洪涝灾害卫星遥感监测技术与实践|风云系列卫星发展历程

（一）风云系列卫星

发展我国自己的气象卫星的最初设想是由周恩来总理于1969年11月提出来的。我国气象卫星的发展开始于20世纪60年代末、70年代初，分为极地轨道卫星系统和地球静止轨道卫星系统，被命名为“风云”系列，缩写成FY，用FY-奇数来表示极轨卫星系列、用FY-偶数表示地球静止系列（张文建，2001）。气象卫星获取的大气和地表信息，已被广泛应用于天气预报、气候预测、环境和自然灾害监测、农业等多个国民经济领域，为国家经济发展、社会进步做出了贡献，成为我国现代化气象业务系统中不可或缺的重要组成部分，也被世界气象组织正式列为世界天气监视网全球观测系统的一个组成部分（许健民，2010）。

1.风云一号

风云一号（FY-1）气象卫星是中国研制的第一代太阳同步轨道气象卫星，共4颗（表2-24）。风云一号气象卫星也是我国最先研制和发射的对地遥感应用卫星，解决了太阳同步轨道卫星的发射和精确入轨、长寿命的三轴稳定姿态卫星平台、高质量的可见和红外扫描辐射计、全球资料的星上存储和回放、对卫星的长期业务测控和管理、地面资料接收处理应用系统的建设和长期业务运行等一系列关键技术问题。1988年9月7日，我国自行研制的第1颗极轨气象卫星FY-1A卫星发射成功，卫星图像纹理清晰，层次丰富，在轨工作39天；1990年9月3日发射的FY-1B卫星在轨正常运行5个半月；1999年5月10日，我国的第1颗三轴稳定太阳同步极地轨道业务气象卫星FY-1C卫星发射成功，在轨工作了4年零9个月，揭开了我国气象卫星长寿命高可靠连续稳定业务化运行的序幕；2002年5月15日发射成功的FY-1D卫星，2012年4月停止运行。

表2-24　风云一号卫星主要参数

2.风云二号

风云二号（FY-2）气象卫星是我国在轨业务运行的第一代静止气象卫星。截至2014年12月31日，已成功发射7颗（表2-25）。其中FY-2A/B/C/D已离轨，目前在轨运行的静止气象卫星为FY-2E/F/G三颗（赵现纲，2016）。FY-2系列卫星在技术发展上经历了3个主要阶段：01批试验卫星阶段，以FY-2A/B卫星为代表，完成了FY-2卫星主要探测功能的验证，并开展了星地数据传输与接收、多站测定轨、图像定位等关键技术的攻关，星地业务流程基本确立；02批业务卫星阶段，以FY-2C/D/E卫星为代表，建立了稳定的星地业务观测系统，攻克了高精度图像定位关键技术，定量化应用初具规模，服务效益凸显；03批业务卫星阶段，以FY-2F卫星及其后续卫星为代表，以全面提升定量化应用水平为主要目标（郭强，2013）。

表2-25　风云二号卫星主要参数

风云二号静止气象卫星定点在约36 000km的地球赤道上空（钱云，2008）。风云二号静止气象卫星获得国际电联（ITU）认可的3个空间网络位置，即86.5°E、105°E和123.5°E（钱云，2007）。风云二号02批卫星业务模式分为正常业务模式和汛期业务模式。正常业务模式每小时获取1幅全圆盘图，从正点开始观测。汛期工作模式在正常业务模式之上增加观测，每半个小时能够获取1幅北半球图像（钱建梅，2005）。

3.风云三号

风云三号（FY-3）气象卫星是我国的第二代极轨气象卫星，它是在FY-1气象卫星技术基础上的发展和提高，在功能和技术上都向前跨进了一大步。主要是解决三维大气探测，大幅度提高全球资料获取能力，进一步提高云区和地表特征遥感能力，从而能够获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数。主要目的是为中期数值天气预报提供全球均匀分辨率的气象参数，监测大范围自然灾害和地表生态环境，研究全球变化包括气候变化规律，为气候预测提供各种气象及地球物理参数（范天锡，2002）。FY-3卫星在与台风、风暴、洪水、干旱、雪、沙尘暴和雾，以及农业、林业、海洋、生态和环境灾害相关的宏观动态的大尺度自然灾害方面尤为重要（杨忠东，2013）。

作为新一代的风云极轨业务卫星，FY-3由2颗研发卫星和至少4颗业务卫星组成。FY-3A和FY-3B是技术研发卫星，2颗卫星设计相同，FY-3A为上午轨道卫星，FY-3B为下午轨道卫星（表2-26、表2-27）。同第一代风云极轨气象卫星相比，FY-3A和FY-3B卫星的综合对地观测能力有了大幅度的提高，主要包括：光学成像幅宽从千米级提高到了百米级，首次实现了微波成像遥感、综合三维大气垂直探测、地球辐射收支探测、臭氧等大气痕量组分的探测（张鹏，2012）。

