揮了重要作用。在第一次全國地理國情普查試點(diǎn)工作中，利用ZY-3衛(wèi)星立體影像快速生產(chǎn)了我國西部測圖困難地區(qū)約320萬km2、滿足1∶2.5萬比例尺精度的15 m格網(wǎng)尺寸DSM產(chǎn)品，提升我國西部測圖困難地區(qū)的數(shù)字地形產(chǎn)品精度和質(zhì)量，及時(shí)解決了該區(qū)域面臨的原有DEM產(chǎn)品精度無法滿足高分辨率衛(wèi)星影像正射糾正需求等問題。利用ZY-3衛(wèi)星融合影像為地質(zhì)、礦產(chǎn)調(diào)查應(yīng)用提供底圖參考，利用立體影像開展礦區(qū)高精度DSM/DEM制作，累計(jì)為地質(zhì)調(diào)查工作提供衛(wèi)星影像1.5萬余景；連續(xù)5年向林業(yè)和草原系統(tǒng)提供全國衛(wèi)星遙感影像與生產(chǎn)處理技術(shù)服務(wù)，利用ZY-3衛(wèi)星立體影像生產(chǎn)并提供了300萬km2格網(wǎng)間隔15 m的DSM產(chǎn)品，同時(shí)將2 m數(shù)字正射影像制作成影像服務(wù)進(jìn)行即時(shí)發(fā)布，輔助開展年度林地變更調(diào)查、森林資源調(diào)查、濕地資源監(jiān)測、林地衛(wèi)片執(zhí)法檢查、森林資源管理“一張圖”制作等相關(guān)工作，為林業(yè)部門開展全國林業(yè)應(yīng)對氣候變化碳匯計(jì)量和監(jiān)測體系建設(shè)、境外森林資源調(diào)查等業(yè)務(wù)提供支撐[16-17]。

(2) 三維立體自然資源“一張圖”和實(shí)景三維中國建設(shè)。利用ZY-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，首次構(gòu)建了覆蓋全國的“2 m分辨率衛(wèi)星正射影像+10 m分辨率地形格網(wǎng)”的三維立體測繪產(chǎn)品，并逐年進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)多時(shí)相產(chǎn)品的集成，已服務(wù)于基礎(chǔ)測繪、資源管理、土地督察、交通設(shè)施建設(shè)、水利設(shè)施規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)管理及國防等諸多領(lǐng)域。利用GF-7的高分辨率和立體測圖的應(yīng)用優(yōu)勢，面向省級自然資源管理部門提供18.2萬景亞米級立體影像數(shù)據(jù)的服務(wù)，進(jìn)一步為三維立體自然資源“一張圖”和實(shí)景三維中國建設(shè)提供直接有力支撐。

(3) 地方自然資源管理應(yīng)用。自然資源衛(wèi)星遙感云服務(wù)平臺融合了以ZY-3衛(wèi)星為代表的多源、多分辨率、時(shí)效性強(qiáng)的自然資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)和主動(dòng)及時(shí)的創(chuàng)新服務(wù)模式[36]，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在地方各級自然資源管理部門的充分應(yīng)用。從2012年開始，ZY-3衛(wèi)星面向地方各級自然資源管理工作和任務(wù)提供120余萬景影像數(shù)據(jù)；到2019年，數(shù)據(jù)資源逐步通達(dá)全國31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的省級自然資源衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心，累計(jì)超200萬景的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)直接服務(wù)地方自然資源管理業(yè)務(wù)。省級自然資源主管部門在近10年光學(xué)測繪衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，圍繞自身業(yè)務(wù)發(fā)展需求和地方特色，形成了一批可推廣、可落地的典型應(yīng)用和示范服務(wù)，取得了良好的應(yīng)用成效，推動(dòng)ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境與礦山資源遙感監(jiān)測、空間格局變化監(jiān)測、永久基本農(nóng)田占用與補(bǔ)劃、城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤管理、領(lǐng)導(dǎo)干部自然資源資產(chǎn)離任(任中)審計(jì)等特色應(yīng)用，支撐地方自然資源管理。

3.3 國家治理

(1) 服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)。利用ZY-3衛(wèi)星等國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像完成長江經(jīng)濟(jì)帶非法碼頭專項(xiàng)整治衛(wèi)星遙感監(jiān)測(圖6)，為長江經(jīng)濟(jì)帶沿江非法碼頭專項(xiàng)整治工作提供了有力支撐。開展了安徽揚(yáng)子鱷、湖北神農(nóng)架等國家級自然保護(hù)區(qū)遙感監(jiān)測，快速摸清了保護(hù)區(qū)的自然資源要素的變化情況，為保護(hù)區(qū)現(xiàn)場督察執(zhí)法、生態(tài)恢復(fù)與治理提供了基礎(chǔ)地理空間信息支持。

