Китайские оптические спутники дистанционного зондирования с высоким разрешением и их картографическое применение

Дерен Ли , Ми Ван и Цзе Цзян

С начала двадцать первого века несколько стран приложили большие усилия к развитию дистанционного зондирования из космоса для создания системы наблюдения за Землей с высоким разрешением. В настоящее время Китай активно разрабатывает технологии получения изображений с помощью дистанционного зондирования, в том числе высокого разрешения. Разработка спутников ДЗЗ с высоким разрешением значительно продвинула и обогатила современные картографические технологии и методы. В данной статье мы рассмотрим состояние разработки, а также способы картографирования и применения китайских спутников ДЗЗ с высоким разрешением; обсудим также тенденции развития системы наблюдения за Землей с высоким разрешением для глобального и наземного картографирования без опорных точек как основу для последующего развития спутников дистанционного зондирования с высоким разрешением в Китае.

1. Введение

В 1957 году Советский Союз запустил первый в мире искусственный спутник Земли, открыв эру наблюдения за Землей из космоса. В 1972 году в Соединенных Штатах был успешно запущен первый спутник наземного наблюдения Landsat-1, который осуществлял съемку Земли со средним разрешением. В 1986 году был запущен первый ресурсный французский спутник ДЗЗ SPOT-1, открывший гражданский рынок спутников дистанционного зондирования. В 1994 году Соединенные Штаты издали директиву PDD-23, разрешающую экспорт данных с высоким разрешением 1 м. Директива PDD-23 способствовала активной разработке коммерческих спутников высокого разрешения.

В 1999 году в Соединенных Штатах был запущен IKONOS, первый коммерческий спутник высокого разрешения с разрешением 1 м, что ознаменовало начало новой эры коммерческих спутников. Превосходные возможности спутников с высоким разрешением оказали огромное влияние на военную и экономическую сферу. Несколько стран конкурируют в области создания систем ДЗЗ с высоким разрешением, и многие спутники с высоким разрешением были успешно запущены, такие как QuickBird, WorldView, Pleiades, CARTOSAT и т.д.. В соответствии с совместным предложением многих ученых в области дистанционного зондирования Китая, Система ДЗЗ с высоким разрешением стала одним из основных научно-технических проектов (именуемый проектом Gaofen) в Национальном среднесрочном и долгосрочном плане планирования научно-технического развития (2006-2020 годы). Проект Gaofen был запущен и реализован в 2010 году с целью создания независимой и передовой системы ДЗЗ с высоким разрешением, значительно способствующей повышению базового технологического уровня всей отрасли дистанционного зондирования и стимулирующей широкое развитие спутников высокого разрешения в Китае.

За последнее десятилетие Китай самостоятельно разработал, запустил и эксплуатировал несколько серий спутников высокого разрешения, в том числе серии Ziyuan (ZY) и серии Gaofen (GF). Не только сокращается технологический разрыв с зарубежными странами, но и достигается лидирующая позиция по количеству и характеристикам по сравнению с аналогичными спутниками, запущенными другими странами мира. Частные предприятия все активнее участвуют в коммерциализации спутников ДЗЗ, тем самым пополняя независимые источники данных ДЗЗ с высоким разрешением.

Основываясь на кратком изложении и анализе развития китайских спутников высокого разрешения и коммерческих спутников высокого разрешения, в этой статье представлены характеристики спутников и применение данных китайских спутников с высоким разрешением, которые помогают понять прогресс китайского ДЗЗ с высоким разрешением и служат ориентиром для будущего развития спутников высокого разрешения.

2. Разработка спутников дистанционного зондирования земли с высоким разрешением в Китае

Китай начал разрабатывать спутники дистанционного зондирования с высоким разрешением с момента запуска спутника CBERS-02B в 2007 году. Спутник CBERS-02B, изготовленный совместно Китаем и Бразилией, впервые был оснащен камерой с высоким разрешением 2,36 м. Он находился на орбите 2 года и 7 месяцев и был выведен из эксплуатации в апреле 2010 года. В 2011 году Китай запустил независимо разработанный спутник ZY-1 02C, характеристики которого были такими же, как у CBERS-02B, заменив CBERS-02B для исследования земельных ресурсов.

