历经数十年的发展, 遥感卫星在资源、气象、海洋及环境减灾等领域已形成成熟的观测体系。从第一颗遥感卫星发射以来, 世界各国均在不断地改善各项技术指标以提高卫星的空间对地探测能力。1960年美国发射第一颗气象卫星TIROS-1, 标志着遥感气象卫星发展的开始; 20世纪70年代初, 地球资源卫星开始发展, 第一代陆地卫星Landsat1— Landsat3问世, 随后美国又陆续发射了Landsat4— Landsat8^[9]; 1999年后, 资源卫星分辨率进入米(m)级时代, 以IKONOS, SPOT, OrbView, IRS, ALOS及RapidEye等为代表的陆地资源卫星迅速发展; 2001年后, 以QuickBird为典型代表的高分辨率资源卫星发射, 标志着商用陆地资源遥感卫星进入分米(dm)级时代。20世纪80年代末, 雷达遥感卫星迅速发展, 主要有欧空局ERS、美国SIR-C/X-SAR、加拿大RadarSat、德国TerraSAR及日本JERS等, 民用雷达卫星的投入使用令人们在各个应用领域获取到了比传统可见光遥感更为详尽的地物信息^{[10, 11, 12]}; 从1960年开始, 海洋卫星逐步研发, 美国于1978年发射了世界上第一颗海洋动力环境卫星SeaSat。遥感卫星的快速发展, 为人们在各应用领域提供了丰富的数据源, 使得诸多项目及科学研究更具有真实性、方向性和科学性。

我国航天事业历经40多年的发展, 在空间技术、空间应用和空间发展等领域飞速进步^[13]。1988年风云一号(FY-1)发射成功, 标志着国产遥感气象卫星发展的开始; 1999— 2007年, 中巴地球资源系列卫星相继发射, 改变了国外高分辨率卫星数据长期垄断国内市场的局面^[14]; 2010年中国首颗传输型立体测绘卫星天绘一号(Mapping Satellite-1, 简称MS-1或TH-1)成功发射, 实现了中国传输型立体测绘卫星零的突破; 2011年, 成功发射高分辨率业务卫星ZY-1 02C; 2012年成功发射我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测图卫星ZY-3; 2013年成功发射GF-1遥感卫星, 突破了高空间分辨率、多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感等关键技术, 国产陆地资源卫星的发展又迈上了新的台阶。我国雷达卫星是在新中国成立后根据国防建设的需要逐步形成和发展起来的, 2012年环境一号C星(HJ-1C)民用雷达有效载荷首次成像, 成功获取了雷达图像。20世纪80年代, 我国开始重视海洋遥感卫星事业的发展, 2002年发射了第一颗专用卫星海洋一号(HY-1); 2011年我国第一颗海洋动力环境卫星(HY-2)发射成功。国产民用卫星的成功发射与应用, 展现了我国卫星产业较为成熟的技术和良性发展的态势, 国产民用卫星有能力为我国经济社会发展提供真实和高效的影像数据。

分析评价的技术流程如图1所示。首先, 利用获取的国内外卫星资料提取卫星类型、波段覆盖范围、空间分辨率和卫星应用领域4个层面的信息, 并将每一量化标准设置更加详细的对比内容和定量指标; 然后, 根据各项对比指标进行评估与分析, 从量化数据中提取国内外遥感卫星相关信息, 发掘国内外卫星在数据提供能力、信息获取能力和应用效果方面的异同, 最终得出相关结论。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 定量化对比分析与评估技术流程Fig.1 Flow chart of quantitative analysis and evaluation

2.2.1 卫星类型

为了整体把握国内外各种类型遥感卫星的研发程度和发射状况, 本文引入某类卫星数量(n)与卫星总数量(N)的比值(R)来定量评价国内外所发射卫星类别的均衡程度, 以便更好地反映某类卫星的优势程度, R计算公式为

R=n/N× 100% 。 (1)

2.2.2 波段覆盖范围

1)波段覆盖度(B_c)。为了衡量国内外遥感卫星在波段设置上的差异, 从广度层面对卫星传感器的波段设置进行评估量化。统计了目前国产民用卫星和国外主要商业卫星可利用波段的覆盖情况, 通过比例参数表现波段覆盖的范围大小, 利用

B_c=|B₂-B₁|/|B₀|× 100%(2)

计算波段覆盖度B_c。式中: B₁和B₂分别指卫星能够覆盖波谱范围的始末的波长; B₀指紫外、可见光、红外、热红外或微波波谱范围的中心波长。由于同一类型的波段在相应的范围内单位相同, 故本文忽略波段单位, 且公式中的绝对值表示波谱范围的距离大小。

