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基于载人航天平台的林业遥感应用

2022-02-11 10

本文介绍了载人航天工程的概况,阐述了以载人航天器为平台的对地观测遥感技术的发展,重点分析了载人航天平台遥感的技术优势,从高分辨率、高光谱和热红外、合成孔径雷达和激光雷达等 5 个方面简介林业应用情况;以高光谱数据为例,介绍了基于我国天宫一号载人航天平台遥感数据的林业应用情况;并对国内外空间站计划的林业应用潜力进行了展望。



林业遥感的发展是由森林资源分布的特点、林业科技和遥感技术的发展所决定的。森林分布的广泛性、复杂性和动态性,决定了林业资源调查工作的艰巨性和复杂性。遥感技术的大范围、多尺度和动态性特点使其十分适合于在林业上应用,林业遥感是资源环境遥感领域中最活跃的方向之一。经过近半个世纪的发展,遥感技术已经应用到森林资源调查、湿地监测、荒漠化监测、生态工程监测、森林灾害监测等业务中,并开发出许多遥感专题应用系统。近年来,随着传感器技术、航空航天技术和数据通讯技术的不断发展,卫星遥感技术进入一个动态、快速、多平台、多时相、高分辨率地提供对地观测数据的新阶段,其应用领域及应用深度不断扩大和延伸,空间技术在森林资源监测、灾害监测、预警和评估应用领域日益突出, 应用空间技术进行森林资源监测和灾害管理已经成为国际关注的焦点。另一方面星载遥感提供的数据源越来越丰富,在波谱覆盖范围、空间分辨率、时间分辨率等方面都有了很大提高,已经越来越多地服务于林业生产,以林业为主要用户的专业卫星也在不断发展中。



星载遥感技术很多都经过了载人航天平台试验与探索阶段。典型的载人航天平台包括空间站(俄罗斯、美国等国家和国际组织)、美国航天飞机、中国神舟系列飞船和天宫一号等。载人航天平台的遥感载荷具有多姿态、变参数、多角度和灵活机动等特点,开展对载人航天平台遥感载荷的林业应用,对于促进遥感发展,更好地服务于林业生产具有重要意义。载人航天平台(尤其是空间站)具有可装载大型观测设备、有人值守、可灵活设置观测条件等优点, 能在近地轨道长期运行,可以作为对地观测的“观测 台”。由于科技发展水平和国际局势的限制,我国未能参与到国际空间站的工作中,我国自主的空间站建 设刚刚起步。下面介绍和分析国内外载人航天工程的林业遥感应用情况以及“天宫一号”试验平台的高光谱数据林业应用潜力,并对国内外空间站计划的林业应用潜力进行展望。



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载人航天平台遥感技术发展历程




载人航天应用伴随着载人航天器的发展而发展。 从无人照料的应用卫星到各种载人航天平台,航天技术历经了一个又一个重要里程碑,对地球观测科学产生了巨大的影响。非载人航天器尽管可以利用机器人和人工智能科学技术来完成一些空间操作,但某些特定的任务还必须靠人来完成。人可以在空间站上完成那些比较复杂的、非重复性的工作,这些工作需要人的经验、应变能力和直觉的判断能力。空间站不仅作为观测窗口,而且由于人的参与还作为一个天基平台直接开展数据的搜集、分析和整理。 1971年原苏联发射了世界上第 1 个载人空间站 “礼炮 1 号”,其后还相继发射了礼炮 2 号至礼炮 7 号以及和平号空间站。1973 年美国发射了其唯一的 “天空实验室”(Skylab) 空间站。1998年由美国和俄 罗斯牵头,欧洲航天局、日本、加拿大和巴西参加的六 方 16 国合作研制的“国际空间站”( ISS) 正式开工 建造,于 2011 年底全部建成。“国际空间站”是目前 唯一在轨建造的空间站,其工作寿命预计可达10 ~ 15年。



自2000年11月国际空间站正式运行以来,作为 “乘员对地观测(CEO)”实验项目的一部分,空间站 上航天员利用手持胶片或手持数码相机拍摄了超过60万张图像,包括地球表面、海洋、大气层图像以及月球图像。尽管影像数量如此之大,但从遥感专业角度看国际空间站此前并非真正意义上的对地观测平台。直到最近几年,国际空间站外部和内部都设计了很多适合于安装遥感传感器的位置,这些对地观测窗口提供了很强的综合对地观测能力,一些新的设施和精密传感器系统被陆续部署,国际空间站才成为真正的对地观测平台。



