Китайская система наблюдения за землей с высоким разрешением (CHEOS): достижения и перспективы

ISPRS Хроники фотограмметрии, дистанционного зондирования и наук о пространственной информации, Том V-3-2022 XXIV Конгресс ISPRS (издание 2022 года), 6-11 июня 2022 года, Ницца, Франция

КИТАЙСКАЯ СИСТЕМА НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ЗЕМЛЕЙ С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ (CHEOS): ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Школа дистанционного зондирования и информационной инженерии, Уханьский университет, Ухань, Китай – @whu.edu.cn Комиссия III, ICWG III/Ivb



КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Высокое Разрешение, Системы Наблюдения за Землей, Спутники Группировки GF, Применения Дистанционного Зондирования, Спутники Земли.



ОТРЫВОК:

С конца "Одиннадцатого пятилетнего плана" Китай реализовал крупный проект по созданию системы наблюдения за Землей с высоким разрешением и выполнил все задачи по запуску спутников к 2020 году под названием CHEOS. Таким образом Китай стремится создать всестороннюю систему наблюдения за Землей с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением и активно удовлетворять основные стратегические потребности национальной обороны Китая, исследования природных ресурсов, реагирования на стихийные бедствия и их предотвращения. Программа CHEOS способствовала постоянному развитию технологии наблюдения за Землей с высоким разрешением в Китае и широкому применению изображений с высоким пространственным разрешением. В этом документе рассматривается история разработки Китайской системы наблюдения за Землей с высоким разрешением, анализируются технические характеристики и статус применения гражданских спутников группировки GF (Gaofen - что в переводе с китайского означает "высокое разрешение"), обсуждаются текущие проблемы и будущие тенденции развития системы CHEOS, а также приводятся рекомендации по последующему продвижению и применению спутников группировки GF.

1. Введение

Спутники наблюдения за Землей вступили в эру высокого разрешения. Так называемое высокое разрешение на самом деле включает в себя высокое пространственное, спектральное и временное разрешения. Спутники с высоким пространственным разрешением могут предоставлять богатую наземную информацию и детали (например, транспортные средства, крыши, тропы) с разрешением лучше 5 м. Данные с высоким спектральным разрешением (т.е. гиперспектральные) могут предоставить обширную спектральную информацию с сотнями узких спектральных диапазонов (от ультрафиолетового и видимого до коротковолнового инфракрасного диапазона) для качественного и количественного описания физических свойств растительного покрова. Высокое временное разрешение указывает на очень малый временной интервал или частоту повторной съемки, чтобы точно отслеживать малозаметные изменения интересующих целей. Спутниковая система высокого разрешения обладает большим потенциалом для исследования земной атмосферы, океанов, суши, поверхностных вод, а также их воздействия на климат, энергетику, сельское хозяйство, окружающую среду, экологию, стихийные бедствия, общественную безопасность и т.д.

В настоящее время страны по всему миру активно разрабатывают системы наблюдения за Землей с высоким разрешением. Среди них Соединенные Штаты сформировали систему ДЗЗ с высоким разрешением с доминирующими спутниками Worldview-1 (0,5 м), Worldview-2 (0,46 м), Worldview-3 (0,31 м), WorldView-4 (0,31 м) и GeoEye (0,41 м), в которых самое высокое разрешение может быть лучше 0,3 м, а площадь наблюдения за один день может достигать 300 км2 (Li et al., 2021a). Кроме того, Соединенные Штаты дополнительно используют спутниковые группировки, такие как PlanetScope, RapidEye, SkySat и т.д., для достижения чрезвычайно высокого временного и пространственного разрешения. Группировка французских спутников SPOT (1,5) и Pleiades/ Pleiades NEO (0,5 - 0,3м), которые снимают одну и ту же территорию два раза за сутки. Российские спутники "Ресурс-П1" (1 м), "Ресурс-ДК1" (1 м), японские спутники ALOS (2,5 м), индийские спутники CartoSAT-1 (2,5 м) и CartoSAT-2 (0,8 м), израильские спутники EROS-A (1,9 м) и EROS-B (0,7 м) были запущены последовательно, продолжая способствовать развитию технологии наблюдения за Землей с высоким разрешением (Tong, 2016a). Спутники дистанционного зондирования развиваются в направлении высокого пространственного разрешения, высокого спектрального разрешения, высокого временного разрешения, множества режимов наблюдения и малой маневренности.

На этом фоне Китайская система наблюдения за Землей с высоким разрешением (CHEOS) была определена в качестве одного из основных проектов в национальной стратегии развития (2006-2020 годы). Система CHEOS была инициирована Государственным советом Китайской Народной Республики и приступила к запуску группировки спутников высокого разрешения (группировка GF) с 2013 года, и ожидалось, что она завершится в 2020 году. CHEOS планировала создать усовершенствованную систему дистанционного зондирования Земли, которая могла бы предоставлять изображения с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением и обладала бы возможностями высокоточного наблюдения (лучше 1 м). Миссия группировки состояла в том, чтобы обеспечить скоординированные в пространстве и времени наблюдения за Землей в режиме полного дня, при любой погоде и и с глобальным охватом, которые могли бы удовлетворить разнообразные потребности в ключевых областях, таких как предотвращение стихийных бедствий, национальная безопасность, земельные и водные ресурсы, здоровая окружающая среда, усовершенствованное городское управление, географическая съемка и картографирование.

2020 год стал заключительным годом китайского проекта GF. CHEOS успешно запустил 12 гражданских спутников, включая GF-1, GF-2 и GF-7, обеспечив мощные возможности дистанционного зондирования Земли. Была сформирована система со спутниками высокого разрешения, которые не только обеспечивали достаточный запас изображений с высоким разрешением, но и обеспечивали автономный и своевременный сбор данных.