В 2012 году был запущен первый гражданский китайский спутник ДЗЗ в оптическом диапазоне для картографирования с высоким разрешением ZY-3. Камера с трехстрочной матрицей (TLC), которой он оснащен, позволяет получать стереоизображение в трех направлениях с разрешением 2,1 м в надир и 3,5 м при съемке вперед и назад. Стереоизображения ZY-3 могут быть использованы для создания топографической карты масштаба 1:50 000. В 2016 году был запущен спутник ZY-3 02, работающий вместе с запущенным спутником ZY-3. Разрешение изображений при съемке вперед и назад увеличилось с 3,5 м до 2,5 м.

В 2013 году был запущен первый спутник проекта GaoFen, GF-1, со следующими характеристиками: высокое пространственное разрешение 2 м и ширина полосы съемки 800 км. В 2014 году был запущен первый гражданский субметровый спутник дистанционного зондирования земли GF-2, который имеет пространственное разрешение менее 1 м. Впоследствии были последовательно запущены геостационарный спутник высокого разрешения GF-4 с максимальной скоростью передачи данных три снимка в минуту, гиперспектральный спутник GF-5 с интегрированной возможностью дистанционного зондирования земли и атмосферы, первый спутник ДЗЗ для точного сельского хозяйства GF-6 со сверхширокой полосой съемки, спутник стереосъемки для картографирования GF-7 с субметровым разрешением и т.д.

В 2018 году была запущена первая гражданская спутниковая группировка Китая с высоким разрешением, состоящая из трех спутников под названием GF-1 02/03/04 с одинаковыми характеристиками и орбитами. После того, как эти три спутника были объединены в группировку, они могут выполнять съемку всей Земли с периодичностью 2 дня. Совместно со спутником GF-1, запущенным в 2013 году, эти три спутника могут снять весь земной шар за 11 дней с частотой повторной съемки 1 день.

Основные параметры снимков со спутников ДЗЗ с высоким разрешением, запущенных в Китае, перечислены в таблице 1. Пространственное разрешение, количество каналов и периодичность повторной съемки постоянно улучшаются, а спектральный диапазон и площадь покрытия расширяются. На рисунке 1 показаны три спутниковых снимка GF-6, включая панхроматическое изображение, мультиспектральное изображение и изображение со сверхшироким охватом. На рисунке 1(а) показано панхроматическое изображение с разрешением 2 м, полученное 9 сентября 2019 года, на изображении представлен Шицзячжуан, Китай. На рисунке 1(б) показано мультиспектральное изображение с разрешением 8 м на ту же территорию 1(а). На рисунке 1(c) показано изображение с широким полем зрения с полосой обзора шириной 800 км, полученное спутником GF-6 6 мая 2019 года, на изображении представлен Тяньцзинь, Пекин, Хэбэй и северная Шаньси.

Рисунок 1. Панхроматический (a), мультиспектральный с каналами 4, 3 и 2 (b) и снимок с широким полем зрения с каналами 3,2 и 1, полученные спутником GF6.

Таблица 1. Основные характеристики китайских спутников дистанционного зондирования земли с высоким разрешением.

Примечание: HR: высокое разрешение; CCD: ПЗС (прибор с зарядовой связью); WFI: широкоугольный сканер; P: панхроматический; MS: мультиспектральный; WFV: широкое поле зрения; SAR: радар с синтезированной апертурой; VNIR: видимый и ближний инфракрасный диапазоны; MWIR: средний инфракрасный диапазон; AHSI: усовершенствованный гиперспектральный сканер; VIMS: визуальный и инфракрасный мультиспектральный датчик; DLC: dual-line array camera.