目前,国际空间站上已经安装了许多可见光、微波、热红外及高光谱传感器,如农业观测相机( ISSAC 或 AgCam)、海岸带高光谱成像仪(HICO)、环境研究 可视化系统(SERVIR)等,其中适合林业应用的光学 遥感载荷的指标如表 1 所示。目前,国际空间站在灾 害监测方面已经取得了很大的成果,为灾害管理提供了高精度、快速的灾害信息。



表1国际空间站上已装备或即将装备的适合林业应用的光学遥感载荷

国际空间站利用可装载大型观测设备、有人值守 及可选择观测条件等优点,开展新型观测仪器和观测方法的验证。它可以根据观测需要在不同舱段安装有效载荷,载荷数量远高于卫星平台;可以在空间站平台上同时搭载光学传感器、微波传感器等多种有效载荷。这从根本上保证了多载荷对地观测结果严格意义上的时间一致性,对于综合分析由多源遥感数据 得到的地表植被、地形、水文等方面的信息,有效建立分析模型、验证分析结果、反演不同时相多源遥感数据分析模型具有十分重要的意义。在空间站运行过程中,可由载人运输飞船和货运飞船向空间站运送部分实验设备,并可以进行必要的航天员维护、维修、更换和扩展,以确保长时间序列观测过程中数据质量的一致性。



1992年9月21日,中国政府决定实施载人航天工程,并确定了三步走的发展战略。第 1 步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验。第 2 步,在第 1 艘载人飞船发射成功后,突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,并利用载人飞船技术改装、发射一个空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。第 3 步,建造载人空间站,解决较大规模的长期有人照料的空间应用问题。开展较大规模和较高水平的空间科学应用是我国载人空间站工程目标之一,我国将在 2020年前后建成自己的载人空间站,并开展一定规模的空间应用。目前,该实验室的技术方案已经完善,研制工作正在顺利进行,将解决一定规模、短期有人照料的空间应用问题。将来随着空间实验室体积 的增大、可靠性的提高,它将逐步发展成为空间站的 核心舱或实验舱,增加太空实验的项目和种类,为建成空间站奠定基础。



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载人航天平台遥感在林业上的应用




1、高分辨率遥感



国际空间站的宇航员们利用手持相机拍摄了地球的许多图像,这些影像对及时发现敏感地区信息、 监测资源环境变化、尤其是在应对灾害及突发事件中发挥了重要作用。2009 年 9 月 24 日国际空间站上 的宇航员拍摄到位于美国著名的黄石国家公园的火灾。宇航员第 1 次拍摄到这场大火的时间是在第 2 天,当时火场面积达 101 hm2 ;到了10月1日,火场面积已迅速增长到了 3 764 hm2。由于拍摄到的照片倾角比较大,非常具有立体感。当时国际空间站位于黄石公园的火场东北方约1200 km,正飞越加拿大温尼伯湖。3天后美国 Aqua 卫星上搭载的中分辨率光谱仪(MODIS)才拍摄到了这场大火的卫星影像,与国 际空间站拍摄到的大倾角图片一起互为补充,使人们更好地了解到这场野火的位置、规模和发展趋势等。



2010年4月美国宇航局在国际空间站“命运”号 实验舱的下部安装了一套舷窗观测研究设施 (WORF)。WORF的直径为 5.08 m(对地的光学观 测窗口直径51cm),提供了79. 1°的可调视场,为遥感传感器提供了更好的对地观测平台,使国际空间站的宇航员们可以移除保护罩以获取地球更加清晰的 影像数据。现在 WORF 上安装了农业观测相机 (ISSAC 或 AgCam) 和环境研究可视化系统 ( SER- VIR)等多种多光谱相机载荷。



AgCam 可在可见光和近红外波段以中高空间分 辨率成像,拍摄图像可以在 2 天内提供给所需人员, 为改善土地利用和环境管理提供帮助。AgCam 主 要目的是收集多谱段数据支持农业活动及相关研究。该相机分辨率为20 m,利用 2 台带有滤镜的数码相 机分别收集可见光中的绿光、红光及近红外波长(3 个波段)范围的光谱信息,然后可以将这些图像合成 为多谱段图像。它能够区别不同种类的农作物并检 测农作物区域覆盖变化以及农作物的健康状况,这对 于农业研究和农业生产监测具有非常重要的意义,对 于森林植被的观测也有很大的潜力。



2013年1月16日正式启用了ISERV( ISS 环境 研究可视化系统)。该系统由一套望远镜和一台数 码摄像系统共同构成,空间分辨率优于 3 m,具备灵活的目标捕获能力。ISERV系统将用于监测和评估 环境灾害、气候变化、热带雨林的破坏以及世界各地不同地点的空气质量。