表2-26　FY-3A/3B卫星有效载荷的主要参数

表2-27　FY-3A/3B卫星主要参数

（二）海洋系列卫星

海洋卫星发展规划按照海洋水色环境（海洋一号，HY-1）卫星、海洋动力环境（海洋二号，HY-2）卫星、海洋雷达（海洋三号，HY-3）卫星3个系列发展，目标是达到业务化、长寿命、不间断稳定运行，满足海洋监视监测现代化、科学化、信息化、全球化的要求，为海洋环境监测、海洋权益维护、海洋防灾减灾、国民经济建设和国防建设提供服务（王希，2012）。海洋卫星可在海洋赤潮和污染、海浪、海冰、海洋溢油等海洋灾害监测和预报方面发挥重要作用（罗亚威，2005；张建锋，2009）。海洋卫星总体技术特征见表2-28。

表2-28　海洋卫星总体技术特性（白照广，2008）

海洋一号A卫星（HY-1A）是我国海洋水色卫星系列中第一颗业务试验小卫星，主要用于探测海洋水色环境要素，包括叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、可溶有机物、水温、污染物以及浅海水深和水下地形等（潘德炉，2002）。HY-1A卫星于2002年5月15日9时50分在太原卫星发射中心由长征四号乙火箭一箭双星发射升空，在完成了7次变轨后，于2002年5月27日到达798km的预定轨道，并于2002年5月29日按预定时间有效载荷开始进行对地观测。该卫星安装了水色水温扫描仪（Chinese Ocean Color and Temperature Scanner，COCTS）和海岸带成像仪（Coastal Zone Imaging，CZI）2个遥感器（潘德炉，2011）。海洋一号B卫星（HY-1B）卫星是HY-1A卫星的后续星，是我国第二颗海洋水色卫星，在HY-1A卫星的基础上研制，其观测能力和探测精度进一步增强和提高（林明森，2015）。HY-1B卫星于2007年4月11日发射成功，实现了由试验应用型向业务服务型卫星的过渡，使我国海洋立体监测体系得到进一步完善（国家卫星海洋应用中心，2014）。

海洋二号卫星是我国首颗海洋动力环境探测卫星，主要用于监测和探测海洋动力环境参数，实现全天候、全天时对海面风场、海面高度场、浪场、海洋重力场、大洋环流和海表温度场等重要海洋参数的监测（张庆君，2013）。海洋二号A卫星（HY-2A）于2011年8月16日6时57分在太原卫星发射中心成功发射，星上搭载微波散射计、雷达高度计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计共4个微波遥感器，具有全天时、全天候、全球连续探测的能力（蒋兴伟，2013）。

（三）资源系列卫星

1986年4月国务院批准了资源一号卫星立项，我国开始首颗传输型光学遥感卫星的研制。1988年3月4日中巴双方的专家讨论确定了《中巴联合研制资源卫星的工作报告》，并就合作事宜明确了以下基本原则：双方以平等、互利和互惠的原则联合研制中巴地球资源卫星（China-Brazil Earth Resource Satellite，CBERS）；双方同意以中国资源一号卫星总体方案为基础；同时明确了CBERS工程的任务目标是，利用先进的空间遥感技术为中国和巴西两国的农业、林业、地质、水文、测绘和环境等资源的调查、开发、管理和监测服务；促进中巴两国遥感和空间技术的发展和应用。1988年7月6日，两国政府代表正式签订了《中华人民共和国政府和巴西联邦共和国政府关于核准研制地球资源卫星的议定书》，从此双方正式开始了卫星的联合研制工作（张庆君，2009）。资源一号系列卫星基本参数见表2-29。

表2-29　资源一号系列卫星基本参数

资源一号01卫星（CBERS-01）于1999年10月14日成功发射，开创了中国航天遥感新的里程碑。经过在轨测试后，于2000年3月2日正式移交给中国资源卫星应用中心，转入应用运行阶段，于2003年8月13日停止工作（申岩，2006）。资源一号01卫星传感器基本参数见表2-30。

表2-30　资源一号01卫星传感器基本参数

资源一号02卫星（CBERS-02）于2003年10月21日成功发射，卫星指标基本和资源一号01卫星相同，主要用于监测国土资源的变化，测量耕地面积；估计森林蓄积量、农作物长势、产量和草场载畜量及每年变化；监测自然和人为灾害；快速查清洪涝、地震、风沙等破坏情况；对沿海经济开发、滩涂利用、水产养殖、环境污染提供动态情报；勘探矿产资源，监督资源的合理开发等（武佳丽，2008）。资源一号02卫星传感器基本参数见表2-31。