圖6 長江經(jīng)濟(jì)帶沿江非法碼頭專項(xiàng)整治星遙感監(jiān)測成果示例

(2) 服務(wù)于供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。利用ZY-3衛(wèi)星和其他民用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像，對鋼鐵企業(yè)空間分布信息進(jìn)行收集、校準(zhǔn)和分析，并結(jié)合熱紅外衛(wèi)星等多源監(jiān)測手段，對鋼鐵企業(yè)去產(chǎn)能情況進(jìn)行定量評估和定性監(jiān)測，推動(dòng)了政府部門用“數(shù)據(jù)說話、數(shù)據(jù)決策、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)創(chuàng)新”的新型監(jiān)測監(jiān)管手段。在后續(xù)實(shí)施的“基于遙感衛(wèi)星應(yīng)用構(gòu)建政府監(jiān)管服務(wù)平臺建設(shè)項(xiàng)目”建設(shè)中，國產(chǎn)衛(wèi)星持續(xù)發(fā)力，按季度編制全國鋼鐵去產(chǎn)能遙感監(jiān)測分析報(bào)告，為相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)、發(fā)展改革委地條鋼舉報(bào)案件提供數(shù)據(jù)支撐。

(3) 服務(wù)于“放管服”改革。黨的十九屆四中全會(huì)和中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出“賦予省級人民政府更大用地自主權(quán)”后，國務(wù)院高度重視，進(jìn)行專題研究，于2020年3月12日做出《關(guān)于授權(quán)和委托用地審批權(quán)的決定》，將新法規(guī)定可以授權(quán)的兩項(xiàng)審批事項(xiàng)一次性授權(quán)給各省區(qū)市人民政府，同時(shí)，將國務(wù)院仍然保留的審批事項(xiàng)，通過試點(diǎn)的方式，委托給部分省級政府行使。為防止出現(xiàn)“一放就亂”的現(xiàn)象發(fā)生，自然資源部充分運(yùn)用遙感監(jiān)測手段作為技術(shù)保障(圖7)。

圖7 通過衛(wèi)星影像解譯分析2019年度新增建(構(gòu))筑物圖斑對比

3.4 行業(yè)應(yīng)用

(1) 環(huán)境保護(hù)。連續(xù)6年向中國環(huán)境監(jiān)測總站提供全國陸域范圍內(nèi)的以ZY-3為主體的國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及數(shù)字正射影像產(chǎn)品，為國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)提供預(yù)動(dòng)態(tài)圖斑生產(chǎn)和影像服務(wù)即時(shí)發(fā)布等生態(tài)遙感影像處理技術(shù)服務(wù)。

(2) 水利。連續(xù)多年利用ZY-3衛(wèi)星制作正射融合影像和數(shù)字表面模型等產(chǎn)品，服務(wù)于長江、黃河、松遼、海河等7大流域和水利單位開展水利工程檢測、灌溉面積調(diào)查、水利基礎(chǔ)空間庫建設(shè)與更新、災(zāi)情評估本底庫建設(shè)等業(yè)務(wù)應(yīng)用，利用GF-7開展水土保持監(jiān)測與評價(jià)專題產(chǎn)品制作，有效提升了衛(wèi)星測繪影像產(chǎn)品在水利部門的應(yīng)用效能。今后，國產(chǎn)光學(xué)測繪衛(wèi)星將針對支撐智慧水利建設(shè)、河道采砂與岸線管理、調(diào)水工程規(guī)劃與管理、水文監(jiān)測現(xiàn)代化、人為水土流失監(jiān)管等高質(zhì)量應(yīng)用開展有益探索。

(3) 公益訴訟。受中華人民共和國最高人民檢察院委托，依托衛(wèi)星影像統(tǒng)籌獲取、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理、智能化信息提取和變化檢測等技術(shù)手段，持續(xù)開展基于國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的自然資源公益訴訟調(diào)查取證工作(圖8)，利用衛(wèi)星遙感影像配合公益訴訟調(diào)查取證案件數(shù)十件，為我國智能檢務(wù)系統(tǒng)的信息化建設(shè)提供了有力支撐。

圖8 白沙洲非法違建案件調(diào)取ZY-3衛(wèi)星影像資料

(4) 導(dǎo)航服務(wù)。為拓展衛(wèi)星測繪產(chǎn)品助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用，與四維圖新、高德軟件等公司合作，開展路網(wǎng)變化發(fā)現(xiàn)與提取、道路變化率監(jiān)測等技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于ZY-3衛(wèi)星影像機(jī)頂盒服務(wù)的快速路網(wǎng)更新模式創(chuàng)新，形成了基于ZY-3衛(wèi)星立體影像的三維導(dǎo)航地圖產(chǎn)品。通過與導(dǎo)航廠商的多次交流與試驗(yàn)，目前已經(jīng)取得重大突破，相關(guān)產(chǎn)品將為智能駕駛、無人駕駛提供重要數(shù)據(jù)支撐。

