光学遥感

——514104001459鞠乔俊

摘要：遥感卫星在近十年内得到了飞速的发展，无论在国民经济建设、减灾防

灾与地图测绘，以及军事测绘与情报收集等方面都具有十分广阔的应用前景。目前，高分辨率遥感数据已经成为国家基础性、战略性资源，广泛应用于精确制图、城市规划、土地利用、资源管理、环境监测和地理信息服务等领域。本文对高分辨率成像卫星发展，当前国内外的发展进行了分析研究，对其军事应用与民用现状进行了分析，最后对高分辨率成像卫星及其应用的未来发展做了展望。

关键字：高分辨率 遥感卫星 发展 1引言

遥感（Remote sensing）是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术。而遥感器用于探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射特性。遥感卫星的问世，使人类研究地球、认识地球的观点从地面、低空扩展到太空，从而可以对地球进行连续、快速、综合和大面积的详细观测，更全面、更清晰、更深刻地了解地球及其周围环境，对国计民生产生巨大的促进作用。遥感卫星也叫对地观测卫星，有光学成像卫星和雷达成像卫星2种，前者携带可见光、红外和多光谱等遥感器，最大优点是分辨率高；后者携带合成孔径雷达等遥感器，最大优点是可以全天候工作。自1999年美国太空成像公司发射世界首颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS以来，一度披着神秘面纱的高分辨率卫星影像日益为普通百姓所熟悉，而且正在成为人们生活的一部分。目前，几乎任何人或国家都可以购买世界任何地区的商业高分辨率卫星影像，只要点击鼠标，就能在网上浏览所在城市的高分辨率卫星影像。

高分辨率遥感卫星所带来的巨大军事与经济效益，引起全球民用与军事应用领域的高度重视，出现了各国竞相研究开发高分辨率遥感卫星及其应用技术的热潮，在短短的7年内有了飞速的发展，出现了技术不断扩散的发展趋势。高分辨率遥感卫星的不断发展及技术的扩散，既为我们提供了新的机遇，同时也提出了严峻的挑战。新的机遇是可利用的高分辨率卫星影像资源得到了极大的丰富，面

临的挑战是大量公开、不加限制地出售高分辨率卫星影像，对如何有效地保护国家安全利益提出了新的课题。

高分辨率遥感卫星技术的日益成熟与影像数据资源的日益丰富极大地促进了其应用领域的扩展，在军事与民用领域具有十分广阔的应用潜力。

近年来,美国、欧空局、法国、加拿大、日本、印度及俄罗斯等国都在制定本国的空间对地观测发展计划,与此同时,我国通过“十五”、“十一五”和863等国家科技项目,全面推动对地观测领域的技术发展。

2发展背景

约十年前，高分辨率遥感卫星及其影像分析与应用技术都属于涉及国家安全的高度机密，军事部门拥有绝对的管理与使用权，尤其在美苏对抗的冷战时代，高分辨率遥感卫星更是彼此相互进行军事侦察与军事打击目标定位和地形图绘制的主要手段，当时美苏两国几乎垄断了这一技术。

冷战结束后，美国在对全球安全形势与未来国家安全进行评估的基础上，开始研究调整高分辨率遥感卫星有关政策。1994年，美国克林顿总统发布行政命令，解除了对高分辨率遥感技术的控制，允许商业部门进入这一领域，并将扶持美国高分辨率商业卫星工业的发展作为一项重要国策。1999年1米分辨率的 IKONOS 卫星的发射标志着商业高分辨率卫星时代的到来。

2001年9.11事件后，美国相继发动了阿富汗与伊拉克战争，在这两场局部战争中，美军购买了数亿美元的高分辨率商业卫星影像。

鉴于高分辨率商业遥感卫星在现代高技术战争中的重要作用，2003年，美国发布了新的美国商用遥感政策，明确地将商业高分辨率遥感卫星影像纳入到国家影像体系之中，美国政府明文规定各部局要充分利用商业高分辨率卫星影像。美国这一新政策的主要目的是扶持美国商业高分辨率卫星产业，促进这一技术与应用的进一步的发展，以民养军，以获得最大的经济与军事效益。同时，美国的政策也客观上促进了全球高分辨率遥感卫星的发展。

3国内外高分辨遥感卫星的发展现状

3.1 国外发展现状

美国的Landsat卫星是世界上最早的地球资源卫星,Landsat-1于1972年发射,随后在1975年和1978年又相继发射了Landsat-2和Landsat-3。

这三颗卫星上装有返束光导摄像机HRV和多光谱扫描仪MSS,分别有3个和4个谱段,分辨率为80m。Landsat系列卫星在持续对地观测、获取全球变化信息方面起到了关键作用。

