中國遙感衛星系統災害監測能力研究

黃宇民 范一大 馬駿 侯宇葵 蒙靜

（1 國防科學技術大學，長沙 410073）（2 錢學森空間技術實驗室，北京 100094）（3 民政部國家減災中心，北京 100124）（4 中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

中國地域遼闊，氣候、地形環境復雜，處于多個地質板塊交匯處，是地震、臺風、洪水、干旱、冰雪、森林（草原）火災、泥石流、滑坡、農林病蟲害、海洋災害等多種自然災害頻發地區。中國70%以上的大城市，50%以上的人口，75%以上的工農業產值分布在災害風險區，是世界上自然災害最為嚴重的國家之一。中國自然災害特點為：災害種類多、分布地域廣、發生頻率高、區域性季節性強、造成損失重，自然災害已經成為影響中國經濟發展和社會安全的重要因素。

隨著空間技術的不斷發展，空間系統在災害監測、減災方面的應用越來越受到人們的重視，并展現出了它巨大的應用潛力，并逐漸成為人類對抗各種自然和人為災害的有效手段，而遙感衛星系統是應用于災害監測、減災方面的最主要空間系統［1］。

遙感衛星系統是用于觀測地球及其大氣層的人造地球衛星系統的總稱，中國目前雖已有氣象衛星系列、海洋衛星系列、資源衛星系列、環境減災衛星系列等遙感衛星系統，但受目前的技術基礎限制，這些系統還只能獲得中等或較高分辨率的對地觀測數據，有效載荷種類也存在缺項，尚未形成完整的遙感衛星系統體系，造成系統能力配置的不足；同時，由于中國的對地遙感衛星系統建設采用部門所有制，這些已有的遙感衛星系統在能力配置、載荷搭配等方面，在國家層面的統籌規劃和能力配置不足，造成在某些方面存在能力配置的缺失，而在某些方面還存在能力配置的優化問題［2-5］。

本文針對中國面臨的主要九類自然災害的空間監測需求，繪出這九類自然災害在時間分辨率軸和空間分辨率軸上的二維分布圖；同時，以這兩個維度為基準，在圖上定位我國已在軌運行的遙感衛星，繪制其能力包線；研究分析對這些自然災害的監測能力；依據災害監測的要求，分析配置中國未來發展的遙感衛星系統對這些自然災害的監測能力包線，并據此提出了相應的系統發展建議。

2 需求分析

由于災害與環境的多樣性與復雜性，不同的災害和環境監測與預報的對象對衛星遙感能力的需求不盡相同，但總的來說對時間分辨率、光譜譜段、空間分辨率和全天候、全天時觀測的能力都有較高要求，結合上述需求，中國的主要災害種類空間監測的時間分辨率和空間分辨率的需求分布如圖1所示［6-8］。

圖1中，深色的部分表示災害事件正在發生時的空間遙感的需求；淺色部分表示災害發生后續影響的空間遙感的需求（注：本文中只考慮可見光（含紅外）的空間遙感，未考慮SAR 的情況）。

從圖1中可以看出，在中國主要災害的空間遙感監測需求中，對臺風、冰雪災害、干旱、森林／草原火災、洪水和病蟲害及其后續影響都基本屬于中低分辨率的空間遙感監測需求，而山洪、地震和地質災害等屬于高分辨率空間遙感監測需求；山洪、地震和地質災害的發生時的遙感監測同時需要高空間分辨率、高時間分辨率，而其災后的影響，需要高空間分辨率和中低時間分辨率的遙感監測需求。

圖1 主要種類災害對空間遙感的需求分布Fig.1 Requirements for the space remote sensor of disaster monitoring

3 中國遙感衛星系統的發展現狀

從20世紀80年代開始，中國一直將空間遙感技術的發展與應用列為國家科技攻關重大項目，已經初步建成了氣象、資源、海洋和環境減災等系列衛星，初步具備了一定的空間災害監測能力。其中，氣象衛星建成了高（地球靜止軌道）、低（太陽同步軌道）搭配運行的完整體系，相關衛星列入了世界氣象組織“全球氣象衛星觀測網”，成為值班系統的組成部分；高分一號衛星正式成為“空間與重大災害國際憲章”的中方憲章值班衛星；為國際空間災害監測作出了重要貢獻。