表2-31　资源一号02卫星传感器基本参数

CBERS-02B卫星（表2-32）接替CBERS-02卫星。与CBERS-02卫星相比，去掉了多光谱扫描仪IRMSS，增加轻型高分辨率相机HR，提高了定位精度，满足了高分辨率相机的观测要求。此外，除了提供20m和258m分辨率多光谱数据外，还可提供2.36m高分辨率的全色数据，可较好地满足大比例尺资源调查、测绘、城市规划与管理、精细农业等方面的应用要求，同时可实现中、高分辨率数据的互补与结合，拓展了资源卫星的应用领域（黄伟锋，2010）。

表2-32　资源一号02B卫星传感器基本参数

资源一号02C卫星（CBERS-02C）于2011年12月22日在太原卫星发射中心发射成功。CBERS-02C卫星是一颗填补中国国内高分辨率遥感数据空白的卫星（胡凤伟，2012）。资源一号02C卫星的主要任务是获取全色和多光谱图像数据，可以广泛应用于国土资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境监测等国家重大工程领域。CBERS-02C卫星搭载了3台相机、1台全色多光谱相机PMS和2台全色高分辨率相机HRA/HRB（杨博，2013），具有2个显著特点：一是配置的10m分辨率PMS多光谱相机是我国民用遥感卫星中最高分辨率的多光谱相机；二是配置的2台2.36m分辨率的HR相机使数据的幅宽达到54km，从而使数据覆盖能力大幅度提高，卫星重访周期大大缩短（文雄飞，2012）。资源一号02C卫星传感器信息见表2-33。

表2-33　资源一号02C卫星传感器基本参数

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资源一号03卫星（CBERS-03）于2013年12月9日上午11：26在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭发射，火箭飞行过程中发生故障，卫星未能进入预定轨道。资源一号04卫星（CBERS-04）于2014年12月7日在太原卫星发射中心成功发射。它携带的成像载荷在载荷多样性、空间分辨率、辐射分辨率和信噪比等方面得到了进一步提升。尤其是40m/80m分辨率的红外相机数据填补了民用国产遥感卫星在此类数据源上的空白（王密，2016）。资源一号04卫星传感器基本参数见表2-34。

表2-34　资源一号04卫星传感器基本参数

资源三号（ZY-3）卫星是我国自主研发的首颗民用三线阵立体测绘卫星，于2012年1月9日成功发射。主要用于全国1∶5万基础地理信息产品生产，1∶2.5万以及更大比例尺地形图的修测和更新，同时为国土资源调查和监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通等领域的应用提供服务和保障（唐新明，2013）。资源三号卫星主要搭载有1台地面分辨率2.1m的高分辨率正视全色延时积分成像（TDI CCD）相机、2台地面分辨率优于3.6m的前视、后视全色TDI CCD相机和1台地面分辨率优于6.0m的正视多光谱相机（唐新明，2012），具体参数见表2-35、表2-36。

表2-35　资源三号卫星设计指标

表2-36　资源三号卫星载荷指标

（四）环境减灾系列卫星

“环境与灾害监测预报小卫星星座”是我国专用于生态环境和灾害大范围、全天候动态监测的卫星，采取多颗卫星组网飞行的模式，每两天就能实现一次全球覆盖。“环境与灾害监测预报小卫星星座”A、B两颗卫星通过一箭双星的方式，于2008年9月6日上午11：25在太原卫星发射中心用长征二号丙运载火箭发射，卫星进入预定太阳同步轨道（范一大，2008）。A、B 2颗卫星是光学小卫星，A星搭载了2台宽覆盖CCD相机、1台高光谱成像仪（HSI），B卫星搭载2台宽覆盖CCD相机、1台红外相机（IRS）等有效载荷，轨道参数见表2-37。

表2-37　环境减灾卫星轨道参数

环境减灾卫星高光谱成像仪是我国第一台对地观测星载成像光谱仪，也是第一颗用于航天对地观测的干涉成像光谱仪，其基本参数见表2-38。

表2-38　HJ-1A高光谱成像仪基本参数

红外相机主要具有以下几个方面的特点和应用能力：成像幅宽达到720km，基本能满足较大自然灾害一次成像覆盖的需求；星下点地面像元分辨率热红外通道300m，其他3个通道达到150m，特别是中红外通道，相对于千米级分辨率的中分辨率成像光谱仪MODIS和风云（FY）卫星数据，较高的空间分辨率对于火点识别有重要意义；通道设置比较合理，热红外、中红外和近红外互相结合，可提取地面辐射信息、土壤墒情、识别云雪等，因此可以有效满足雪灾、干旱、火灾等灾害的应用需求（刘三超，2010）。红外相机基本性能指标见表2-39。