法国SPOT系列卫星，成功地为各种相关应用提供遥感数据,在民用对地观测领域占有一席之地。目前,SPOT系列卫星在轨运行的是2、4和5号卫星。SPOT系列卫星的特点主要体现在较高的空间分辨率、具备侧视成像和立体观测能力、星座运行方式和快速回访能力等方面。

加拿大的Radarsat系列是微波遥感在对地观测领域进入实用的重要标志。

德国“陆地合成孔径雷达-X”是民用和商用高分辨率雷达成像卫星，也是世界首个高精度干涉合成孔径雷达卫星系统，分辨率优于1米，现广泛用于农林管理、地质调查、海事监测等。

印度于1988年发射了第一颗遥感卫星IRS-1A，随后又陆续发射了多颗遥感卫星。其中,IRS-P6 (ResourceSat-1)的全色波段分辨率为5.8m，而IRS-P5(CartoSat-1)的全色波段分辨率可达2.5m。

20世纪90年代以来，国外高分辨率遥感航天器技术发展迅速，光学成像卫星的地面像元分辨率已达0.1m，雷达成像卫星的分辨率达到0.3m。美国、法国、俄罗斯、以色列、韩国和印度等多个国家也都已拥有本国独立研制的高分辨率遥感卫星系统；沙特、泰国、马来西亚、阿联酋、阿尔及利亚等国也都通过国际合作的方式发射了自己的高分辨率遥感卫星。美国、欧洲的在轨军用、商用高分辨率遥感卫星主要特点及应用情况如下，主要参数见表1：

表1 国外在轨高分辨率遥感卫星

国家 卫星名称 发射时间 寿命(年) 载荷类型 分辨率(m) 0.3 0.3 0.61 0.41 0.41 美国 美国 美国 美国 美国 Lacrosse-4 Lacrosse-5 2000.8.17 2005.4.30 8 8 7 7 7.25 雷达 雷达 光学 光学 光学 Quickbird-2 2001.10.18 GeoEye-1 Worldview-1 2008.9.6 2007.9.18 美国 法国 法国 法国 Worldview-2 Spot 5 Helios 2A Helios 2B 2009.10.8 2002.5.4 2004.12.18 2009.12.18 7 5 5 5 10 5 5 7 1 光学 光学 光学 光学 雷达 雷达 雷达 光学 光学 0.46 5 0.25 0.25 1 1 1 6.5 2.5 德国 SAR-Lupe 1~5 2006~2008 德国 TerraSAR-X 1 2007.6.15 德国 TanDEM-X 2010.6.21 德国 RapidEye-1~5 2010.6.21 英国 Topsat 2005.10.27 3.2 国内发展现状

CBERS卫星是中国和巴西联合研制的地球资源卫星,其性能指标与SPOT-1和Landsat-4相近。第一颗卫星CBERS-1于1999年10月发射,随后又陆续发射了它的后继星。CBERS卫星CCD传感器的地面分辨率为20m，可满足1：10万比例尺的制图要求；WFI传感器的地面分辨率为256m，可用于大面积的对地观测。

从1970年4月24日我国成功发射第一颗自行研制的“东方红一号”卫星到“十一五”末期，我国已成功发射和即将发射共10余类，近百颗自行研制的卫星。目前，我国已初步形成了气象、海洋、资源等多个系列的遥感卫星体系，遥感卫星发展正由试验阶段进入应用阶段，取得了长足进步。尽管如此，我国在遥感器性能、数据品种等方面与世界先进水平仍存在一定差距。我国主要在轨遥感卫星的应用情况见表2。

表2 我国遥感卫星应用现状

应用领域 资源调查和环境监测 卫星系列 中巴地球资源卫星系列/环ZY-01、ZY-02、 ZY-02B、ZY-02C/ 应用现状 农业、水利、生态环境建设、环境 保护、可持续发展、资源调查等 境系列 HJ-1A、HJ-1B 气象观测 风云系列 FY-1、FY-2、FY-3 天气预报和气象研究、国土资源调 查、农业规划和作物估产、环境监 测与保护、灾害监测与救援等 海洋遥感 海洋系列 HY-1、HY-2 海洋生物资源开发利用、河口海湾 及航道监测与治理、海洋污染监测 与防治、海岸带监测及全球环境变 化研究与资源开发等 精确空间 摄影测量 资源三号系列 ZY-3 测绘地球的二维和三维地图 近年，我国也在积极研制高分辨率遥感卫星。例如，2012年4月18日，我国首颗民用宽幅带、高空间分辨率遥感卫星——资源一号02C星正式在轨交付给国土资源部；2012年7月30日，我国首颗高精度民用立体测绘卫星资源三号正式投入使用；2012年9月29日，我国为委内瑞拉研制的委内瑞拉遥感卫星1号上天，这是我国首次向国际用户提供遥感卫星整星出口和在轨交付服务。

