高分卫星能看见什么？
吴月辉
这是高分一号卫星拍摄的位于甘肃酒泉敦煌市附近不同类型和不同年代形成的戈壁滩，层次分明。扇状洪积物特别明显，白色区域是盐碱地，酷似“水母”须的位置是水流形成的冲积沟。
国防科工局供图
8月10日，中国山西太原卫星发射中心，长征四号运载火箭成功将高分三号卫星送入预定轨道。至此，继高分一号、高分二号以及高分四号等卫星之后，我国高分专项工程又添一员得力干将。它的顺利升空，使得高分系统在高空间分辨率与高时间分辨率上实现了更加有机的结合。
什么是高分专项工程？这些不同型号的高分卫星有啥区别，它们各自又有哪些看家本领？给我们生活都带来了哪些改变？
高分一号一眼下去覆盖800公里，高分二号能分辨出地面小轿车是两厢还是三厢
高分三号卫星所在的高分家族，也就是高分专项工程，是指高分辨率对地观测系统工程，是国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》中确定的重大专项之一，也被称为“天眼”工程。
国防科工局重大专项工程中心主任、高分专项工程总师童旭东说：“这项工程的目标就是要通过系列高分辨率卫星的发射，到2020年使我国形成全天候、全天时、全球覆盖的陆地、大气、海洋对地观测能力。”
在人造卫星领域，通信、导航、遥感是卫星应用最主要的三大方向。高分专项系列卫星都属于遥感卫星，是帮助人们从天上来观测地面和海面的“眼睛”。而我们所熟知的北斗工程系列卫星则属于导航卫星，它们主要是通过连续发射无线电信号，为地面、海洋、空中和空间用户进行准确的导航定位。
目前已经在轨运行工作的高分卫星们个个都是好眼力，也都有着各自的绝活。
高分一号卫星，是高分专项工程的首发星，中高分辨率和宽幅成像能力兼备。它视野广阔，一眼下去覆盖800公里，4天即可完整观测地球一遍。航天科研人员们称其是“大幅宽成像”。
高分二号卫星可以用目光锐利来形容，它比高分一号卫星看得更清晰细致，空间分辨率优于1米，如果说地球上的小轿车，在高分一号卫星的眼中还只是一个黑点的话，那么，高分二号卫星已经能分辨出小轿车是两厢还是三厢了。高分二号卫星的发射成功，将中国遥感卫星空间分辨率带进“亚米时代”，对提高中国对地观测数据自给率意义重大。
高分四号卫星比较特立独行，它不像高分一号卫星和高分二号卫星那样在600至700公里的近地轨道环绕地球“奔跑”，而是站在距地36000公里的地球同步轨道上相对静止地驻留凝望，可以对某一目标区域持续进行观测。
刚刚发射的高分三号卫星和前几颗卫星都不同，它是一颗微波雷达成像的遥感卫星，最大的特点就是具备可以全天时、全天候的成像能力，不管白天或黑夜，也不管晴空或雷雨多云，都可以随时对地成像，尤其适合应用于防灾减灾。
“之后，还有高分五号、高分六号和高分七号卫星会相继发射，大家可以拭目以待。”童旭东说。
监测汛情、精准扶贫……高分专项系列卫星正在越来越多的行业大显身手
从天山到长江，从北京到宁夏，如今高分专项系列卫星正在越来越多的区域和行业中发挥重要的作用。
受厄尔尼诺现象影响，今年我国极端天气频发，防汛防涝形势严峻。水利专家们夜以继日地关注着汛情的变化，而高分卫星成为水利专家们监测汛情的重要工具。
“抗洪工作落实在点，防汛规划则要更加宏观，这正是高分卫星的长处。高分最大的优势就是对大范围区域情况看得更清楚，问题解决得更充分。”水利部水利信息中心副主任蔡阳说。
在新疆，草业工作者们的工作也因为高分卫星的应用而改变。