3. Разработка коммерческого спутника дистанционного зондирования земли с высоким разрешением в Китае

В условиях быстрого и непрерывного развития аэрокосмической промышленности спутнику высокого разрешения, построенному исключительно правительством, трудно удовлетворить растущий спрос на данные дистанционного зондирования с субметровым разрешением. В 2014 году Государственный совет опубликовал Руководящее заключение об инвестиционных и финансовых механизмах в ключевых областях для поощрения социальных инвестиций (документ № 60), что побудило частный капитал в Китае принять участие в применении и развитии спутниковой промышленности. Появилось большое количество инновационных предприятий, специализирующихся на исследованиях и разработках коммерческих спутников, а также на их использовании, таких как Chang Guang Satellite Technology Co., Ltd. (CGSTL), Zhuhai Obita Aerospace Technology Co., Ltd. (Obita), Beijing Space View Technology Co., Ltd. (BSVT) и 21st Century Aerospace Technology Co., Ltd. (21AT). Такой подход способствует развитию коммерческих спутниковых группировок с высоким разрешением. В настоящее время коммерческие спутниковые группировки дистанционного зондирования высокого разрешения в Китае, построенные за счет негосударственного финансирования, в основном включают TripleSat, Jilin-1, Zhuhai-1 и SuperView-1. Подробные параметры спутников приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры китайских коммерческих спутников высокого разрешения.

В 2015 году была запущена спутниковая группировка Triplesat британского производства, состоящая из трех оптических спутников ДЗЗ с 1 м панхроматическим и 4-метровым мультиспектральным датчиками. Частота повторной съемки этой спутниковой группировки может достигать 1 дня.

В 2015 году четыре спутника серии «Jilin-1» были запущены одной ракетой. Jilin-1 - первая по-настоящему независимая серия коммерческих спутников дистанционного зондирования земли в Китае. Группировка состоит из четырех спутников: один оптический спутник с названием GXA с разрешением 0,72 м в панхроматическом и 2,88 м в мультиспектральных каналах, два спутника для получения видео высокой четкости – HD с названиями SP01 и SP02 с разрешением 1,12 м и один спутник LQ для верификации с разрешением 5 м. Затем были последовательно запущены шесть спутников для получения видео высокой четкости SP03–08, два мультиспектральных спутника с 26 каналами GP01 и GP02, три панхроматических и мультиспектральных оптических спутника GF03A, 02A и 02B и один спутник с широкой полосой съемки KF01. После 9 запусков все 16 спутников серии Jilin-1 выведены на орбиту и представляют собой группировку, которая может снимать любую точку мира 5-7 раз в день, предоставляя данные ДЗЗ для различных отраслей.

В 2016 году спутники SuperView-1 01 и 02 были успешно запущены одной ракетой. В 2018 году были запущены спутники SuperView-1 03 и 04. Четыре спутника серии SuperView-1 с одинаковыми техническими характеристиками работают в одной орбитальной группировке с разрешением 0,5 м и могут повторно снимать любую цель в течение 1 дня. SuperView-1 является первой в Китае коммерческой спутниковой группировкой, которая может обеспечить высокую маневренность и многорежимность съемки. BSVT отвечает за глобальную коммерческую эксплуатацию этой группировки. Она будет полностью построена к 2022 году.

С 2017 года запущена коммерческая микро-наноспутниковая группировка Zhuhai-1. Orbita планирует запустить 34 спутника для этой спутниковой группировки. К настоящему времени было запущено три группы спутников по 12 штук. Первая включает в себя два видеоспутника OVS-1A и 1B, которые могут получать цветные видеоданные высокого разрешения менее 1,98 м. Вторая состоит из одного видеоспутника OVS-2 и четырех гиперспектральных спутников OHS-01, 02, 03 и 04. Пространственное разрешение спутника OVS-2 было увеличено с 1,98 м у OVS-1 до 0,9 м. Спутники OHS-01, 02, 03 и 04 могут получать гиперспектральные данные в 256 каналах. Спутниковые данные и типы третьей группы такие же, как и второй.