2、高光谱遥感和热红外遥感



神舟3号飞船搭载的中分辨率成像光谱仪( SZ-3 /CMODIS)是我国新一代环境遥感卫星的试验仪器,2002年3月25日神舟3号飞船进入太空,中分辨率成像光谱仪在3月底开始对地观测,9月底完成全部在轨试验观测任务。CMODIS 运行在(343 ± 5) km 高空,星下点地面分辨率为500 m,重复覆盖周期为2天,轨道测量覆盖宽度为 650~700 km,有34个波段,波长范围为 0. 4 ~ 12. 5 μm,包括20个可见光 通道 (0. 403 ~ 0. 803 μm)、10个近红外通道 (0. 823 ~ 1. 023 μm)、1 个短波红外通道 ( 2. 15 ~ 2. 25 μm)和3个热红外通道(8. 4 ~ 8. 9 μm,10. 3 ~ 11. 4 μm,11. 5 ~ 12. 5 μm)。CMODIS以新一代气象卫星传感器发展为背景,瞄准大气、海洋,同时考虑陆地植被观测。中国科学院遥感应用研究所以神舟飞船中分辨率成像光谱仪和多模态微波遥感器应用研究为目标,围绕生态环境变化快速调查与监测、土 壤水分和融雪径流监测、大型地质环境与成矿背景遥感探测、数据处理和系统集成等 4 个方面开展研究, 形成了由数据获取与处理技术、陆地地表应用、土地利用及农作物监测、地质应用与岩性填图、水文应用、 数据库与电子图集等 6 个子系统组成的神舟飞船陆地遥感应用系统。



2009年9月在国际空间站“希望”号实验舱外安 装了海岸带高光谱成像仪(HICO)。该计划由美国海军研究实验室(NRL) 发起,是第一个针对海岸带和 珊瑚礁区域进行观测的星载传感器。HICO 传感器能够获取可见光及近红外波长的高质量信息,主要任务是收集沿海海域的水质、海底类型、水深以及近海岸植被类型等情况。该仪器的波段范围为 380 ~ 960 nm,光谱分辨率为 5. 7 nm,空间分辨率为 90 m。HI- CO 具有很高的信噪比,对信号较弱的海岸带附近场景可以很好地量化成像。作为创新性仪器,HICO 将 为未来空间高光谱探测器的应用而进行多种探索研究。



3、合成孔径雷达遥感



以美国航天飞机为代表的载人航天平台对合成 孔径雷达(SAR)遥感技术的发展做出了很多引领性的贡献。多频率、多极化、干涉处理、极化干涉处理等一系列 SAR 关键技术都是基于航天飞机搭载的SAR传感器的数据实现的,也促进了 SAR数据林业应用 的发展。



1981年11月12日NASA发射了第一个航天飞 机成像雷达系统SIR-A,利用哥伦比亚号航天飞机送上太空,该任务为期 3 天,共获取地球表面 100 万 km2 的雷达图像。SIR-A 是一部 HH 极化 L 波段 SAR,回波信号由机上的光学记录器记录,经过光学相关仪器处理后得到雷达图像胶片。1985 年 Wu 利用 SIR-A 的 SAR 数据发现,雷达数据和陆地卫星图像对森林研究各有特点。1989 年 Werle 利用 SIR-A 雷达数 据分析了中国东北的防风林。



1984 年10 月5 日美国 NASA 利用挑战者号航天 飞机将 SIR-B 送上太空,任务为期 1 周。SIR-B 也是一部 HH 极化 L 波段 SAR,首次采用数字处理系统, 比 SIR-A 的数据提供了更大的动态范围,数据传输和 分析更加方便、精确。双带宽倾斜天线使视角可在 15° ~ 60°区间变化,能够自动按照 1°步长倾斜,可提供观测期间连续几天对特殊目标的多入射角图像,完成了后向散射与入射角之间关系的定量化研究。



SIR-B 的多入射角数字化数据使地物特性的定 量研究成为可能,并为理论模型提供验证的数 据。因为数据传输天线出了问题,SIR-B 没能按 预定计划获取数据。NASA 原计划在 1987 年前后再 进行一次飞行,后因航天飞机挑战者号于 1986 年 1 月 28 号 失 事 而 取 消,直 到 1994 年 才 进 行 SIR-C 项目。