1993年，阿斯娅·曼力克大学毕业，来到新疆畜牧科学院草业研究所工作。2003年，新疆开始实行退牧还草工程，以保护因过度放牧而导致的草地退化，阿斯娅和同事们肩负起了监测草地变化的工作重任，卫星图像数据成为监测的重要手段。但是当时国内尚无可用的卫星数据，研究所只能购买国外的数据，分辨率也不是很高。为了准确验证数据，阿斯娅和同事们必须骑马去部分地区实地验证。2013年，阿斯娅在工作中第一次用上了高分卫星数据，更加优质的国产卫星图像数据让阿斯娅和同事们告别了“在天山中骑十天马”的日子。
“使用我们自己的数据，不但节约了时间，也节省了科研经费，真的感到特别自豪。”阿斯娅说。
通过对高分卫星数据的应用，新疆在湿地保护、油田生态安全、水资源利用等方面成果显著。据介绍，近期，通过对高分卫星数据的使用，新疆各有关部门已经完成了近30年艾比湖流域耕地及水域等生态环境变化监测、乌鲁木齐工业园区近10年园区建设情况、阿勒泰布尔津县近30年耕地扩张情况等情报产品的生产，撰写了《艾比湖湿地大幅萎缩，生态治理已刻不容缓》等情报分析报告。
在宁夏，高分卫星正在精准扶贫工作中大显身手。固原地区自然条件恶劣，是有名的贫困地区，搬迁移民成了脱贫的重要手段。如今，在搬迁过程中，高分卫星发挥了重要作用。
宁夏遥测院院长吴加敏说：“在进行搬迁选址时，通过使用高分，我们可以很清楚地看到哪里有后备耕地，哪里水源条件好，哪里是合适的落迁地点。此外，通过高分的应用，我们也可以实时监测原址的生态恢复情况。”
高分卫星的快速应用，使我国的卫星数据自给率达80%，摆脱了对国外的依赖
据统计，目前，高分一号卫星累计分发数据420余万景，高分二号卫星分发数据140余万景。截至2016年6月底，高分一号卫星2米/8米数据全国有效覆盖948万平方公里，全球有效覆盖8255万平方公里，已全面进入了主要应用领域，2米全色/8米多光谱数据自给率达80%；高分二号卫星1米/4米数据全国有效覆盖904万平方公里，全球有效覆盖7758万平方公里。高分四号卫星从今年6月13日正式投入使用后，有效支撑了减灾、气象、地震、林业、环保等行业主体业务需求。
国防科工局局长、国家航天局局长许达哲说：“当前，在北京、内蒙古、新疆、西藏等26个省（区、市）已设立省级高分数据与应用中心，累积分发高分卫星数据20万景，形成专题产品239项，服务产品131项。在北京、新疆两个区域，探索并初步实现了政府购买卫星应用服务的商业模式。”
今年3月，“高分应用综合信息服务共享平台”正式上线发布。该平台已联通16个行业和7个地区，共享专题产品446项、服务产品88项、标准规范121项，提供相关业务链接100余个，共享数据量达840TB。
在高分专项系列卫星发射应用之前，中国的遥感卫星数据长期依赖进口，国土、水利、林业、海洋等行业每年都要花大价钱去购买国外遥感卫星数据。随着高分数据持续稳定免费供应和数据处理服务逐渐完善，国外卫星数据在国内市场的占有率以及数据价格均大幅下降。
“高分卫星数据已进入重点行业主要业务，已实现替代进口，数据自给率达80%，成效显著。”国防科工局、国家航天局副局长吴艳华说。
蔡阳表示，高分的使用，提升了我国在水利监测数据层面的国产化程度，摆脱了对国外卫星数据的依赖。“我们几乎不用进口数据了。”
高分卫星数据可应用于哪些领域？
3GPP和其他标准化组织开展的大部分5G卫星通信标准化工作都集中在物理层和MAC层，还考虑在卫星5G集成网络的背景下定义卫星用例和架构选项。加拿大航天技术公司MDA卫星通信研发部总监纪尧姆·拉蒙塔涅重点分析了6G卫星通信标准化工作中需要考虑的几个问题，以实现卫星和地面6G网络的完全融合。
1
移动性管理
LEO卫星提供比GEO卫星更短的传播延迟和更高的数据速率。然而，这些优势伴随着频繁的切换和拓扑变化的代价。LEO卫星的切换分为三种类型：发生在卫星波束之间的卫星内切换；发生在卫星之间的卫星间切换；接入网络间切换（也称为垂直切换），发生在属于不同接入网络的卫星之间。