В этой статье систематически сортируются и обобщаются характеристики и применения гражданских спутников группировки GF в Китае, что поможет понять прогресс CHEOS и послужит ориентиром для дальнейшей разработки и применения спутников высокого разрешения.

2. ОБЗОР СПУТНИКОВ ГРУППИРОВКИ GF

В настоящее время Китайская система наблюдения за Землей с высоким разрешением включает в себя семь гражданских спутников (таблица 1). GF-1, первый спутник, запущенный CHEOS, может получать панхроматические изображения с пространственным разрешением 2 м и мультиспектральные изображения с пространственным разрешением 8 м. Спутник GF-2, запущенный в 2014 году, может автономно получать панорамные изображения длиной 1 м и мультиспектральные изображения длиной 4 м. Впоследствии были запущены спутники GF-3-GF-6, которые сотрудничали с орбитальными спутниками GF-1 и GF-2 для расширения сфер применения изображений с высоким разрешением. Стоит отметить, что изображения с китайских спутников с высоким разрешением быстро обрели популярность и нашли свое применение. Спутник GF-7, запущенный в 2018 году, улучшил плоскостную точность и высоту подъема, что позволяет нарисовать топографическую карту масштаба 1:10 000 (Sun et al., 2020). Это достижение может восполнить пробел в гражданских спутниковых данных. С 2018 по 2021 год были последовательно запущены преемники GF-1 и GF-3. Многоспутниковая сеть формирует спутниковую группировку, которая улучшает период повторной съемки и пространственное разрешение. На данный момент CHEOS содержит мульти-/ гиперспектральную, оптическую / радарную съемку, находится на солнечно-синхроннай орбите, включает в себя LIDAR (обнаружение света и определение дальности), тепловые инфракрасные датчики, которые представляют собой комплексную платформу наблюдения за Землей с высоким разрешением.

Характеристики спутников GF представлены следующим образом.

2.1 Спутник GF-1

GF-1 был запущен в апреле 2013 года, который был сконфигурирован с двумя панхроматическими камерами, мультиспектральной камерой, четырьмя мультиспектральными камерами среднего разрешения и широкоугольными камерами. Все камеры могут наблюдать за землей одновременно или по отдельности. Наиболее заметным достоинством GF-1 является его широкая полоса обзора (WFV), которая позволяет достичь большой ширины полосы съемки (800 км) и высокой частоты повторной съемки (4 дня). Благодаря ширине полосы съемки он может обеспечить оперативную съемку территории за 2 дня, что значительно превосходит его аналоги.

Спутник GF-1 совершил прорыв в технологии оптического дистанционного зондирования Китая, такой как высокое пространственное разрешение, высокое временное разрешение, передовая технология контроля ориентации, высоконадежная спутниковая технология со сроком службы от 5 до 8 лет, обработка данных с высоким разрешением и другие ключевые технологии (Tong et al., 2016b). Успешный запуск GF-1 имеет большое значение для усовершенствования спутниковых технологий в Китае.

В 2018 году были успешно запущены спутники GF-1 02/03/04, которые сформировали первую в Китае группировку гражданских оптических спутников высокого разрешения с орбитальным спутником GF-1. Каждый спутник оснащен двумя 2/8-метровыми оптическими камерами. По сравнению с GF-1, спутники GF-1 02/03/04 имеют более длительный расчетный срок службы. Три спутника равномерно распределены по орбите Земли, что ускоряет повторную съемку. Благодаря компоновке "geese array" три спутника также могут помочь в стереокартировании и и формировании крупномасштабных изображений. Оперативная группировка, созданная совместно с GF-1 и тремя спутниками GF-1 02/03/04, может сократить период полного покрытия Земли до 11 дней.

2.2 Спутник GF-2

Космический аппарат GF-2 был запущен в августе 2014 года. Сильной стороной GF-2 является очень высокое пространственное разрешение (0,8 м). Это первый в Китае гражданский оптический спутник субметрового уровня. Оно использует две панхроматические (PAN) /мультиспектральные (MS) камеры с полосой съемки 45 км. В дополнение к своему субметровому разрешению, GF-2 также обладает высокой точностью определения местоположения. Благодаря высокоточному определению положения спутника на орбите, определению ориентации, а также высокой стабильности и быстрому управлению ориентацией по крену точность позиционирования спутника GF-2 без наземных контрольных точек достигает 20-35 м. Конструкция датчиков с широкой полосой съемки и высокой частотой повторной съемки позволяет обеспечить период повторной съемки одной и той же территории не более 5 дней. Использование спутниковых данных GF-2 означает, что китайские спутники дистанционного зондирования вступили в субметровую "эру высокого разрешения".

2.3 Спутник GF-3

GF-3 - первый китайский многополяризационный SAR-спутник C-диапазона с разрешением 1 м, который был запущен в 2016 году. Это также самый многополяризационный спутник C-диапазона с самым высоким разрешением во всем мире. Его основные преимущества заключаются в высоком пространственном разрешении, съемке в любое время и при любой погоде, а также в нескольких режимах. Микроволновое изображение, полученное спутником GF-3, обладает хорошей детальностью, позволяет не только получать геометрическую информацию о цели, но и поддерживать применение пользователем высокой количественной инверсии. Спутник GF-3 имеет 12 режимов съемки, включая spotlight, strip map и scan, с четырьмя возможностями поляризации. Кроме того, благодаря сочетанию большой ширины полосы съемки и преимуществ высокого пространственного разрешения GF-3 позволяет проводить не только крупномасштабную съемку, но и детальное обследование конкретных районов, что может удовлетворить потребности разных пользователей в различных форматах.