2)波谱指数(B_ρ )。由于所涉及波段范围的卫星发射数量不同, 反映出的波段设置技术水平和提供该波段探测支持的能力强弱也有所不同, 因此利用卫星波谱指数的概念, 从深度层面进一步分析国内外商业遥感卫星波段设置方面的应用价值。卫星波谱指数B_ρ 表示为

B_ρ =B_i· Bci, (3)

式中: B_i指能够探测的i波段范围遥感卫星的数量; Bci指卫星在i探测波段的覆盖度。

2.2.3 空间分辨率

空间分辨率的精细化水平直接影响遥感影像的信息提取程度。随着空间对地观测技术的日益提高, 卫星空间分辨率的技术要求也逐步深化, 高清晰程度的遥感卫星影像是现在和未来努力追求的目标, 超高分辨率卫星的拥有程度也是衡量其应用价值的标准。本文设置空间分辨率优于2.5 m的卫星比例参数(R_{≤ 2.5})用以提供分析依据, 即

R_{≤ 2.5}=n'/N'× 100% , (4)

式中: n'指优于2.5 m(包括2.5 m)分辨率的遥感卫星数量; N'指卫星总数。

2.2.4 应用水平

为了更好地掌握国产民用卫星和国外主要商用卫星的应用能力, 设置卫星应用对比指数进行评估。令各领域可应用的卫星数量为U_j, 国内知名检索平台“ 中国知网(CNKI)” 中文献数量为U_CNKI, 将文献数量与卫星数量作比, 求出平均每颗卫星涉及的文献数量, 从而体现目前卫星的应用水平U_Y(CNKI), 即

U_Y(CNKI)=U_CNKI/U_j 。 (5)

国内外各类型卫星的数量和所占比例的统计数据如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 卫星类型对比 Tab.1 Comparison of satellite type 卫星类型 气象卫星 资源卫星 海洋卫星 雷达卫星 卫星总数 数量 比例/% 数量 比例/% 数量 比例/% 数量 比例/% 国产民用卫星 2 20 5 50 2 20 1 10 10 国外主要商业卫星 3 12 14 56 2 8 6 24 25

表1 卫星类型对比 Tab.1 Comparison of satellite type

由表1可以看出, 我国在遥感卫星类型设计方面与国外类似, 均包含了气象、资源、海洋和环境减灾卫星(为便于分析, 本文以具有成像雷达载荷的卫星作代表)4类, 在一定程度上说明我国民用卫星有能力为本国用户在不同应用领域提供各种类型的数据支持。但从所发射的数量来看, 我国民用卫星的研发程度弱于国外, 其中, 资源卫星和雷达卫星与国外差距较大, 国外雷达卫星的发射数量是我国的6倍; 气象卫星和海洋卫星的发射数量与国外基本相当。在我国发射的4类卫星中, 比例最大的为资源卫星(50%), 气象卫星和海洋卫星比例相同(均为20%), 但雷达卫星研发的数量甚少(10%), 表明我国在雷达应用技术层面存在较大不足, 雷达数据依旧需要依赖国外卫星支撑。

对于遥感卫星的评估, 其探测器可提供的波谱范围是重要的评价指标。现以波长λ 为横坐标, 设计国内外卫星波段覆盖范围对比图(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 卫星波段对比图Fig.2 Band contrast of satellite

通过统计波段覆盖范围和卫星数量, 得到波段覆盖度B_c、波谱指数B_ρ 和独有波段B_s。国产与国外商业遥感卫星不同波段范围的上述3个评价指标如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 卫星波谱评价表 Tab.2 Spectrum evaluation of satellite 波段 国产民用卫星 国外商业卫星 波段覆盖度Bc/% 波谱指数Bρ 独有波段Bs 波段覆盖度Bc/% 波谱指数Bρ 独有波段Bs 紫外 54.05 0.54 0.16~0.25 μ m 35.14 0.35 0.36~0.38 μ m 可见光 94.21 7.54 — 94.21 14.13 — 红外 61.83 3.71 — 72.31 10.85 4~4.549 μ m 热红外 68.89 1.38 6.3~6.535 μ m 87.22 3.49 12.5~14.385 μ m 微波 8.76 0.09 25~30 mm 24.52 1.17 30~50 mm 150~300 mm