在6G未来网络中，LEO卫星不仅将服务于农村或偏远地区，还将在城市和人口稠密地区提供通信服务和覆盖。这样的场景将导致数千个UE连接到一颗LEO卫星，而这一大群用户几乎需要同时经历频繁的切换过程。使用传统的切换管理方案同时或半同时管理数千个用户的切换将产生巨大的网络负载。需要新的切换管理方案来处理6G LEO卫星中的这个问题。
对于基于IP的网络中的移动性管理，IETF引入了许多协议，例如移动互联网协议版本6 (MIPv6)和代理移动互联网协议版本6 (PMIPv6)。然而，此类协议并非旨在应对卫星中的高拓扑变化率。学术界已经提出了许多方法来解决这个问题，其中软件定义网络(SDN)的控制平面和数据平面的概念是一种有效管理LEO拓扑的有前途的方法。
LEO卫星的快速移动足迹影响寻呼程序，这主要与跟踪区域管理有关。跟踪区域为卫星覆盖区域（足迹）；它可以是固定的或移动的。虽然移动跟踪区域可以适应LEO卫星的移动足迹，但它会导致高寻呼负载，网络难以管理。此外，在未来的LEO卫星中支持双连接和垂直切换需要新的机制来提供集成6G网络中的无缝移动性并改善全球网络覆盖和服务。
2
路由
LEO巨型 星座 的一个非常重要的特性是卫星能够形成网络并通过星间链路（ISL）相互通信。由于LEO中的频繁拓扑变化，ISL的寿命有限。此外，由于某些分区的高流量负载，一些ISL可能会出现拥塞。此外，由于预计LEO将服务于不同类型的应用，因此每种类型的应用都需要满足某些QoS要求（例如数据包传递延迟）。因此，成功的数据传输需要强大的路由方案，能够满足每种应用类型的QoS要求并适应LEO的独特特性。例如，延迟容忍路由适用于延迟敏感应用，而多路径路由则需要支持对带宽要求较高的应用。因此，开发适应LEO动态环境并满足各种用户应用需求的标准路由协议至关重要。标准应支持不同卫星 星座 和运营商之间的互操作性。此外，应考虑跨网络路由（即跨卫星、空中和地面网络）以实现LEO与6G的完全集成。为了支持有效的路由，资源分配、网络监控和拥塞控制等主题应被视为标准化工作的一部分。
3
对SDN/NFV的采用
SDN/NFV范式将在未来的6G卫星集成网络中发挥关键作用。然而，学术界尚未充分研究在LEO中使用SDN/NFV。虽然已有文献提出了几种软件定义的卫星网络架构，但是在标准化工作中应考虑基于SDN的LEO解决方案，以提供集成网络组件与不同供应商和服务提供商之间的兼容性和互操作性。例如，可以按照特定标准开发星载SDN兼容路由器，以在LEO卫星上运行，并提供软件化路由功能，以适应 LEO动态环境的变化。
NFV将特别需要向用户隐藏集成网络的复杂性。NFV可用于各种应用，例如移动基站、内容交付网络和平台即服务的虚拟化。部署在通用标准化硬件上的网络功能虚拟化有望减少服务和产品引入时间以及资本和运营支出。根据ETSI的说法，NFV环境控制的一个重要部分应该通过自动化和编排来完成。ETSI在NFV中创建了一个单独的流MANO，描述了如何控制灵活性。ETSI引入了一套完整的标准来实现一个开放的生态系统，其中虚拟化网络功能(VNF)可以与独立开发的管理和编排系统进行互操作。许多主要的网络设备供应商已宣布支持NFV。另一方面，主要的软件供应商宣布他们将提供NFV平台，供设备供应商用来构建他们的NFV产品。然而，在卫星网络领域，这些概念和技术的采用仍处于起步阶段。需要进一步调查以确定在LEO中采用NFV所需的要求。此外，在卫星网络组件的设计中应考虑对NFV的支持。
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智能管理与编排
