中科院遥感地球所:让国产陆地卫星“玩得转”

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随着我国社会经济发展迅猛,资源环境问题日益突出,利用遥感卫星这只“眼睛”来观察地球,已经成为一种必不可少的手段。在国家民用空间基础设施规划中,仅21家部委就提出了144项业务需求,全部涉及卫星遥感应用。

然而,不管是国际还是国内,气象海洋卫星的定量遥感应用广泛,但陆地卫星定量遥感却一直是个难题。

作为中国最大的遥感与对地观测研究机构之一,中国科学院遥感与数字地球研究所科研团队决心突破这一难题。最近,由该所牵头,联合中国资源卫星应用中心、中国国土资源航空物探遥感中心、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、新疆维吾尔自治区卫星应用中心、环境保护部卫星环境应用中心及中科遥感科技集团有限公司、二十一世纪空间技术应用股份有限公司、浙江大学等完成的“国产陆地卫星定量遥感关键技术及应用”项目取得一系列重大突破,荣获2016年国家科学技术进步奖二等奖。

“不会用、不好用、用不好”的国产陆地卫星

“陆地卫星定量遥感在国际上是个难题,国产陆地卫星在中国区域的定量遥感应用更是难上加难。”中科院遥感地球所负责人、研究员顾行发说。

长期以来,我国陆地卫星在各领域应用规模一直狭小,其瓶颈就是从数据到信息的定量转化水平低。

“不会用”、“不好用”、“用不好”是当前我国陆地卫星定量遥感的三大“弊病”。国产卫星受国外核心器件封锁,数据噪音大、图像不清晰、定标精度低,导致数据不好用;我国大气浑浊、地形起伏多变,反演模型复杂,导致数据不会用;国产数据杂多、应用标准缺乏、规模化程度低,导致数据用不好。

针对这3大难题,历时十余年,在多个国家级重大科研项目支持下,“国产陆地卫星定量遥感关键技术及应用”项目围绕国产卫星数据定量化质量跨越提升、中国区域遥感信息高精度定量反演、定量遥感规模化工程处理这一主线展开了攻关。

“这个项目,就是要去构建适合我国的陆地卫星定量遥感技术体系,打通‘应用第一公里瓶颈’,实现国产陆地卫星数据的好用、会用、用好。”顾行发说。

技术:各个击破

针对陆地卫星定量遥感技术存在的问题,项目团队采取了“各个击破”的方式,每一颗“子弹”消灭一个“敌人”,化解了一个又一个难题。

为解决国产卫星数据不好用的问题,团队从三个层次开展技术攻关,使数据质量总体达到美欧同等水平,从源头保障了国产陆地卫星的定量化应用。譬如,针对国产卫星数据噪音大的问题,研究人员创建了线阵CCD相机分时、分亮度、分视场相对辐射校正技术,使图像噪音和色差由项目实施前的10%降低到小于1.5%。

我国复杂的大气环境让国际通用大气校正模型“竞折腰”。“为了解决这个问题,我们开展了中国区域多站点、长期大气监测,构建了6类中国典型气溶胶模型。”顾行发说。通过这些“国产”模型的构建,京津冀地区2014年有效数据天数由原来的64天提高到了173天。

此外,我国山区起伏的地形导致定量反演误差很大。科研人员创建了耦合地表方向反射和大气多次散射的山地辐射传输模型,将山区地表反射率相对误差降至平原地区水平,使我国陆地卫星定量应用区域范围由原来的35%提高到95%以上。

去除了复杂大气和起伏地形的影响,团队又创建了9类115个全国适用的高精度定量遥感反演模型集,显著提高了农作物估产、资源与环境监测等定量应用水平,瓦解了卫星数据“不会用”的难题,实现了卫星数据的高精度、大范围、多领域综合应用。

目前,在农业应用领域,作物估产等精度达到95%以上。在地矿调查领域,复杂地形条件下构造、岩性等解译精度则提高了10%以上。

没有规矩,不成方圆。国产卫星数据之所以“用不好”,与缺乏相应的标准、规范不无关系。为此,攻关团队建立了我国第一套定量遥感标准规范,研建了具有完全自主知识产权的陆地卫星星群综合数据预处理系统,支撑了18个行业、11个区域业务应用系统的建设,陆地卫星数据预处理能力跃居全球第一。

应用:遍地开花

技术的壁垒一旦突破,中国国产陆地卫星的应用迎来了“春天”。项目成果在国土、农业等18个行业、京津冀等11个区域得到广泛应用,并推广到43个国家和地区,取得了巨大的社会经济效益和国际影响力。

好消息开始从各行各业传来。国产陆地卫星成为国土资源大调查主力数据源,节省了购买国外数据的巨额资金,调查周期由12年1次缩短到1年1次。大规模卫片执法得到有力推动,有效遏制了违法用地和非法采矿,自2006年以来,全国违法图斑量降低了16倍。

在农业领域,作物长势等14种全国农情信息业务化监测得以实现,数据国产化率达90%以上,精度提升到95%。自2006年起,项目定量遥感反演技术成果应用于全国粮食生产形势监测,共累计监测全国作物面积80亿亩、农业灾害26亿亩,实现间接经济效益283亿元。

在生态环境领域,构建的定量反演模型集应用于国产陆地卫星的全球陆表典型要素高精度提取,成果连续2年被全球生态环境遥感监测报告采用。

在灾害应急中,为东北洪涝、四川雅安、云南鲁甸地震等重特大灾害救援提供了灾情监测与评估技术支撑。同时,中国卫星还为澳大利亚森林火灾、泰国洪涝灾害、土耳其地震等提供了国际援助,提升了我国自主卫星国际影响力。

截至目前,我国陆地卫星定量遥感技术体系有效支撑了16颗国产陆地卫星定量遥感应用。数据日处理能力由10余景提高到1万景,用户由不足20家扩展至全国3900家,国内数据占有率由5%提升至85%以上,节约数据购买成本1000亿以上,仅在国土、农业、环保就取得间接经济效益超过400亿。

“这些年的努力没有白费。”顾行发说,“能够让国产陆地卫星数据好用、会用、用好,推动国产陆地卫星定量遥感自主创新、跨越发展,我们深感欣慰。”

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责任编辑: 闫月

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