不远的将来，我国将发射更先进的资源一号03星、04星。此外，我国重力卫星、雷达卫星和资源三号后续卫星研制也已列入相关计划，以实现各种气候条件下的地理信息获取，为国家基础测绘提供稳定可靠的卫星数据源保障。

4高分辨遥感卫星的应用

高分辨率遥感卫星在军用和民用方面都有广泛的用途。从原理上讲，军用遥感卫星与民用遥感卫星大同小异，主要差别是在使用的谱段和对地面分辨率的要求不同。军用遥感卫星主要在可见光或近红外谱段成像，分辨率优于1米，因此，军用遥感卫星大部分都是高分辨率卫星，只有少数用于普查的军用遥感卫星因运行轨道较高，以便提高时间分辨率，但空间分辨率会稍低。一般来讲，分辨率约2米的民用遥感卫星可称为民用高分辨率遥感卫星。民用遥感卫星主要在多光谱成像，以便识别地面各种特征，其分辨率有高有低。

目前，商业高分辨率卫星影像的最大用户仍然是军事与政府部门。美军相关法规规定，美军事测绘管理机构——国家地理空间情报局（NGA）统一负责全军商业卫星影像的购买、处理、开发与分发任务。NGA 购买的商业高分辨率卫星影像主要用于情报分析研究，以及平时基础测绘数据与战时面向任务数据的生产，以弥补军事卫星影像资源的不足。

从2000年至今，NGA已耗资数十亿美元购买商业高分辨率卫星影像。仅在 2003年9月与2004年9月，NGA 就分别与数字全球和轨道影像公司签署了4年价值达10亿美元的购买QUICKBIRD与ORBVIEW高分辨率卫星影像的合同。美国政府在资金与政策上的大力支持极大地促进了美国高分辨率遥感卫星产业的发展。

近几年，由于高分辨率卫星影像资源的日益丰富，影像的获取更加便捷，使得高分辨率遥感卫星影像在民用领域的应用有了飞速的发展，除传统的测绘应用外，新的应用领域不断扩展，如在城市规划、道路建设以及旅游等领域都有了新的发展。

5未来的发展趋势

可以肯定的是，未来世界各国在高分辨率遥感卫星领域的竞争将日趋激烈，将有更多的高分辨率卫星发射入轨，可以利用的高分辨率卫星影像资源也将越来越丰富。与此同时，人们也对卫星的性能和要求也越来越高。 5.1 提高空间分辨率

空间分辨率一直是对地观测卫星特别是军事侦察卫星的主要指标。回顾历史，自从人类发射第一颗遥感卫星以来，在过去的几十年中，遥感卫星的空间分辨率不断提高。提高空间分辨率无疑将提升对地面小尺寸目标的识别能力。发展高分辨率卫星对于国家安全至关重要。因此，我国应加速高分辨率卫星的研制工作，保持我国在侦察卫星领域的上游位置。 5.2 提升时间分辨率

在当前的遥感卫星观测任务中，大多数观测目标都是动态变化的，具有很强的时效性，因而需要不断提高遥感卫星观测的时间分辨率。采用多颗卫星组网是目前提高时间分辨率最有效的方法之一，它将采用单星模式工作的卫星按照一定

的相位要求布放，形成多星工作模式，可对目标进行不间断观测，提高全球覆盖能力，缩短数据更新时间。 5.3 全天时、全天候成像能力

目前，美国、俄罗斯、法国等侦察卫星大国都在拥有高分辨率侦察卫星的同时，积极发展全天时、全天候成像能力。有报道称美国某光学卫星的红外分辨率优于1m、德国某SAR卫星地面分辨率达到1m。我国也应及早实现高分辨率红外、SAR成像能力，实现全天时、全天候探测。 5.4 提高卫星的敏捷性

国外的新一代卫星系统都在卫星设计上强调姿态机动能力。高敏捷性可使卫星的观测范围增大、重访时间缩短，并且能实现单轨立体成像。高敏捷性结合高速成像器件还能大幅提高卫星的图像采集量。美国的商用高分辨率卫星目前及未来最大的用户是情报机构和军方，在发展更新换代的卫星系统时都着重强调了卫星的敏捷性，充分体现了该能力对军事及国防应用的重要性，以及现有卫星系统在这方面能力的不足。

6 结论

在近半个世纪的发展进程中,高分辨率遥感卫星从最初的胶片返回式卫星,发展到目前的传输型卫星;从框幅式相机,发展到现在的单线阵、双线阵甚至三线阵CCD相机;民用卫星空间分辨率从上百米,提高到当前0.41米,时间分辨率和光谱分辨率也不断提高。

高分辨率遥感卫星对于加快我国空间信息与应用技术发展，提升自主创新能力、强化应用效能，建设中国高分辨率对地观测系统，满足国民经济建设、社会发展和国家安全需要具有重要战略意义。

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