强强联手的“高分”家族

文/ 赵志远

2006 年,我国将高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）列入《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006-2020 年）》，实施方案经国务院常务会审议批准后，2010 年，高分专项全面启动实施。

高分专项系统由天基观测系统、临近空间观测系统、航空观测系统、地面系统、应用系统等组成，采用“天、空、地”一体化的先进设计理念，并与其他遥感卫星紧密结合。主要使命是加快我国空间信息与应用技术发展，提升自主创新能力，建设高分辨率先进对地观测系统，满足国民经济建设、社会发展和国家安全的需要。

随着星座建设发展，高分专项有力地保障了现代农业、防灾减灾、资源调查、环境保护和国家安全的重大战略需求，大力支撑国土调查与利用、地理测绘、海洋和气候气象观测、水利和林业资源监测、城市和交通精细化管理、卫生疫情监测、地球系统科学研究等重大领域应用需求，积极支持区域示范应用，加快推动空间信息产业发展。

那么高分星座是如何强强联手的呢？让我们一探究竟。

得之不易的“高分”

高分专项要建设具备高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的自主、先进的对地观测系统，并与其他观测手段结合，形成具备时空协调、全天时、全天候、全球观测能力的稳定运行系统。

▲ 高分一号卫星拍摄的三峡大坝

众所周知，由于对地观测卫星站得高、看得远，所以在国计民生中有重要作用。评估对地观测卫星性能的一个重要指标就是分辨率，它包括空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率等。其中空间分辨率最令人关注，它对卫星应用的深度和广度具有重要影响。

空间分辨率一词来源于光学，是指两个点光源彼此接近到恰能被分辨出的最小距离，能显示遥感卫星分辨目标的能力。具体说来，它是指能从光学成像卫星所拍照片上辨别地面目标的最小尺寸。例如，假设某颗光学成像卫星能够辨别的最小地面目标为2米，则这颗对地观测卫星的分辨率就是2 米。

一般来讲，光学成像卫星的运行轨道越高，空间分辨率就越低，所以高分辨率遥感卫星通常运行在低轨道。另外，星载相机的焦距越大，分辨率也越高，这与日常生活中使用变焦相机摄影的原理相同。当然，现在也可用其他办法提高分辨率。

▲ 高分二号卫星拍摄的三峡大坝

对雷达成像卫星而言，分辨率的含义与光学成像卫星有所区别。它指雷达图像上能够区分开的地面两个不同目标的最小距离，具体有方位分辨率、距离分辨率和面分辨率3 种参数。其中，面分辨率是方位分辨率与距离分辨率的乘积，表示地面分辨单元的大小，对观测分布目标有重要作用。

雷达成像卫星的分辨率与卫星的运动方向有关，通常用区分同一运动方向上相邻两个目标的能力来表示。提高分辨率的方式主要有两种，一是采用短波长，二是增加天线口径。因此可以提高雷达波的频率，缩短其波长来提高分辨率。但当频率增加到一定程度时，大气对雷达波的衰减和吸收特性就会表现得非常明显，从而影响雷达的正常工作。同样，雷达的天线口径不可能无限增加，所以目前大都使用合成孔径雷达。合成孔径雷达的分辨率现在已经可以达到0.3 米量级。

一般而言，空间分辨率优于1 米的光学成像卫星和空间分辨率优于3 米的雷达成像卫星被称为高分辨率对地观测卫星。

另外，对地观测卫星的时间分辨率也很重要。所谓时间分辨率是指重复观测同一地区所需要的时间。比如卫星重复观测同一地区一次需要2 天，就比需要4 天的时间分辨率高1 倍。

时间分辨率对于观测同一区域的动态变化十分重要，但它与空间分辨率往往是一对“冤家”，因为如果卫星运行轨道高，覆盖面就大，时间分辨率就能相应增加，但空间分辨率则会随之降低。所以一般来讲，用于普查的对地观测卫星的轨道和时间分辨率较高，但空间分辨率较低；用于详查的对地观测卫星的轨道和时间分辨率较低，但空间分辨率较高。

▲ 高分二号卫星城市建筑物识别应用

可以看出，对于高分辨率卫星来说，两个重要的指标：空间分辨率和时间分辨率就像是硬币的两面，很难同时兼顾，因此需要根据应用选择合适的“搭配”。

因“用”制宜得“高分”

在实际应用中，也并不都是要求分辨率越高越好。在某些情况下，太高的分辨率反而可能造成只见树木，不见森林。为此，人们根据发现、识别、确认和详细描述侦察目标这四个档次来要求分辨率。

从发现到详细描述所需要的分别率是逐渐提高的。一般来说，发现目标所需分辨率为目标尺寸的1/2，如卡车长6 米，则发现卡车需要的分辨率为3 米。识别目标是能够判断目标的类型或属性，所需的分辨率是目标尺寸的1/5 ～1/7，所以识别卡车的分辨率应为1 米。确认目标则需要从同类物体中区分出不同的型号，所需的分辨率为目标尺寸的1/10，比如区分是公共汽车还是卡车，确认卡车的分辨率应为0.6 米。详细描述则可以辨认目标的特征和细节，所需的分辨率是目标尺寸的1/30 ～1/60，还是以卡车为例，分辨率应为0.2 米。

所以尽管现在对卫星的分辨率追求越来越高，但并不是所有卫星都需要高分辨率，主要看用户的用途需求。

对于用户方之一的国土资源部来说，1 米和2 米分辨率的卫星影像可以满足他们不同方面的数据应用。但对于住房和城乡建设部、交通运输部的需求来说，2 米分辨率在多数时候则显得捉襟见肘。而高分二号卫星米级分辨率的成像能力在城市建设用地规划、调查和执法以及道路监测和规划等方面，则显得游刃有余。

也就是说侧重于大面积“普查”的高分一号卫星在很多时候可以满足国土资源调查需求，而能够发挥“详查”作用的高分二号卫星米级分辨率的成像能力则可以满足住房和城乡建设部、交通运输部的需求。

除此之外，“高分三号”是微波遥感卫星，主要用于对海洋目标的观测；“高分四号”是高轨光学成像卫星，运行在距地面3.6 万千米的地球同步轨道，俯瞰半个地球；“高分五号”是高光谱观测卫星，主要用于气象观测；“高分六号”与“高分一号”类似，但技术上有了进一步提升；“高分七号”是测绘卫星。

高分卫星的特点简单说就是分辨率高，包括高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率，从而能更好、更快、更广、更长地进行对地观测，有力地促进我国国计民生各个领域水平高速发展。我国的目标是建成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的对地观测系统。我国每颗高分卫星各自还有各自的特点，因而用途广泛，可以满足多方面需求。

另外，高分家族的多种组合形式可以更快满足利用高-中-低分辨率遥感影像的大区域耕地快速监测研究。高分辨率的遥感影像能够精确地提供耕地数据，但是覆盖面积小，解译费时费力，工作量大，重访周期长，不能及时进行监测；中低分辨率遥感影像覆盖面积大，重访周期短，但是精度却很难达到要求，造成了数据的不准确。目前，国内外在较大范围内进行耕地监测并不多，要获得快速、准确的监测结果，大多利用不同分辨率的遥感影像，采用空间抽样的方法进行。

当然，高分辨率肯定是遥感最主要的发展方向，毕竟高的分别率可以带来更加清晰的画面。但是如前所说，空间分辨率的提高会造成时间分辨率的降低，如何在更快的速度下获得更高的分辨率的画面，将成为未来遥感技术发展的方向之一。★