Конструкция системы спутника GF-3 была полностью оптимизирована. Его основные преимущества включают высокое разрешение, большую ширину съемки, несколько режимов отображения и длительный срок службы. Основные технические показатели достигли или превысили международный уровень аналогичных спутников, значительно улучшив возможности дистанционного зондирования Земли в Китае. Таким образом, GF-3 является важной основой для Китайской системы наблюдения за Землей с высоким разрешением CHEOS для всепогодного круглосуточного дистанционного зондирования Земли.

2.4 Спутник GF-4

Спутник GF-4 был успешно запущен в декабре 2015 года. Установлена панхроматическая/мультиспектральная камера с разрешением более 50 м (ширина полосы съемки с одним обзором более 500 км) и средневолновая инфракрасная камера с разрешением более 400 м (ширина полосы съемки с одним обзором более 400 км). GF-4 имеет интеллектуальный режим работы (универсальный, непрерывный, региональный и маневрирующий), что делает его очень подходящим для борьбы со стихийными бедствиями.

2.5 Спутник GF-5

Спутник GF-5, запущенный в мае 2018 года, является единственным гиперспектральным спутником системы CHEOS, а также единственным, который оснащен тепловым инфракрасным датчиком (TIR). Спутник GF-5 впервые нес полезную нагрузку AHSI, VIMS, GMI, AIUS, EMI и DPC. Он обладает очень мощными возможностями мониторинга атмосферной среды и предоставляет достаточные данные для анализа загрязнения воздуха в Китае. Спутник GF-5 оснащен гиперспектральной камерой, которая сочетает в себе как большую ширину полосы съемки, так и широкие спектральные полосы и может снимать 330 спектральных полос при ширине полосы 60 км и пространственном разрешении 30 м. Более того, четыре канала TIR, пространственное разрешение которых (40 м) намного лучше, чем у существующих датчиков TIR, такие как ASTER (90 м), Landsat-8 (100 м), MODIS (1 км), являются потенциальными для мониторинга городской среды, человеческой деятельности, отслеживания тепла, разведки полезных ископаемых и т.д.

2.6 Спутник GF-6

GF-6 - первый в Китае низкоорбитальный оптический спутник дистанционного зондирования Земли для точного наблюдения за сельским хозяйством. Он был запущен в июне 2018 года. GF-6 является побратимом GF-1. Они имеют одинаковое пространственное разрешение и ширину полосы съемки, но GF-6 обеспечивает съемку в крайнем красном диапазоне для отображения спектральных свойств растительного покрова. GF-6 и GF-1, как спутниковые группировки, в основном обслуживают сельское хозяйство и сельские районы, природные ресурсы, управление чрезвычайными ситуациями, экологическую среду и т.д.

2.7 Спутник GF-7

Режим многоугловой съемки GF-7 аналогичен ZY-3 (первому китайскому спутнику стереокартирования высокого разрешения), но пространственное разрешение GF-7 (0,8 м) было значительно увеличено по сравнению с ZY-3 (2,5 м). Многоугловые данные высокого разрешения позволяют точно моделировать топографию и земную поверхность. Спутник GF-7 осуществляет стереокартирование с помощью комбинированного отображения стереокамеры и лазерного высотомера, обеспечивая съемку и мониторинг природных ресурсов, базовую съемку и картографирование и т.д.

3. ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПУТНИКОВ GF

Благодаря разнообразию типов датчиков и высокому разрешению данных гражданских спутников серии GF, спутники GF успешно применяются в самых разных областях с момента их ввода в эксплуатацию. Спутниковые данные используются в области национального мониторинга стихийных бедствий и смягчения их последствий, исследования ресурсов и мониторинга, управления городским хозяйством, национальной безопасности, мониторинга окружающей среды, национального стратегического планирования и мониторинга крупных проектов. Каждый спутник ориентирован на собственную область применения благодаря своему уникальному дизайну.

Области применения GF-1 значительно шире по сравнению с другими спутниками GF из-за его раннего запуска. Его данные широко применяются в областях динамического мониторинга земель, мониторинга окружающей среды, мониторинга стихийных бедствий и смягчения их последствий и т.д. Изображения, полученные датчиком GF-1 WFV, были признаны эффективными для мониторинга сельского хозяйства и водных ресурсов. Данные GF-1 WFV могут фиксировать спектральные различия между Ulva и Sargassum (Xiao et al., 2021) и могут быть применены для мониторинга макро-грибковых катастроф, красных приливов и т.д. Изображения GF-1 WFV имеют повышенный уровень квантования, высокое отношение сигнал/шум и высокую радиометрическую чувствительность по сравнению со своими предшественниками (например, китайским HJ-1, Landsat-7 ETM+) и обеспечивают многообещающую точность для мониторинга взвешенных твердых частиц на озере Поян, Китай (Li et al., 2015). Данные GF-1 WFV обеспечивают эффективные оценки фракционного растительного покрова, который является важным входным параметром для климатических, гидрологических и других моделей поверхности суши (Jia et al., 2016). Кроме того, GF-1 WFV также может быть использован для оценки биофизических параметров, таких как испарение, влажность почвы, плотность органического углерода почвы и т.д., которые играют решающую роль в прогнозировании урожайности сельскохозяйственных культур, управлении водными ресурсами и исследованиях изменения климата. Изображения GF-1 WFV также были использованы для получения оптических свойств аэрозоля с высоким пространственным разрешением (например, оптическая глубина аэрозоля), которые могут существенно влиять на радиационный баланс атмосферы Земли и оказывать важные климатические и экологические эффекты (Bao et al., 2016). Изображения GF-1 представляли собой большой потенциал в области реагирования на стихийные бедствия и их оценки. Сообщалось, что мультиспектральные изображения GF-1 были успешно применены для мониторинга барьерного озера, образованного оползнями во время землетрясения магнитудой 6,5 в уезде Людянь, провинция Юньнань, Китай, 3 августа 2014 года (Chen et al., 2017a). И GF-1 также был применен для мониторинга сейсмической деформации, вызванной землетрясением магнитудой 6,9 Юйтянь в Синьцзяне, Китай, 12 февраля 2014 года (Li et al., 2016). GF-1 также предоставила данные о наводнениях на Северо-востоке Китая, смоге на Севере Китая и землетрясении в Пакистане.