4. Разработка и применение режима картографирования с оптических спутников высокого разрешения

Благодаря постоянному совершенствованию производительности и разнообразию спутников с высоким разрешением картографирование с их помощью стало успешным средством получения необходимой географической информации, национальным стратегическим ресурсом. Основываясь на принципе фотограмметрии, для картографирования с помощью данных оптических спутников высокого разрешения в основном используется съемка высот, полученная по стереоизображениям одной и той же территории, снятой в видимом диапазоне с одной и той же или со смежных орбит под разными углами. Режимы отображения имеют три основные формы: TLC, DLC и Single-Line Array/Area Array Camera (SLC/SAC). В этом разделе статьи рассмотрены типичные картографические спутники в качестве примеров для внедрения и применения картографирования по данным оптической спутниковой съемки с высоким разрешением.

4.1. Картографический спутник ZY-3

Спутник ZY-3 – это китайский гражданский стереокартографический спутник первого поколения с высоким разрешением. TLC, установленный на спутнике, является самым ранним методом космической фотограмметрии, принятым в Китае. TLC состоит из сенсоров pushbroom, направленных вперед, назад и в надир. Режим стереоизображения TLC показан на рисунке 2. Надирный сенсор расположен вертикально по отношению к точке под спутником, передний сенсор наклонен вперед на +22° от надирного, а задний наклонен назад на -22°. TLC непрерывно перемещается вдоль направления полета для создания трех перекрывающихся изображений с полосой съемки шириной 52 км. Таким образом, получаются стереоизображения с тремя видами одной и той же наземной точки. Основываясь на построении строгих пространственных отношений объект – изображение, координаты объекта соответствующих точек изображения в стереоизображениях могут быть вычислены путем прямого пересечения. Затем может быть составлена топографическая карта.

Рисунок 2. Режим стереоизображения TLC

Пространственное разрешение датчика в надире составляет 2,5 м, в то время как разрешение сенсоров, направленных вперед и назад составляет 3,5 м. Изображение в надире имеет относительно высокое пространственное разрешение, и разница в проекции, вызванная рельефом местности, может быть сведена к минимуму съемкой вертикально земле. Надирные снимки используются для получения ортофотоснимков с высоким разрешением, а стереоизображения с трех направлений используются для расчета высот. Спутник ZY-3 также оснащен мультиспектральным датчиком с разрешением 6,8 м, включающим синий, зеленый, красный и ближний инфракрасный спектральные каналы. После объединения мультиспектральных и панхроматических изображений с высоким разрешением точность интерпретации наземных объектов может быть улучшена. С момента своего запуска в 2012 году спутниковые данные ZY-3 использовались во многих картографических приложениях, полностью поддерживая основные национальные геодезические и картографические проекты, такие как динамическое обновление национальной базы данных первичной географической информации 1:50 000, первая национальная географическая перепись и создание моделей поверхности в масштабе 1:25 000 в западных районах.

Рассматривая в качестве тестовых данных 150 изображений TLC, охватывающих провинцию Шаньдун (показано на рисунке 3), точность картографирования со спутника ZY-3 была проверена с использованием 1090 контрольных пунктов высокоточной глобальной системы позиционирования (GPS), измеренных в полевых условиях. Точность геометрического позиционирования изображений ZY-3 до и после блочного уравнивания (BA) без наземных контрольных точек (GCPs) показана в таблице 3. До BA точность позиционирования изображений была слабой, и не было очевидной систематической ошибки. После блочного уравнивания среднеквадратичная ошибка (RMSE) на равнинах и высотах была выше 5 м, а общая точность изображений была одинаковой. В то же время точность высот ZY-3 может быть дополнительно повышена до 3 м с использованием данных лазерного высотомера (LAD), полученных с помощью системы лазерных высотомеров Geoscience (GLAS), установленной на спутнике Ice, Cloud и Land Elevation (ICESat), для оказания помощи в блочном уравнивании.