3.1 發展概況

目前，我國正在接收數據的業務遙感衛星有4類9顆，試驗衛星有2類4顆，如表1所示［9-11］。因高分2號衛星于2014年8月19日發射，目前僅知其空間分辨率優于1m，幅寬為45km，沒有其它的公開軌道參數，故本文研究未涉及高分2號衛星。

表1 中國的遙感衛星系列Table 1 Actuality of the Chinese remote satellite system

3.2 主要衛星系統性能

中國正在接收數據的遙感衛星主要性能如表2所示［12-13］。

表2 中國遙感衛星系統的主要性能Table 2 Capability of Chinese remote satellite system

3.3 中國遙感衛星系統空間災害監測能力分析

依據表2，以時間分辨率和空間分辨率這兩個維度為基準，在圖1的相應的位置上分別填上這些正在工作衛星，用幾條曲線分別擬合連接起來（實線和虛線），如圖2所示，即繪出我國遙感衛星系統對自然災害的監測能力包線。

圖2中，定義曲線的右側（曲線的方向為逆時針方向）為系統能力滿足區，我國目前的遙感衛星系統可以滿足此區域內的空間災害監測的需求。曲線的左側為能力不滿足區域，說明我國目前的遙感衛星系統尚不能滿足此區域中空間災害監測的需求。

依照時間順序，在圖2中分別用實線、虛線、點虛線，擬合出了中國遙感衛星系統的空間災害監測能力的三個發展階段。

實線是資源1號02B 衛星發射后（2007年，資源1號02C衛星是接替02B 衛星的），我國的衛星遙感系統能力包線示意，自此，我國的衛星遙感系統具備了滿足對雪災、干旱、臺風（熱帶氣旋）、森林／草原火災的部分空間災害監視的應用需求。

虛線是隨著我國的“環境減災”衛星的發射入軌后（2008年）的國家空間災害監測能力包線示意，可見我國的國家空間災害監測能力在中分辨率應用能力上有了很大的提高。

點虛線是高分1號衛星發射入軌后（2013年）的國家空間災害監測能力包線示意，高分1號為我國第一顆高分辨率遙感衛星。

圖2 中國遙感衛星系統空間災害監測能力包線Fig.2 Enveloping curve of ability of CRSS for disaster monitoring

4 未來發展設想

依據圖1和表2，在圖2中提出了我國遙感衛星系統基于空間分辨率和時間分辨率的對主要自然災害的監測能力包線的概念，用以整體表征我國遙感衛星系統對主要自然災害的監測能力。未來的能力發展設想，就是基于這個概念，以全面滿足對主要自然災害監測的能力包線為基礎，提出我國遙感衛星系統的能力配置。由于這一能力配置要求超出了我國目前可以預見的技術、經濟能力，因此，又提出了基于體系能力分配的發展設想。

4.1 目前的能力分析

由圖2中可以看出，目前我國的國家空間災害監測能力存在著很大的能力缺項，不完全具備對地震、地質災害、山洪、洪澇災害的空間災害監測能力，這方面是未來我國國家空間災害監測能力建設的重點。

目前，我國的遙感衛星系統的載荷主要為光學（含紅外等）載荷，從我國國家空間災害監測能力全天時、全天候的工作要求來看，目前的全天候的工作能力嚴重不足。因此，發展SAR 空間災害監測能力也是未來我國國家空間災害監測能力建設的重點之一。

因此，未來我國國家空間災害監測能力建設一方面要提高遙感衛星系統的時間分辨率，另一方面也要提高空間分辨率；此外，還需要發展SAR 空間災害監測能力。

4.2 遙感衛星系統的特性

在目前的遙感衛星系統中，GEO／MEO（地球靜止軌道／中軌道）系統因其衛星軌道較高，觀測范圍大，時間分辨率相對較高，但空間分辨率相對較低；LEO（低軌道）衛星系統的軌道較低，空間分辨率較高，但因其軌道較低，時間分辨率較低。簡單地提高衛星系統軌道高度，可以提高衛星觀測范圍，提高時間分辨率，但降低了衛星的空間分辨率，使高分辨率的衛星遙感無法實現；而簡單地降低衛星系統軌道高度，可以提高衛星的空間分辨率，縮小了衛星的觀測范圍，降低了時間分辨率。