Спутниковые снимки GF-2 могут предоставить больше деталей местности и пространственной (например, структурной и текстурной) информации благодаря их более высокому пространственному разрешению (субметровый уровень). GF-2 обеспечивает поддержку данными в таких областях, как динамический мониторинг землепользования, усовершенствованное городское управление, планирование дорожного движения, управление ресурсами сельского и лесного хозяйства. Изображения GF-2 могут реализовывать классификацию землепользования на уровне сцены и на уровне пикселей (Tong et al., 2020), анализировать различные стили сельских поселений (Zheng et al., 2017), детектировать городские черные и пахучие водоемы (Shen et al., 2019) и т.д., которые играют важную роль в управлении земельными ресурсами и городско-сельскими отношениями. Изображения GF-2 эффективно применяются в мониторинге лесных и сельскохозяйственных ресурсов благодаря их легкодоступности и высокому разрешению. Он широко используется для оценки древесной надземной биомассы (Shi et al., 2021), объема ствола растущего леса (GSV) (Li et al., 2021b) и мониторинга распределения озимой пшеницы и сельскохозяйственных теплиц, которые имеют большое значение для научного управления сельским хозяйством и лесным хозяйством, динамики экосистем, мониторинга и исследования изменений окружающей среды. Изображения GF2 также могут быть использованы для выделения дорог, оценки плотности движения и т.д., Обеспечивая основу для планирования дорожной сети.

Спутник SAR GF-3 C-диапазона не подвержен влиянию погоды и климата и обладает характеристиками полной поляризации, высоким пространственным разрешением и большой шириной полосы съемки. Это эффективный инструмент для изучения океанов и ледников. Ли и др. (2018) сообщили о возможности четырехполяризационных данных GF-3 для получения информации о ветре на поверхности моря и волновом режиме для получения данных о волнах на поверхности моря. Рен и др. (2017) подтвердили способность GF-3 в каждой поляризации анализировать океанский ветер. Кроме того, также сообщалось о его способности наблюдать за полями океанских волн (включая высоту волны, длину волны и направление) (Yang et al., 2017, Wang et al., 2018). GF-3 был эффективен для обнаружения морских целей, таких как суда, морской лед и т.д. (Ван и др., 2021, Тянью и др., 2021). Кроме того, изображения GF-3 могут также выполняют динамический мониторинг ледников для точного определения местоположения ледяных озер, рек и ледниковых трещин.

Китай является одной из стран, которые страдают от различных стихийных бедствий, например, засухи, тайфуна, наводнения, землетрясения. GF-4 имеет большой потенциал для борьбы со стихийными бедствиями, поскольку предоставляет плотные временные ряды данных для бедствий с медленным процессом (например, засуха), а также для обнаружения их аномальных изменений (Fan et al., 2016). Что еще более важно, GF-4 способен обеспечить экстренное реагирование на наводнения, пожары и землетрясения благодаря своей конструкции, расположению на синхронной с Землей орбите. Изображения GF-4 могут быть применены для мониторинга скорости и направления верхних облаков тайфуна и обеспечения раннего предупреждения о бедствиях, связанных с тайфунами (Liu et al., 2019). Он также может фиксировать мельчайшие изменения и мелкие детали приливно-отливных взвешенных отложений, что полезно для изучения влияния приливов на взвешенные отложения (Chen et al., 2021). Кроме того, был подтвержден его потенциал для обнаружения судов и наблюдения за морским движением, благодаря короткому промежутку времени между сборами данных (Zhang et al., 2017).

GF-5 оснащен 6 различными конструктивными нагрузками, которые широко используются для мониторинга атмосферных аэрозолей, парниковых газов и других элементов окружающей среды, а также для определения температуры поверхности. EMI использовался для измерения распределения диоксида азота (NO2) по всему миру (Yang et al., 2017), в то время как AIUS применялся для измерения O3 и других следовых газов в верхней тропосфере и стратосфере над Антарктидой. DPC может осуществлять многоугловое наблюдение за землей и демонстрирует огромный потенциал в поиске аэрозоля. Полезная нагрузка VIMS может получать четырехканальные изображения TIR с пространственным разрешением 40 метров. Он может широко использоваться для определения температуры поверхности суши и моря с высокой точностью (среднеквадратичная ошибка менее 1K) (Xin et al., 2017). Кроме того, полезная нагрузка AHSI предоставляет новые гиперспектральные данные с 330 видимыми и ближними инфракрасными диапазонами спектра. Сообщается, что его коротковолновые инфракрасные данные имеют высокое отношение сигнал/шум (SNR) и подходят для литологического картирования больших площадей (Bei et al., 2020). Его данные с более высоким спектральным разрешением в 5 нм оказались важным вкладом в распознавание видов мангровых деревьев (Wan et al., 2020).