Рисунок 3. Снимки TLC со спутника ZY-3 провинции Шаньдун

При поддержке технологий обработки, таких как блочное уравнивание без наземных контрольных точек и высокопроизводительные вычисления, Уханьский университет и другие центры изучили крупномасштабные и высокоточные картографические технологии и программное обеспечение без GCPs, демонстрируя применение с использованием десятков тысяч изображений TCL со спутника ZY-3 по всей. Результат высокоточного картографирования ZY-3 показан на рисунке 4(а). Пекинским университетом гражданского строительства и архитектуры, Ганноверским университетом Лейбница, Европейской академией наук и искусств в Зальцбурге и Институтом исследований экологических систем (ESRI) было проведено международное совместное исследование по составлению карт высокогорий. Китай завершил картографирование высокогорья региона Нанга Парбат в самой западной части Гималаев с использованием снимков ZY-3, основанных на технологии картографирования, разработанной Уханьским университетом на китайском программном обеспечении, как показано на рисунке 4(b). Этот результат будет сопоставлен с историческими картами, составленными Германией с 1930 по 1980-е годы, и картами, созданными с использованием других спутниковых изображений и программного обеспечения ESRI. Изменения окружающей среды в этом регионе за последние десятилетия будут проанализированы позже.

Рисунок 4. Результаты картографирования высокогорий Китая. (a) Результат высокоточного картографирования. (b) Результат картографирования региона Нанга-Парбат

4.2. Картографический спутник GF-7

Спутник GF-7 – это китайский гражданский картографический спутник высокого разрешения второго поколения. Его основная задача - реализовать в Китае гражданское стереокартографирование со спутника в масштабе 1:10 000. DLC, которым он оснащен, имеет субметровое разрешение. Передний сенсор наклонен вперед на +26° для получения панхроматического изображения с разрешением 0,8 м. Направленный назад датчик наклонен на -5°, что позволяет получать панхроматические и мультиспектральные изображения с разрешением 0,65 м и 2,6 м соответственно. Режим стереоизображения DLC показан на рисунке 5. DLC перемещается вдоль направления полета для создания двух перекрывающихся полос изображений шириной 20 км для получения стереоизображения с двумя видами одной и той же наземной точки. Аналогично TLC ZY-3, координаты точки объекта могут быть вычислены путем прямого пересечения соответствующих точек изображения для DLC. Однако разница между TLC и DLC заключается в том, что TLC может обеспечить съемку с трех направлений, в то время как DLC может обеспечить пересечение с двух.

Рисунок 5. Режим стереоизображения DLC

DLC спутника GF-7 использует асимметрично спроектированное пересечение изображений. Направленные вперед и назад панхроматические изображения можно использовать для создания стереоизображений, а направленные назад изображения с приблизительно вертикальной съемкой можно использовать для получения ортофотоснимков. Чтобы решить проблему картографирования масштаба 1: 10 000 в регионе Китая с меньшим количеством контрольных точек, GF-7 также оснащен 2-лучевым лазерным высотомером, который позволяет получать LAD с точностью до более 1 м по высоте. LAD может помочь в обработке блочного уравнивания при последующей наземной обработке, тем самым еще больше повышая точность картографирования по спутниковым данным. Спутник GF-7 прошел испытания на орбите. Его предварительная оценка показывает, что производительность спутника GF-7 может соответствовать точности картографирования в масштабе 1:10 000.

4.3. Спутник для картографирования однолинейных массивов/массивов площадей

В отличие от профессиональных картографических спутников, таких как ZY-3 и GF-7, спутники дистанционного зондирования с высоким разрешением, оснащенные одной камерой, обладают специфическими картографическими возможностями. Эти спутники, оснащенные SLC (Single-linear camera) или SAC (Single-area camera), в основном используют изменения положения для проведения наблюдений одного и того же объекта из разных точек. Это такие спутники, как SuperView-1 и видеоспутник Jilin-1. Режимы стереосъемки SLC и SAC показаны на рисунках 6 и 7 соответственно. Во время полета спутника по одной орбите положение снимка со спутника корректируется, в то время как SLC сканирует один и тот же объект вдоль направления полета спутника. Если позволяют условия ориентации, SLC может получать пары изображений с несколькими соотношениями базовых высот. SAC не нужно двигать и сканировать, и за одну экспозицию можно получить одно изображение. Благодаря настройке положения SAC также может получать снимки с несколькими углами для одного и того же региона.