3.5 國際合作與交流

圍繞國家“一帶一路”倡議、政府間國際科技創(chuàng)新合作等，利用遙感衛(wèi)星的全球獲取能力，推進(jìn)與境外政府部門、科研院所、應(yīng)用機(jī)構(gòu)之間多層次的合作共享，形成了以點(diǎn)帶面、多點(diǎn)開花、持續(xù)輻射的國際合作應(yīng)用服務(wù)模式，促進(jìn)了一系列雙邊及多邊國際合作的開展和項(xiàng)目落地[37]。全球已有77個(gè)國家和18個(gè)地區(qū)利用ZY-3衛(wèi)星等國產(chǎn)高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和服務(wù)開展了政府公益、科學(xué)研究、資源監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)等方面的多項(xiàng)工作。與英國、奧地利、挪威、泰國、老撾、蒙古國、斯里蘭卡、孟加拉國、肯尼亞、加納、烏干達(dá)、尼泊爾、柬埔寨、委內(nèi)瑞拉、約旦、贊比亞、印度尼西亞、埃及、盧旺達(dá)、秘魯、阿根廷等21個(gè)國家深化ZY-3衛(wèi)星等國產(chǎn)衛(wèi)星在境外的應(yīng)用和國際合作，簽署合作諒解備忘錄及有關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議，通過自然資源衛(wèi)星遙感云服務(wù)平臺持續(xù)推送屬地?cái)?shù)據(jù)，支撐當(dāng)?shù)卣头菭I利性組織對于高分辨率衛(wèi)星影像的應(yīng)用需求[38]。截至2021年，云平臺國際節(jié)點(diǎn)推送總量達(dá)87萬余景ZY-3衛(wèi)星等影像數(shù)據(jù)，半數(shù)以上國家已實(shí)現(xiàn)本土90%以上覆蓋。老撾、尼泊爾、蒙古國、泰國、斯里蘭卡等國家測繪地理信息專業(yè)部門，已將ZY-3衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)應(yīng)用在其國家級工程和項(xiàng)目之中，奧地利等國的科研機(jī)構(gòu)基于ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展科研合作，并積極推廣ZY-3衛(wèi)星在本國的技術(shù)應(yīng)用。

近年來，隨著我國國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)日益獲得合作國家政府的認(rèn)可，ZY-3國際合作取得了突破性進(jìn)展。面向亞太空間合作組織(APSCO)、聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)、聯(lián)合國附屬空間科技教育西亞區(qū)域中心(RCSSTEWA)等3個(gè)國際組織提供5.2萬景ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過地球觀測組織(GEO)向太平洋島國和地區(qū)提供了2600余景高分辨率衛(wèi)星影像和遙感影像圖冊，以衛(wèi)星遙感視角貢獻(xiàn)了中國智慧與中國方案，形成國產(chǎn)光學(xué)測繪衛(wèi)星品牌影響力。

4 結(jié)束語

資源三號、高分系列等國產(chǎn)民用光學(xué)衛(wèi)星作為我國對地觀測衛(wèi)星體系的重要組成和典型代表，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)各行業(yè)發(fā)展和國際交流合作提供了鮮活的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和產(chǎn)品服務(wù)，充分釋放了衛(wèi)星應(yīng)用效能，提升了我國遙感衛(wèi)星的影響力。ZY-3衛(wèi)星和GF-7衛(wèi)星作為我國光學(xué)立體測繪衛(wèi)星的代表，實(shí)現(xiàn)了“從無到精”的歷史性跨越，已逐步構(gòu)建起我國民用光學(xué)衛(wèi)星測繪技術(shù)體系、產(chǎn)品體系和應(yīng)用服務(wù)體系。但是也應(yīng)看到，國產(chǎn)測繪衛(wèi)星還存在衛(wèi)星體系發(fā)展不平衡不充分、衛(wèi)星平臺及傳感器的種類不夠豐富、地面接收站與定標(biāo)場網(wǎng)覆蓋不足等短板[1,11]。

按照《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025年)》，資源三號04星(ZY-3 04)、高分七號02星(GF-7 02)正在開展指標(biāo)論證等工作，有望在“十四五”期間發(fā)射。隨著空基規(guī)劃的逐步落實(shí)、頂層設(shè)計(jì)的日益完善以及關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，我國將構(gòu)建更加完備的高分辨率對地觀測衛(wèi)星體系，將顯著提升我國自然資源立體調(diào)查和監(jiān)測監(jiān)管能力，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)保障，大幅提升測繪產(chǎn)品的應(yīng)用水平和服務(wù)能力[30]。

致謝：特別感謝歐陽斯達(dá)、高欣圓、莫凡、高小明、周平、王光輝等對本文所做的貢獻(xiàn)。