人工智能和机器学习将成为6G网络不可或缺的一部分，尤其是在网络管理和编排层面。ETSI于2017年2月启动了体验网络智能(ENI)行业规范组(ISG)。ENI是向辅助系统（即利用ENI智能功能的现有系统）提供智能网络操作和管理建议及/或命令的实体。ENI有两种运行模式：推荐模式和管理模式。前者为运营商或辅助系统提供建议，而后者也可以为辅助系统提供策略命令。在推进网络自动化的另一项努力中，3GPP引入了SON的概念，其中AI/ML可以应用于多个网络管理功能自动化。然而，ENI和SON概念仍仅限于5G环境，在应对设想的6G卫星集成网络中的巨大复杂性、异构性和移动性方面可能不够灵活。为了支持6G的智能和自主性，有学者提出了自我进化网络(SEN)的概念。SEN考虑6G及以上的集成架构，利用AI/ML使未来的集成网络完全自动化，并在网络、通信、计算和基础设施节点移动性的提供、适配、优化和管理方面进行智能演进。SEN可用于支持LEO中的实时决策、无缝控制、智能管理，以实现高水平的自主运行。然而，SEN是一个相当新的概念，尚未被标准化组织考虑。
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容错解决方案
卫星网络环境非常容易受到卫星在太空中难以修复的故障的影响。此外，升级卫星基站并不像升级地面基站那么容易。第三，卫星稀缺的电源可能会干扰正常的电信功能。因此，卫星网络设计应基于容错的概念，以保持网络的生存能力。此外，与卫星相关的标准化活动应支持未来密集部署的卫星网络中的容错概念。
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动态频谱管理
由于无线通信的普遍增长以及UE对带宽需求不断增加，动态和高效的频谱管理在LEO中非常重要。随着更多卫星的部署和更多应用的出现，频谱稀缺问题是未来LEO面临的主要挑战之一。不可预测的用户移动性和卫星移动性的因素使得动态频谱分配是必要的，但也是困难的。需要在多个层面上考虑动态频谱分配，以减轻多波束卫星系统中的小区间干扰、卫星间干扰以及频段共享时卫星与地面通信之间的干扰。此外，频谱管理必须考虑更高频段(THz) 和使用自由空间光学 (FSO)通信的选项，因为它们有望在未来的LEO中使用。尽管卫星研究人员已经研究了各种静态和动态频谱分配方案，但标准化工作并未充分涵盖该问题。
卫星遥感探测
6月2日，我国在酒泉卫星发射中心成功发射高分专项高分六号卫星。这是一颗低轨光学遥感卫星，也是我国首颗精准农业观测的高分卫星，具有高分辨率和宽覆盖相结合的特点。
近几年，由于高分一号、二号、三号、四号数据的持续稳定供应和相关数据处理服务日臻完善，高分卫星数据已经成为农业遥感的主要数据源之一，打破了农业遥感中高分辨率遥感数据长期依赖国外卫星的局面。高分卫星数据已实现替代进口，自给率达80%。截至目前，累计分发高分卫星数据约1500万景。
当前高分卫星数据已在国土、海洋、环保、林业等20个行业1800多家单位得到了广泛应用。童旭东举例说，气象和减灾两个行业正实现高分示范系统与原有卫星业务系统的集成，在汛期南方大雨和多次台风应对的防灾减灾方面，高分四号卫星拍摄的超高清云图成为中央气象台研判台风路径和损毁影响的重要信息源。交通行业应用高分影像数据，结合大数据分析方法，对春运期间火车站附近进行人群热度分析，指导人流疏散，防止发生踩踏事件。来源：人民网－人民日报
（一）主要卫星数据简介
1.美国陆地卫星数据
用Landsat系列卫星的热红外第6波段进行地下煤火区地表热异常信息的提取、确定火区的位置是比较准确的，费用相对于使用夜航航空热红外扫描图像来说大为降低。它是地下煤火探测的常用数据源。