Рисунок 6. Режим стереоизображения SLC

Рисунок 7. Режим стереоизображения SAC

Картографические спутники, оснащенные SLC или SAC для стереосъемки с несколькими режимами, требуют контроля положения с высокой стабильностью и высокоточных измерений ориентации и параметров орбиты. Хотя разрешение SLC и SAC может достигать субметрового уровня, они обладают слабым геометрическим контролем по сравнению со стабильными режимами отображения TLC и DLC. Для выполнения крупномасштабного картографирования SLC и SAC требуется значительный наземный контроль. Более того, ширина изображения SLC и SAC ограничена его субметровым разрешением, например, ширина полосы съемки спутника SuperView-1 с пространственным разрешением 0,5 м составляет всего 12 км. Таким образом, использование SLC и SAC в основном ограничено территориями относительно небольшой площади.

5. Выводы

В данной статье мы рассмотрели разработку китайских спутников ДЗЗ с высоким разрешением и их применение в картографии. В разработке китайских спутников дистанционного зондирования земли с высоким разрешением достигнут значительный прогресс. Производительность одного спутника растет, группировки из нескольких спутников стали тенденцией, неуклонно продвигается вперед коммерциализация спутников. Благодаря выгодному дополнению коммерческих спутников ДЗЗ с высоким разрешением система спутникового мониторинга с высоким разрешением становится все более распространенной и полной. Растет число режимов спутникового картографирования с высоким разрешением, включая TLC, DLC и SLC/SAC, которые могут соответствовать требованиям к общемировому отображению в масштабе 1:50 000 и 1:10 000 к общенациональному. Однако задача глобального охвата и обновления карт остается сложной. Необходимо продолжать развивать систему картографирования без наземного контроля, и необходимо постоянно внедрять новые картографические технологии, такие как радиолокационная спутниковая интерферометрия и лазерная высотометрия, в дополнение к традиционным средствам картографирования по данным оптической съемки. Спутниковая система дистанционного зондирования высокого разрешения нуждается в дальнейшем совершенствовании, чтобы улучшать её использование в картографических приложениях.

Авторы

Дерен Ли – профессор и председатель Академического комитета Государственной ключевой лаборатории информационной инженерии в области геодезии, картографии и дистанционного зондирования Уханьского университета. Он был избран членом Китайской академии наук в 1991 году и членом Китайской инженерной академии в 1994 году. Получил степень доктора философии в Университете Штутгарта, Германия. В 2008 году ему было присвоено звание почетного доктора ETH, Швейцария. Его научные интересы включают фотограмметрию и дистанционное зондирование, глобальную навигационную спутниковую систему, географическую информационную систему, а также их инновационные интеграции и применения.

Ми Ван – профессор Государственной ключевой лаборатории информационной инженерии в области геодезии, картографии и дистанционного зондирования Уханьского университета. В 2001 году получил степень доктора философии в Уханьском университете. Его исследовательские интересы включают наземную обработку спутников дистанционного зондирования земли с высоким разрешением, а также интеграцию и быстрое обновление фотограмметрии и ГИС.

Цзе Цзян – профессор Школы геоматики и городской пространственной информатики Пекинского университета инженеров-строителей и архитектуры. Она получила степень доктора философии в Китайском горно-технологическом университете (Пекин) в 2000 году. Ее научные интересы включают извлечение информации о дистанционном зондировании со спутников, сетевую службу географической информации, а также модель географических данных внутренней и наружной навигации.