Новые функции, такие как работа в крайнем красном диапазоне, широкий обзор поля и высокочастотная съемка, позволяют GF-6 широко использоваться в области точного наблюдения за сельским хозяйством. Многовременные данные WFV могут быть использованы для исследования временных рядов индекса вегетации, что имеет большое значение для раскрытия информации о фенологии сельскохозяйственных культур. Добавление крайнего красного канала улучшает возможности картографирования риса и мониторинга роста (Jiang et al., 2021). Кроме того, многовременные данные GF-6 и GF-1 могут быть использованы для точного определения заброшенных полей зизифуса, обеспечивая основу для корректировки сельскохозяйственного производства и борьбы с вредителями и болезнями.

Спутниковые снимки с несколькими видами и мультиспектральными изображениями могут четко описывать плоскостную и вертикальную информацию о городе. Таким образом, применение GF-7 в основном сосредоточено на получении городской 3D-информации, такой как производство цифровых моделей рельефа/местности и 3D-моделирование городских зданий. Например, Луо и др. (2021) и извлекли высоту зданий из цифровых моделей поверхности, полученной по результатам обработки спутниковых снимков GF-7.

4. СРАВНЕНИЕ СПУТНИКОВ GF И ДРУГИХ СПУТНИКОВ ОСНОВНОЙ СЕРИИ

Китайская система наблюдения за Землей с высоким разрешением CHEOS - это финансируемая правительством программа дистанционного зондирования Земли, которая запустила несколько различных типов спутников для исследований. Программа Landsat, финансируемая НАСА и Геологической службой США, является самой продолжительной программой наблюдения за Земли: в период с 1972 по 2013 год было запущено восемь спутников Landsat. Landsat 8 в настоящее время находится в эксплуатации и широко используется благодаря своим богатым запасам архивных данных. Спутники Sentinel являются специализированными спутниками европейской программы Copernicus, и в общей сложности было запущено 6 различных типов спутников. По сравнению с ориентацией Landsat на наземные наблюдения, CHEOS и Sentinel имеют более широкий спектр применений, включая океанографические, метеорологические и наземные наблюдения. Программа CHEOS – это независимая система ДЗЗ Китая. Качество данных спутников GF сопоставимо с ведущим международным уровнем или даже превосходит его, а срок службы больше, что дает спутникам GF большой потенциал применения.

4.1 Сравнение оптических спутников

GF-1, GF-2, Lansat8, Sentinel-2A - это оптические спутники с преимуществами высокой точности данных и широкими диапазонами получения изображения. Они используются в управлении земельными ресурсами, мониторинге изменений, точном земледелии и других областях. Конкретные конструктивные параметры приведены в таблице 2. Эти четыре спутника находятся в хорошем рабочем состоянии, с высоким качеством данных и предоставляют бесплатные данные, которые являются дополнительными источниками данных.

GF-1 и GF-2 имеют высокую согласованность данных, но есть определенные различия с Lansat8 и Sentinel-2A. Как показано в таблице 2, мультиспектральные данные GF-1 и GF-2 имеют самое высокое пространственное разрешение среди этих четырех спутников, достигающее 8 м и 4 м соответственно. Чем выше пространственное разрешение изображения, тем легче получить спектральную информацию о небольших объектах, поэтому динамический диапазон видимого отражения в одной и той же области будет больше. Кроме того, GF-1 и GF-2 имеют самое высокое временное разрешение, а частота повторной съемки составляет всего 4 дня. За исключением разницы в пространственном разрешении, GF-1 и GF-2 имеют примерно одинаковые параметры и высокое сходство.

Lansat8 и Sentinel-2A имеют широкие диапазоны съемки. Sentinel-2A имеет более полное спектральное разрешение в крайнем красном и NIR диапазоне, чем Landsat8. Кроме того, Sentinel-2A разработал такие диапазоны, как аэрозольный, перистый и коротковолновый инфракрасный, которые полезны для идентификации растительности, снега, облаков, льда и т.д. Sentinel-2A обладает большим потенциалом применения, чем Landsat, в глобальном экологическом мониторинге растительности. Соответствующие исследования показали, что сигналы GF-1 и GF-2 в видимом диапазоне выше, чем у Landsat8, и немного ниже, чем у Landsat8 в NIR диапазоне (Yang, 2018, Yang Tianpeng, 2017). Это связано с тем, что Landsat8 устраняет отрицательный эффект поглощения водяного пара при 0,825 мкм в NIR-диапазоне. Спектральные каналы GF-1 и GF-2 в видимом диапазоне шире, чем у Sentinel-2A. Чем шире спектральный диапазон, тем больше энергии получает датчик.

Таким образом, GF-1 и GF-2 имеют преимущества во временном и пространственном разрешении и могут получить больше возможностей датчиков в диапазоне видимого света. Хотя может быть полезно улучшить спектральный диапазон в NIR-зоне, чтобы устранить отсутствие сигнала, вызванного воздействием водяного пара.

4.2 Сравнение спутников SAR

Спутники Sentinel-1 и GF-3 являются спутниками SAR C-диапазона, и технические параметры сравниваются в таблице 3. Sentinel-1 имеет более низкое разрешение (4 м) и меньшее количество режимов работы (Strip Map, Интерферометрический широкий, Сверхширокий, волновой режим). Оба спутника SAR широко используются для мониторинга океана, уменьшения опасности бедствий и в других областях. В исследовании инверсии поля морского ветра Wan et al. (2021) обнаружили, что Sentinel-1 и GF-3 достигли сопоставимых результатов инверсии (среднеквадратичная ошибка менее 2 м/с). Это показывает, что спутник GF-3 обладает удовлетворительным качеством данных и имеет большой потенциал в области морских исследований. Поскольку SAR может предоставлять информацию об интенсивности и фазе, оба спутника могут достигать хороших результатов в совместном мониторинге сейсмических деформаций (Chen et al., 2020), что полезно для предотвращения землетрясений и смягчения последствий стихийных бедствий.