解決這一矛盾的技術途徑主要有：

（1）發展多星座組網的、高分辨率的低軌遙感衛星星座系統，實現高時間分辨率的時間覆蓋；

（2）突破中高軌米級分辨率遙感技術，發展中高軌道的米級分辨率的遙感衛星系統，實現高時間分辨率的區域監視；

（3）發展各個軌道的SAR 遙感衛星系統，實現全天候的工作要求。

4.3 未來能力配置設想

圖3的能力包線示意圖展示了滿足對這九類重大自然災害的全天時、全天候的空間監測能力的配置。理論上，理想的我國遙感衛星系統對九大自然災害的監測能力包線應該由圖3中的紅實線所示，即：中高軌道衛星配置應達到米級，具備實時連續或準連續的監測能力；中低軌道衛星配置應達到優于0.4m，時間分辨率達到小時級以上。因此，發展優于0.5m的高分辨率來滿足對主要災害的空間監測需求，是我國遙感衛星系統未來發展的一項緊迫任務。

圖3 未來中國遙感衛星系統對自然災害的監測能力配置Fig.3 Designing of disaster monitoring ability for future CRSS

從圖3中可以看出，如果我國完全依賴遙感衛星系統滿足對九大主要災害的空間監測需求，以我國目前的技術、經濟水平，在可見的未來10～15年內（除非出現一個全新的、“顛覆性”的（指全新成像機理）遙感技術），我國的中高軌道遙感衛星不可能達到米級空間分辨率。同時，低軌衛星要達到小時級以上的時間分辨率需要數十顆衛星才能實現。因此，依據實線的配置要求，我國的遙感衛星系統在系統規模、技術水平上必須實現極大的提高，這是我國目前的經濟、科技水平所不能承受的。

較為合理的方法是，針對這些需求用相對經濟、合理的系統和手段分別予以滿足。如：臺風、冰雪災害、干旱、森林／草原火災、洪水和病蟲害及其后續影響等空間范圍大、持續時間長的中低分辨率的空間監測需求，可以通過我國遙感衛星系統的能力發展予以滿足；而山洪、地震和地質災害等空間范圍相對較小、發生時間過程短的高空間分辨率和高時間分辨率的空間監測需求，則可以通過空基、近空間飛行器結合遙感衛星系統予以滿足。

綜上所述，在可見的未來10～15年內，中國未來的對地觀測系統的空間災害監測能力應采用圖3中的紅虛線所示配置。

依據圖3中的紅虛線的能力配置，我們提出其中的一種系統配置建議：

（1）LEO 衛星配置優于0.5m 空間分辨率、1d時間分辨率的衛星星座系統；

（2）GEO 衛星配置20m 空間分辨率、10min時間分辨率的系統，以實現對區域目標的持續監視；

（3）MEO 衛星配置優于10m 空間分辨率、6h時間分辨率的星座系統，以實現對區域目標的接力持續監視；

（4）在MEO、LEO 配置相對應要求的寬幅SAR 衛星星座，以滿足全天時、全天候的工作要求。

5 結論

我國的空間災害監測系統是一個綜合空間遙感體系，必須由一個高（GEO）、中（MEO）、低（LEO）軌配置、能力綜合分布的、滿足對我國主要災害空間遙感觀測要求的對地觀測衛星體系和空基／近空間遙感系統組成一體化、綜合系統，各個系統任務合理分工，協同工作。我國必須發展高分辨率空間遙感技術，其中，未來的十年內，在GEO 系統中必須發展優于20m 的空間分辨率的遙感技術；而LEO 系統必須發展優于0.5m 的空間分辨率的遙感技術，才能滿足對我國主要災害的空間遙感觀測要求。我國空間災害監測系統必須具有足夠規模，以保證時間分辨率要求；其中，GEO 衛星系統未來發展具有凝視功能的遙感技術；LEO 衛星系統必須是多星星座組網工作模式，系統時間分辨率小于天的量級。中軌空間遙感系統是我國未來對地觀測衛星體系中的重要組成部分，它在空間分辨率和時間分辨率上有其獨特的優勢，因此，必須開發MEO、10 m 以下空間分辨率的遙感技術，且采用多星星座組網工作模式，系統時間分辨率小于6h量級，可以極大提高我國空間遙感系統對災害的應急響應能力。SAR 衛星系統必不可少，如要達到全天時、全天候的對我國主要災害的空間遙感觀測要求，必須開發MEO、LEO 的寬幅SAR 成像遙感衛星星座系統。

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