SIR-C /X-SAR 成像雷达系统是在SIR-A 和 SIR- B 之后第 3 个装载在航天飞机上的雷达系统,于1994 年 4 月(9—20 日) 和 10 月(9 月 30—10 月 11 日)开展了 2 个为期 10 天的成像飞行,每次获取 50 h 约 5 000 万 km2 的雷达图像数据。SIR-C /X-SAR 雷 达观测系统包括了美国研制的 L 和 C 波段 SAR 及德 国和意大利研制的 X 波段 SAR 3 个雷达传感器。L 和 C 波段 SAR 为全极化雷达,而 X 波段 SAR 仅有 VV 极化。该系统是运行在地球轨道高度上的第 1 部多波段同时成像雷达,第 1 部高分辨率全极化 (HH,HV,VH 和 VV) 同时成像的雷达,第 1 部在 2 个季节成像的多参数航天雷达,并可以实现雷达入射角从 17°至 63°的多角度观测。



SIR-C 数据在林业和其他方面的应用研究有很 多。许多研究发现,长波长(L 波段)交叉极化 (HV) 信号与森林生物量有最好的相关性。在 SIR-C / X-SAR 飞行的最后 3 天,获取了重复轨道的相干雷 达数据。这是仅有的一次获得多波段(L,C 和 X)、多轨道(仅隔 1 天)的相干雷达数据的空间飞行,提供了研究地表的新手段。1998 年 Pierce 等利用多季相的SIR-C /X-SAR 图像进行了美国北部森林和土 地覆盖的分类。1997 年 Saatchi 等利用 SIR-C 图像完成了对亚马孙热带雨林的森林砍伐和当地的土地覆盖制图。1997 年 Corina 等研究了 SIR-C L 和 C 波段数据与热带雨林恢复的关系。1998 年 Ber- gen 等利用 SIR-C 数据估计了北方森林的地上、地下 生物量和年净初级生产量。1997 年 Ranson 和 Sun 利用 SIR-C 图像对美国缅因州山区的森林进行了分类和生物量估算研究。



航天飞机雷达地形制图计划 SRTM 是美国太空 总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)、德国空间局等单位的合作项目。2000 年 2 月 11 日美国 发射的“奋进”号航天飞机上搭载 SRTM 系统,共计进行了 222 小时 23 分钟的数据采集工作,获取了北纬 60°至南纬 60°之间总面积超过1. 19 亿 km2 的相干雷达影像数据,覆盖地球 80% 以上的陆地表面。 SRTM 是 SIR-C /X-SAR 的改进,基线由 60 m 长的可 伸缩天线结构组成,此结构伸出轨道飞行器的货舱, 伸出端带有 C 波段与 X 波段雷达的第 2 根接收天 线。由 SRTM 得到的地形数据具有以下特点:1) 良好的一致性。SRTM 计划首次提供了从一种数据源得到的格式一致的 DEM 产品,克服了世界上之前存 在的从多种数据源镶嵌的全球高程模型的缺点。2) 减少叠掩和阴影效应。由于采用上升和下降轨道雷达 波对山体的照射,解决了雷达遥感中存在的山坡叠掩效应而损失信息的问题。3)高分辨率。SRTM 将当时 已有的全球 DEM 的水平分辨率从 1 km 提高到 30 m, 垂直分辨率从 100 m 提高到10 m(C 波段)及 6 m(X 波段)。SRTM地形数据可以作为普通地形数据来应用,但实际上在有植被覆盖的地区它提供的高度不是真正的地表高度,而是雷达散射相位中心的高度。散射相位中心高度介于地表和植被顶端之间,包括植被空间结构的信息,可以用来估计植被高度和生物量。



4、激光雷达遥感



美国航空航天局在星载激光雷达的研制和应用 上一直处于引领地位,航天飞机平台提供了很好的支撑。1996年1月和1997年8 月先后进行了航天飞机搭载激光雷达(SLA)试验即 SLA - 01 和 SLA - 02,获取了高精度全球控制点信息。基于航天飞机飞行试验激光雷达高度仪的成果和经验,NASA于2003年发射了第 1 颗激光雷达卫星,即搭载在 ICESat(冰体、 云量和陆地高度监测卫星)上的激光测高仪 GLAS。



SLA 激光雷达高度仪首次实现了星载平台的激光波形记录,可以记录 100 m 光斑内垂直间隔1. 5m的地物回波波形。基于激光回波波形,可以更精确地分析地形及地表物体特征。2000 年和 2003年Sun等利用 SLA 的波形分析了地形及植被信息,并验证了干涉雷达处理的DEM。



日本正计划在国际空间站上搭载植被环境观测激光雷达(LOVE),激光雷达传感器包括测高工作模式和米散射工作模式 2 种。其中测高模式采用2×2的探测单元配置,单个探测单元的地面分辨率为25~30 m,主要用于植被高度和生物量的测量。米散射工 作模式主要用于大气观测(包括云和气溶胶),垂直分辨率为 100 m,水平分辨率为1 km。