Landsat的重访周期为16天，这使得其白天和夜间成像的TM6（ETM+6）数据对于地下煤火动态探测、检查灭火效果和指导灭火行动的开展而言是理想的数据源。然而，因为TM6 的空间分辨率是120m，面积较小的或深层的煤火不能探测出来。60m热空间分辨率的Landsat-7、ETM+6的探测煤火应用使得状况有改善，但该数据现在已经无法获取。
2.地球观测系统EOS卫星数据
（1）ASTER。ASTER热红外谱区的波段数达到了5个，分辨率仅为90m，但其量化值为12bit；因此，热图像像元值的动态范围更大，温度信息更丰富，更有利于热信息分析提取。故用其进行地表温度反演比较合适。在地下煤火的探测中，越来越倾向于使用ASTER数据进行大规模火区的初步定位和地表温度反演。
（2）MODIS。尽管MODIS数据的温度反演精度比较高，基本上可以实现免费提供；但是在地下煤火的研究中，一般而言煤火区的面积有限，而其空间分辨率又相对太低，故而应用效果和前景不是很好。
3.高空间分辨率卫星数据
（1）QuickBird。QuickBird影像产品分基本影像、标准影像、正射影像、立体像对等不同类型，从波段组成上分全色波段影像数据、多光谱影像数据、全色波段影像数据与多光谱影像数据产品包、融合影像数据（真彩色或假彩色）等多种类型。
（2）IKONOS。IKONOS卫星数据具有高精度、高分辨率的特点，可广泛用于城市、港口、土地、森林、环境、灾害调查和军事目标动态探测。尤其在土地利用调查中更能发挥优势、提高调查的实效性，节省人力、物力，基本实现土地利用管理的高技术化。
（3）SPOT系列。SPOT4图像最突出的优点是它具有比TM图像更高的空间分辨率，并且可以组成立体像对，生成数字高程模型。TM和SPOT4图像可以组合成分辨率为1：50000的图像。SPOT5图像的空间分辨率又有显著提高，使得遥感技术向精确化迈进了一大步，可以在地下煤火动态探测中发挥更重要的作用。
利用SPOT、IKONOS和QuirkBird卫星图像，可直接获得与地下煤层自燃有关的燃烧系统大小、位置、性质及环境相互关系等精细特征信息。
（4）其他高空间分辨率卫星。除这三种常见的高空间分辨率卫星影像数据外，还有以色列的EROS⁃1A和印度的IRS⁃1D等。这些高空间分辨率的卫星数据，一般都覆盖可见光波段，对地表物体的探测比较精细，适合于大比例尺成图。利用其提供的立体测图能力，还可以制作DEM，在地下煤火区地表裂隙的探测和煤火工程的设计施工中可发挥其重要作用。
4.雷达遥感数据
（1）欧空局的ERS⁃1、2。欧洲地球资源卫星ERS⁃1、2为欧空局所属卫星，主要用于科学研究与应用。ERS⁃1、2工作于C波段，采用VV极化。这些参数使ERS⁃1、2 适于中等或大范围地形测绘和林草探测。
（2）加拿大RADARSAT。RADARSAT是加拿大的遥感卫星系统，于1996年发射使用。该系统提供可靠的、成本低的环境和资源数据。RADARSAT 是第一颗真正满足商业化运营的雷达遥感卫星。RADARSAT独特的机动能力使它的探测范围几乎达整个南极地区。RADARSAT有多种工作方式，包括宽幅测绘、良好的分辨力和标准的波束宽度，还可选择入射角。
（3）欧空局的ENVISAT⁃1。ENVISAT⁃1属极轨对地观测卫星系列之一，该卫星是欧洲迄今建造的最大的环境卫星。作为ERS⁃1/2合成孔径雷达卫星的延续，ENVISAT⁃1数据主要用于监视环境，即对地球表面和大气层进行连续的观测，供制图、资源勘查、气象预报及灾害判断运用。
干涉雷达（INSAR）技术是雷达遥感的热点研究领域。当前，INSAR的主要应用除进行地形制图，生成大范围高精度的数字高程模型（DEM）及坡度测量外，基于干涉雷达基础上发展起来的雷达差分干涉测量技术在地表下陷、山体滑坡探测和地震形变探测等方面具有重要的作用。