В дополнение к вышеупомянутым спутникам, существует несколько спутников, работающих в группировках GF и Sentinel. Оба спутника находятся на синхронной с Землей орбите, пространственное разрешение GF-4 (50 м) лучше, чем у Sentinel-4 (8 км), а повторный заход намного ниже, чем у Sentinel-4. Таким образом, GF-4 обладает потенциалом в области реагирования на стихийные бедствия. GF-5 и Sentinel-5 предназначены для таких задач, как мониторинг атмосферы, но GF-5 имеет более высокое пространственное разрешение. Кроме того, GF-5 - это гиперспектральный спутник, оснащенный 6 видами полезной нагрузки, такими как AHSI, которой не хватает в серии Sentinel. GF-5 может быть использован для различных исследований, таких как температурная инверсия. Кроме того, Sentinel-3 и Sentinel-6 в основном используются для морского мониторинга. Радиолокационный высотомер на борту Sentinel-6 способен отображать уровень моря, но в группировке GF отсутствуют спутники, предназначенные для мониторинга океана. Наконец, GF7 - это спутник стереоскопической визуализации, который получает трехмерную информацию и имеет важное значение для городского управления, чего в настоящее время нет в группирвоке спутников Sentinel.

Таблица 2. Параметры четырех оптических спутников.

Таблица 3. Параметры GF-3 и Sentinel-1.

Подводя итог, можно сказать, что спутники группировки GF оснащены различными датчиками, такими как оптические/SAR, мульти/гиперспектральные, низкоорбитальные /высокоорбитальные, тепловые инфракрасные, и области их применения шире, чем у Sentinel. Стоит отметить, что временное и пространственное разрешение серии GF, как правило, лучше, чем у спутников группировки Sentinel, которая может предоставлять высококачественные данные для удовлетворения потребностей практического применения.

5. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Китайская индустрия дистанционного зондирования достигла высокого уровня в результате реализации программы CHEOS. Спутниковые данные GF играют важную роль на внутреннем рынке, и было внедрено большое количество основных технологий (например, получение, обработка и применения данных) для дистанционного зондирования с высоким разрешением. Однако есть проблемы, но есть и перспективы для дальнейшего развития.

5.1 Проблемы

1) Предварительная обработка изображений GF может быть улучшена. Например, Китайский центр ресурсов спутниковых данных и применения (CRESDA) опубликовали радиометрические калибровочные коэффициенты GF-4, точность и неопределенность которых не были проверены. Поэтому пользователи склонны использовать перекрестную калибровку в качестве альтернативы для калибровки изображений GF-4, ссылаясь на другие спутниковые данные, например, Landsat (Chen et al., 2017b). Эта проблема также возникла для других спутников GF. Другая серьезная проблема заключается в том, что точность геопозиционирования изображений GF неудовлетворительна, что может привести к серьезным проблемам с сопоставлением изображений, мозаикой изображений и анализом временных рядов.

2) Возможности спутников GF по наблюдению за Землей заслуживают дальнейшего изучения и развития. В частности, гиперспектральная камера GF-5 может предоставлять снимки в более 300 спектральных каналах, поэтому специалисты изучают, является ли ее радиометрическая модель точной и могут ли быть удовлетворены требования заказчиков. Следует также отметить, что система оптических спутников была создана эффективно. Но разработка спутников SAR все еще не завершена, и в системе CHEOS имеется только один радиолокационный спутник (GF-3). В дополнение к несбалансированному развитию типов датчиков, существуют также текущие недостатки, такие как сходные высоты орбит и перекрывающиеся спектральные диапазоны (Sun et al., 2020).

3) В настоящее время многие исследования, связанные со спутниками, сосредоточены на обработке данных, но прикладных исследований относительно недостаточно. Например, спутники серии GF используются в областях мониторинга атмосферных аэрозолей, лесного хозяйства и сельскохозяйственных ресурсов, мониторинга землепользования и т.д., но они не показали своих должных преимуществ в областях исследования минеральных ресурсов и мониторинга океана. Одной из причин отсутствия литературы и дисбалансов является короткая история разработки китайских спутников дистанционного зондирования и недостаточное количество архивных данных, что приводит к несовершенному механизму распределения и совместного использования данных.

5.2 Перспективы

В настоящее время Китайская система наблюдения за Землей с высоким разрешением CHEOS - это исследовательская программа, направленная на решение ряда ключевых и сложных научных и технологических проблем, связанных с дистанционным зондированием с высоким разрешением. В будущем это может превратиться в инженерный проект, например, в национальную инфраструктуру пространственных данных, которая может удовлетворить основные стратегические потребности страны, такие как национальная оборона, ресурсы и окружающая среда, сельское хозяйство, лесное хозяйство, предотвращение стихийных бедствий и смягчение их последствий и т.д.

Более того, продвижение и развитие CHEOS зависит от межотраслевой ассоциации, особенно от сотрудничества между университетами и национальными министерствами/комиссиями. Университеты и институты могут сыграть важную роль в разработке универсальных технологий и обучении талантов. Стоит отметить, что международное влияние CHEOS не очень велико, отчасти из-за политики конфиденциальности данных.

Рекомендации

Бао, Ф.В., Гу, Х.Ф., Чэн, Т.Х., Ван, Ю., Го, Х., Чен, Х., Вэй, Х., Сян, К.С. & Ли, Ю.Н., 2016. Алгоритм поиска оптических свойств аэрозоля с высоким пространственным разрешением с использованием китайского спутника наблюдения за Землей с высоким разрешением I. IEEE Transactions on Geoscience Remote Sensing, 54 (9), 5544-5552.