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“天宫一号”高光谱遥感数据在林业上的应用




2011年9月29日我国在酒泉卫星发射中心成功发射了天宫一号目标飞行器,搭载的高光谱成像仪是目前我国空间分辨率和光谱综合指标最高的空间成像光谱仪,可以实现高光谱分辨率的地物特征成像探测,获取了大量珍贵的森林实验观测数据。下面从森林资源监测、沙化土地分类和林火探测等3个方面进行介绍。



1、森林资源监测



利用获取的天宫一号高光谱成像仪数据,研究了不同地区(温带、热带)森林覆盖制图与变化检测的自动化识别方法,结果表明,天宫一号高光谱成像仪数据在成像时间、空间分辨率和光谱分辨率等方面具有独特的优势,在森林覆盖制图与变化检测方面有广阔的应用前景。



利用2012年3月5日15时获取的云南省丽江 市的数据进行了森林分类的实验,在数据几何精纠正后,对高光谱可见光近红外和短波红外图像进行监督分类。分类结果表明,对土地类型1级分类类型可以比较容易地区分;对森林可以区分到 2 级类型(常绿林、落叶林和疏林),这是多光谱遥感图像很难达到的,研究结果可以满足森林资源监测的一般需要。



通过对2012年5月11日获取的云南省景洪市 西南部的天宫一号高光谱成像仪可见近红外数据与 短波红外数据的处理与分析,计算了反映植被特征的10种植被指数,与地面实测林业样地的生物量结合建立了生物量估测模型,模型的决定系数为0. 83,均方根误差为 29. 9 t /hm2,说明天宫一号高光谱数据对森林生物量的估测能力很强。



2、沙化土地分类制图



土地沙化是我国荒漠化的主要表现特征,合理分 类沙化土地对掌握土地沙化发展规律以及采取合理 的治理措施具有重要的指导意义。不同类型沙化土地因其植被覆盖、土壤质地和养分特征等的差异,地表反射特征也各异,在遥感影像的不同波段其亮度特征分异也很大,从而使沙化土地的遥感识别信息提取和分类成为可能。由于高光谱遥感影像可以提供近实测的地表光谱特征数据,其在沙化土地信息提取上具更强的能力。



利用获取的“天宫一号”影像数据,研究了不同类型区沙化土地高光谱分类技术,获得了一些初步结果。对民勤东北部天宫一号高光谱数据进行处理,得 到对应的沙化土地分类专题图。天宫一号高光谱数据对不同固定程度的沙地、戈壁等具有很好的区分能力。



3、林火监测



天宫一号上搭载的高光谱全色、可见近红外和短波红外等传感器,可同时为用户提供同一位置100多个通道的观测数据,通过综合这些波段特性,分析火情信息在这些波段的反应,寻求森林火灾监测及火烧迹地提取的最适宜波段范围,对于未来设计更适合森林火灾监测业务需求的传感器、更好地满足我国森林防火预警扑救需求、切实保护我国生态环境和森林资源等具有十分重要的作用。



通过对同步试验的火场在天宫一号所搭载传感器上的不同反应分析表明,明火、焖烧、烟和火烧迹地等4种与燃烧状态密切相关的信息在天宫一号高光谱数据中的敏感谱段存在差异,正在燃烧中的小火可在天宫一号所搭载的高光谱短波红外传感器的中波范围内(约 2. 1μm)检测出来,即天宫一号搭载的高光谱短波红外数据具有探测面积小于其空间分辨率 的火的能力;而在高光谱短波近红外和全色影像中并不明显;高光谱可见近红外传感器可有效探测出烟和火烧迹地等信息。因此,专题信息提取并不是空间分辨率越高越好,光谱信息也非常重要。另外,通过天宫一号数据不同波段间的信息组合,可有效提取专题信息。



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结论及发展趋势




随着国际空间站的全面建成和我国空间站计划 的实施,在未来的对地观测发展中,以空间站为对地 观测平台将在新技术研究与示范中发挥重要作用,应积极开展与林业应用有关的概念研究和关键技术攻 关工作。要充分利用国内外载人航天工程获取的林区观测数据,研究林业遥感的前沿技术。以我国大力发展载人航天工程的契机,积极参与空间站遥感器的调研、需求分析、参数选择、项目预研、定标试验、同步试验等工作,及时获得空间站遥感器对地观测数据和相关参数数据,更好地促进林业遥感基础研究和应用研究的开展,为进一步发展和应用好适合于林业的业 务化卫星做技术准备。



*注:本文来源:http://www.msadc.cn/main/researchDetail?id=1372785831231623169

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