5.中巴资源卫星数据
中巴卫星遥感数据用途广泛，可用于土地利用、水资源调查、农作物估产、探矿、地质测绘、城市规划、环境保护、海岸带探测等地球资源与环境调查的各个方面。IRMSS热红外B9波段的空间分辨率比较低，数据的质量不是很稳定。对于地下煤火的遥感探测而言，其利用效果还有待进一步验证和提高。
6.微小卫星BIRD数据
双波段热红外探测仪（BIRD，Bi⁃Spectral InfraRed Detection）是德国宇航中心所属的新型科学实验小卫星，于2001年10月发射升空，其目的是识别和定量描述地球表面的高温事件。BIRD卫星数据的应用领域主要是森林草原火灾、火山爆发、煤火等较大面积火情的探测。已有研究资料表明，其夜间热红外影像可探测地下煤火，不容易准确定位。
（二）卫星遥感数据组合与探测目标优化
卫星遥感方法具有周期短、覆盖面积广和效益高的特点。由于其空间分辨率的限制，目前作为一种区域性煤层自燃的探测方法。
卫星遥感探测方法应用的关键是必须以合适的地下煤火调查和应用目标为前提，以地下煤火热辐射特征及光谱特征为依据，选择经济、技术指标均较为合理的遥感数据源或数据源组合。
中分辨率卫星遥感。以ASTER、ETM、中巴资源卫星为代表，热红外波段空间分辨率60～156m，灵敏度1℃，夜间的热红外信息经过大气校正、辐射校正、几何校正、阈值分析、图像变换和彩色增强等处理后，可提取地下煤火产生的地面热辐射异常信息，确定与煤火区有关的热异常区域。主要用于中比例尺的煤火区普查，初步圈定具有一定规模的煤田燃烧活火区的范围和煤火探测靶区。通过不同时相的热异常区域对比，用于探测煤火区及周边区域的热场动态变化。可见光波段空间分辨率15～30m，利用地下煤火作用下地面岩石和植被等光谱特征的变化，采用图像信息处理方法提取与煤火有关的环境变化信息，确定煤田构造、煤系地层及燃烧环境；用于探测煤火区及周边区域的环境、灾害动态变化。星载热红外遥感用于火灾探测的优越性表现在其可重复性、数据获取费用比较便宜、加上多波段操作比较容易等，缺点是空间分辨率相对比较低。
高分辨率卫星遥感。以SPOT、IRS、QuickBird、IKONOS为代表，空间分辨率可以达到0.61～5.8m。利用高分辨率卫星遥感结构信息，分析地下煤火作用下地面物质色调和结构特征的变化，提取地下煤火燃烧中心、燃烧裂隙、燃烧系统、采空燃烧区、烧变岩、燃烧塌陷和煤田内非煤火区的燃烧信息等。
ASTER、TM与QuickBird数据结合使用，是研究地下煤火比较合适的技术组合。QuickBird等高分辨率卫星数据价格相对比较昂贵，且单幅覆盖范围有限，仅仅适合单个煤火区的高精度燃烧裂隙系统等煤火信息探测。
卫星数据时相的选择也是煤火探测的一个重要因素。由于中国北方煤田分布区冬季植被普遍稀少，TM图像能较准确地反映地质体的波谱特征；夏季植被相对发育，对地质体的谱特征干扰较大。因此，冬季数据具有一定的优势。
a.成像时太阳高度角小，对地貌起伏和地质构造反映显著，便于分析煤层自燃和地质构造的潜在关系。
b.冬季地表常有积雪，对解译和识别火区有特殊的帮助。这是由于煤自燃释放的热量融化了积雪，使深色煤系出露，与白色雪景形成强烈反差，使得活火区一览无余。
利用合成孔径雷达的干涉测量可以获得地下煤火区地面沉降量，探测地表塌陷的变化，卫星高光谱遥感可以探测煤火区的岩石矿物、土壤和植被的物理化学成分的变化。目前在煤火探测中的这方面应用研究还很少，它的应用对煤火探测有很大的作用。
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