Бэй, Ю., Тянь, С.Ф., Ченг, К.М. и Ге, Ю.З., 2020. Применение литологического картирования на основе изображений GF-5 AHSI.

Чен, К., Чжоу, Б., Ю, З.Ф., Ву, Дж. и Тан, С.Л., 2021. Обнаружение мельчайших изменений общего содержания взвешенных веществ в Сильных приливных водах на основе спутниковых данных GaoFen-4. Дистанционное зондирование, 13(7), 1339.

Чен, Х., Ли, Дж., Чжан, Ю.Ф., Цзян, У.Г., Тао, Л.Л. & Шен, У., 2017а. Основанный на доказательствах метод слияния для обнаружения оползневых барьерных озер по изображениям дистанционного зондирования, покрытых облаками. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations Дистанционное зондирование, 10 (5), 1742-1757.

Чен, Х., Пэн, Дж. Х., Мотаг, М., Чжэн, Ю.З., Ши, М.Ю., Ян, Х.Л. и Цзя, К.Р., 2020. Сопутствующая сейсмическая деформация землетрясения Цзючжайгоу 2017 года магнитудой 7,0, наблюдаемая с помощью интерферометрии GaoFen-3. Международный журнал дистанционного зондирования, 41 (17), 6618-6634.

Чен, Ю.П., Сун, К.М., Ли, Д.Р., Бай, Т. & Хуан, К.К., 2017b. Радиометрическая перекрестная калибровка датчика GF-4 PMS на основе ассимиляции изображений landsat-8 OLI. Дистанционное зондирование, 9(8), 811.

Fan, Y.D., Wu, W., Liu, M., Li, S.J., He, H.X. & Shu, Y. Анализ возможностей GF—4 по борьбе со стихийными бедствиями. 2016 Международный симпозиум IEEE по геонауке и дистанционному зондированию (IGARSS), 10-15 июля 2016 г. 2016 Пекин, Китай. IEEE, 3746-3749.

Цзя, К., Лян, С.Л., Гу, Х.Ф., Барет, Ф., Вэй, Х.К., Ван, Х.Х., Яо, Ю.Дж., Ян, Л.К. и Ли, Ю.В., 2016. Алгоритм оценки фракционного растительного покрова для китайских данных GF-1 wide field view. Дистанционное зондирование окружающей среды, 177(184-191.

Цзян, Х.К., Фанг, С.Х., Хуан, Х., Лю, Ю.Х. и Го, Л.Л., 2021. Составление карт риса и мониторинг роста на основе временных рядов изображений GF-6 и крайнего красного диапазона. Дистанционное зондирование, 13(4), 579.

Ли, Д.Р., Ван, М. & Цзян, Дж., 2021a. Китайские оптические спутники дистанционного зондирования земли с высоким разрешением и их картографическое применение. Геопространственная информатика, 24 (1), 85-94.

Ли, Дж., Чен, Х.Л., Тянь, Л.К., Хуан, Дж. и Фенг, Л., 2015. Улучшенные возможности китайского спутника дистанционного зондирования с высоким разрешением GF-1 для мониторинга взвешенных твердых частиц (SPM) во внутренних водах: радиометрические и пространственные соображения. ISPRS Journal of Photogrammetry Remote Sensing, 106, 145-156.

Ли, Х.М., Чжан, Т.Ю., Хуан, Б.К. и Цзя, Т., 2018. Возможности китайского радара с синтезированной апертурой Gaofen-3 в отдельных областях для наблюдений за побережьем и океаном. Дистанционное зондирование, 10 (12), 1929.

Ли, Х., Лин, Х., Лонг, Дж.П. и Сюй, Х.Д., 2021b. Составление карты объема растущего ствола хвойных насаждений в Северном Китае с использованием мультиспектральных данных из интегрированных изображений GF-2 и Sentinel-2 и оптимизированного метода выбора переменных признаков. Дистанционное зондирование, 13(14), 2740.

Ли, Х., Лю, Х.Л., Ван, К., Цзян, Ю.Х. и Ли, Л. Извлечение поля сейсмической деформации с использованием китайских оптических спутников. 2016 Международный симпозиум IEEE по геонауке и дистанционному зондированию (IGARSS), 10-15 июля 2016 г. 2016 Пекин, Китай.

IEEE, 2332-2335.

Лю, Дж.Дж., Чжэн, Г., Ян, Дж.С. и Ван, Дж., 2019. Верхнее поле движения облаков тайфуна Меги-2016, показанное на снимках GF-4. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 57 (7), 4427-4444.

Ло, Х., Хэ, Б., Го, Р.З., Ван, В.Х., Куай, Х., Ся, Б., Ван, Ю., Ма, Д. и Се, Л., 2021. Извлечение и моделирование городских зданий с использованием GF-7 DLC и мультиплексных изображений. Дистанционное зондирование, 13(17), 3414.

Рен, Л., Ян, Дж.С., Муш, А., Ван, Х., Ван, Дж., Чжэн, Г. & Чжан, Х.Г., 2017. Предварительный анализ четырехполяризационных измерений китайского SAR GF-3 для извлечения ветров в каждой поляризации. Дистанционное зондирование, 9(12), 1215.

Шен, К., Яо, Ю., Ли, Дж.С., Чжан, Ф.Ф., Ван, С.Л., Ву, Ю.Х., Йе, Х.П. и Чжан, Б., 2019. Алгоритм чистоты цвета CIE для обнаружения черной и пахучей воды в городских реках с использованием мультиспектральных изображений дистанционного зондирования высокого разрешения. IEEE Transactions on Geoscience Remote Sensing, 57 (9), 6577-6590.