表2 卫星波谱评价表 Tab.2 Spectrum evaluation of satellite

由图2和表2可以看出, 国产与国外主要商业遥感卫星均涵盖了紫外、可见光、红外、热红外和微波波段。从波段覆盖度B_c可知, 国内外遥感卫星的可见光波段设置技术较为成熟, 该波段的卫星数量最多且波段覆盖范围最大, 国产民用卫星和国外主要商业卫星的覆盖度均达到94.21%; 对比波谱指数B_ρ 发现, 国产卫星为7.54, 远小于国外的14.13, 说明我国的卫星发射程度不及国外, 使得国产民用卫星在应用方面受到一定限制; 国产卫星微波波段的设置明显落后于国外水平, 覆盖度只达到8.76%, 而国外卫星微波波段覆盖度达到了24.52%, 远远超过我国。国产民用微波卫星波段指数为0.09, 而国外为1.17, 说明我国虽然能够利用微波进行探测, 但卫星数量极少, 应用波段范围较窄, 空间分辨率等技术指标未能达到国际领先水平; 国外雷达遥感卫星数量颇多, 性能较高, 空间分辨率可达m级, 已在全世界范围内广泛应用。国产民用卫星在波段设置方面有优势, 具有独有波段, 能够填补国际遥感卫星波段设置方面的空白, 例如紫外波段的0.16~0.25 μ m, 热红外波段的6.3~6.535 μ m, 微波波段的25~30 mm。因此我国应发扬优势, 完善不足。

空间分辨率是遥感卫星最重要的参数之一。空间分辨率不同, 对于识别影像上地物信息的能力也就不同^[15]。本文对国产民用卫星和国外主要商业卫星的空间分辨率进行统计分析, 其结果见表3。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 卫星空间分辨率对比 Tab.3 Comparison of satellite spatial resolution 分辨率级别 国产民用卫星 国外主要商业卫星 各级别卫星数量 优于2.5 m卫星数量 R≤ 2.5比例 各级别卫星数量 优于2.5 m卫星数量 R≤ 2.5比例 万m级 1 0 1 0 km级 3 0 3 0 hm级 3 0 1 0 dam级 2 0 33.33% 9 0 39.29% m级 6 5 10 7 dm级 0 0 4 4 卫星总数 15 5 28 11

表3 卫星空间分辨率对比 Tab.3 Comparison of satellite spatial resolution

由表3可以看出, 对于中级以上空间分辨率(分辨率dam级以上), 我国卫星多集中于dam级和m级, 在超高空间分辨率影像的获取上与国外有一定的差距。在我国现有的遥感卫星中, 缺少dm级分辨率的卫星, 这将是未来我国卫星产业需要着重完善与发展的技术层面。

为了进一步分析目前国产民用卫星和国外主要商业卫星在应用能力和水平上的差异, 本文采用已经发布的研究成果(即文献数量)作为量化标准进行对比评估。统一采用“ 主题(应用领域); 标题(卫星名称)” 的形式进行查询。由于国内外卫星首次发射时间不同, 国产卫星与国外卫星相比起步较晚, 故将我国民用卫星最早发射时间作为时间起点, 即以1988— 2014为时间跨度进行文献数量查询。虽然检索结果有一定的误差, 但查找的文献数量也能够说明一定的问题。统计结果见表4。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 卫星应用领域对比 Tab.4 Comparison of satellite application field 应用 领域 国产民用卫星 国外主要商业卫星 UCNKI UY(CNKI) Uj UCNKI UY(CNKI) Uj 地质 32 8.00 4 336 30.55 11 林业 7 3.50 2 96 7.38 13 农业 29 7.25 4 260 18.57 14 环境 132 18.86 7 687 42.94 16 水利 4 1.33 3 18 1.38 13 测绘 113 28.25 4 81 5.06 16 海洋 47 7.83 6 223 15.93 14 气候 11 2.20 5 429 28.60 15 文献合计 375 2 130

表4 卫星应用领域对比 Tab.4 Comparison of satellite application field

由表4可以看出, 国内外遥感卫星均可应用于多种研究领域, 但相比国外主要商业卫星, 国产民用卫星的可供选择数量较少。CNKI检索平台的检索结果表明, 应用国外主要商业卫星的研究成果比应用国产民用卫星的高出5倍。在每一研究领域中, 单颗卫星的应用率均低于国外卫星; 但对于国际重点应用领域, 如环境遥感和测绘, 国产民用卫星也占有较高比重, 说明国产民用卫星虽起步较晚, 但有能力应用于各热门领域。上述文献数量的巨大差距表明, 国产民用卫星的技术水平及应用能力与国外主要商业卫星相比依然存在较大差距, 目前国内外的研究者依旧较多采用国外遥感数据。目前我国国产民用卫星多用于支撑我国的土地调查、国土资源遥感监测等领域。为了能够使国产民用卫星较为独立地在各领域发挥作用, 我国应努力研发更多可用卫星, 为我国各应用领域提供更加有利的技术支撑。