Ши, Ю.Л., Ван, З.Х., Лю, Л.Ю., Ли, К.Ю., Пэн, Д.Л. и Сяо, П.Л., 2021. Улучшение оценки древесной надземной биомассы разреженных смешанных лесов над экосистемой засушливых земель путем объединения снимков Landsat-8, GaoFen-2 и данных съемки с беспилотных летательных аппаратов. Дистанционное зондирование, 13(23), 4859.

Сун, В.В., Ян, Г., Чен, К., Чанг, М.Х., Хуан, К., Мэн, Х.З. и Лянъюнь, Л.Ю., 2020. Состояние разработки китайских спутников дистанционного зондирования Земли и анализ литературы по ним. Журнал дистанционного зондирования, 24 (5), 479-510.

Чжан, Т.Ю., Ян, Ю., Мохаммед, С., Ми, К.Л., Ли, Х.М., Ченг, Х. и Хуэй, Ф.М., 2021. Классификация морского льда на основе глубокого обучения с использованием полностью поляриметрических данных SAR Gaofen-3. Дистанционное зондирование, 13(8), 1452.

Тонг, Х.Д., 2016а. Разработка китайской системы наблюдения за Землей с высоким разрешением. Журнал дистанционного зондирования, 20 (5), 775-780.

Тонг, Х.Ю., Ся, Г.С., Лу, К.К., Шен, Х.Ф., Ли, С.Ю., Ты, С.С. и Чжан, Л.П., 2020. Классификация растительного покрова с использованием изображений дистанционного зондирования высокого разрешения с использованием передаваемых глубинных моделей. Дистанционное зондирование окружающей среды, 237, 111322.

Тонг, Х.Д., Чжао, В.Б., Син, Дж. и Фу, У. Состояние и развитие китайской системы наблюдения за Землей с высоким разрешением и ее применение. 2016b Международный симпозиум IEEE по геонауке и дистанционному зондированию (IGARSS), 10-15 июля 2016 2016b Пекин, Китай. IEEE, 3738-3741.

Ван, Л.М., Лин, Ю.Ю., Чжан, Х.С., Ван, Ф., Лю, М.Ф. и Лин, Х., 2020. Гиперспектральные данные GF-5 для картирования видов мангровых лесов в Май По, Гонконг. Дистанционное зондирование, 12(4), 656.

Ван, Ю., Го, С., Ли, Л.Г., Цюй, Х.Дж. и Дай, Ю.С., 2021. Оценка качества данных Sentinel-1 и GF-3 SAR для инверсии поля ветра. Дистанционное зондирование, 13(18), 3723.

Ван, Х., Ван, Дж., Ян, Дж.С., Рен, Л., Чжу, Дж. Х., Юань, Х.З. & Се, К.Х., 2018. Эмпирический алгоритм для извлечения значительной высоты волны из данных о волновом режиме, предоставленных китайским спутником Gaofen-3. Дистанционное зондирование, 10(3), 363.

Ван, Х.К., Ли, Г., Плаза, А. и Он, Ю., 2021. Обнаружение судна на изображениях SAR с помощью улучшенного неотрицательного разреженного локального представления векторов Фишера. IEEE Transactions on Geoscience Remote Sensing, 59 (11), 9424-9438.

Сяо, Ю.Ф., Лю, Р.Дж., Ким, К.Ю., Чжан, Дж. и Цуй, Т.В., 2021. Алгоритм на основе случайного леса для распознавания Ulva prolifera и Sargassum на мультиспектральных спутниковых снимках. IEEE Transactions on Geoscience Remote Sensing, 60, 1-15.

Синь, Ю., Рен, Х.З., Лю, Р.Ю., Цинь, К.М., Лю, Ю. и Донг, Дж.Дж., 2017. Оценка температуры поверхности суши по китайским спутниковым данным Gaofen-5 с использованием алгоритма разделения окон. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 55 (10), 5877-5888.

Ян Б., Ли Д., Гао Г.С., Чен К., Ван Л., 2018. Обработка и анализ данных Sentinel-2A и применение для засушливых долин. Дистанционное зондирование земли и ресурсов, 30 (3), 128-135.

Ян, Дж.С., Рен, Л., Ван, Дж., Чжэн, Г. и Ли, Х.Х. Предварительное получение данных об океанских ветрах и волнах с недавно запущенных китайских космических микроволновых датчиков. Международный симпозиум IEEE по геонауке и дистанционному зондированию 2017 года (IGARSS), 2017 Форт-Уэрт, Техас, США. IEEE, 4040-4045.

Ян, Т.П., Ян, У.Дж., Чжан, Ю., 2017. Исследование преобразования мультиспектральной информации дистанционного зондирования GF-1 WFV, Landsat-8 OLI и Sentinel-2A MSI. Журнал Восточно-Китайского педагогического университета (Естественные науки), 6), 136-146.

Чжан, З.Л., Шао, Ю., Тянь, В., Вэй, К.Ф., Чжан, Ю.З. & Чжан, К.Дж., 2017. Потенциал применения изображений GF-4 для динамического мониторинга судов. IEEE Geoscience Remote Sensing Letters, 14 (6), 911-915.

Чжэн, X.Y., Ву, Б.В., Уэстон, М. В., Чжан, Дж., Ган, М., Чжу, Дж., Дэн, Дж.С., Ван, К. & Тен, Л.М., 2017. Подразделение сельского поселения с использованием ландшафтных показателей в качестве пространственной контекстуальной информации. Дистанционное зондирование, 9(5), 486.