表2-39　HJ-1B红外相机基本性能指标

（五）高分系列卫星

1.高分一号卫星

高分一号（GF-1）卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项天基系统中的首发星。卫星历经30个月的研制，于2013年4月26日由长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射基地成功发射入轨（白照广，2013）。高分一号具有如下特点：一是单星上同时实现高分辨率与大幅宽的结合，2m高分辨率数据成像幅宽大于60km，16m分辨率成像幅宽大于800km，满足多种空间分辨率、多种光谱分辨率、多源遥感数据综合应用需求；二是实现无地面控制点50m图像定位精度。高分一号卫星主要设计指标见表2-40。

表2-40　高分一号卫星主要设计指标

2.高分二号卫星

高分二号（GF-2）卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项研制的卫星，是迄今为止我国研制的空间分辨率最高、观测幅宽最大、设计寿命最长的民用遥感卫星。卫星历经36个月的研制，于2014年8月19日由长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心成功发射入轨。其主要目的是突破亚米级高分辨率大幅宽成像、长焦距大F数轻小型相机设计、高稳定度快速姿态侧摆机动、图像高精度定位、低轨道遥感卫星长寿命高可靠设计等关键技术，大幅提升我国遥感卫星观测效能，打破高分辨率对地观测数据依赖进口的被动局面，推动我国高分辨率对地观测卫星及应用水平的提升，提高国家高分辨率对地观测系统重大专项工程的社会和经济效益。高分一号卫星主要设计指标见表2-41。

表2-41　高分二号卫星主要设计指标

3.高分四号卫星

高分四号（GF-4）卫星于2015年12月29日在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射，经过4次变轨于1月4日成功定点地球同步轨道，并于当日首次开机成像并下传数据。高分四号卫星主要用于综合防灾减灾、气象预警预报、森林资源调查、荒漠化监测、环境治理等领域。2016年1月5日，卫星成功向地面发回首张图像。高分四号是我国首颗地球同步静止轨道高分辨率光学成像遥感卫星，通过指向控制，实现对中国及周边地区的观测，卫星定点于105.6°E，长期驻留在赤道上空36 000km的地球同步轨道上（范一大，2016）。高分四号卫星主要参数见表4-24。

表2-42　高分四号卫星主要参数

（六）北京系列卫星

小卫星具有成本低廉、研制周期短、方式灵活、易于发射等优点。小卫星技术与微电子、微机械和新材料等高新技术相结合，实现了遥感技术从承载平台角度的一个革命性创新，能够以较高的时间和空间分辨率对地球环境进行观察和监测，获取高质量的遥感影像（童庆禧，2007）。为了进一步缓解和解决我国各行业对遥感数据不断增长的需求和我国自主遥感数据源紧缺之间的矛盾，以及在城市规划、环境保护、工程设计、灾害监测等诸多方面缓解对高分辨率遥感资料的迫切需求，在国家科技部、北京市政府、国土资源部、国家测绘局等部门的支持下，通过与英国萨瑞卫星技术有限公司（Surrey Satellite Technology Co Ltd.，SSTL）合作，于2005年10月27日在俄罗斯成功发射了北京一号小卫星。北京一号（BJ-1）卫星数据广泛应用于国土、生态、海洋、防灾减灾等领域。北京一号的有效载荷包括一台较高分辨率的全色相机和一台多光谱相机。总体技术特性见表2-43。

表2-43　北京小卫星总体技术特性

北京二号（BJ-2）卫星星座，即3颗第三代灾害监测星座（DMC-3）卫星于2015年7月11日0：28，搭载印度极轨卫星运载火箭发射升空。该星座系统包括3颗亚米级全色、优于4m多光谱分辨率的光学遥感卫星以及自主研建的地面系统等。3颗卫星位于同一轨道平面，每日都能重访预定区域，可面向全球提供空间和时间分辨率俱佳的遥感卫星数据和空间信息产品，执行多种不同类型影像的拍摄任务，适用于防灾减灾（谢博，2015），同时可为国家重大需求及“一带一路”、京津冀协同发展和长江经济带三大国家战略实施提供空间信息服务，更可为北京城市科学管理决策及冬奥会举办等提供重要的空间信息支撑，并广泛应用于国土、农业、生态环境和城市精细化管理等领域（http：//www.21at.com.cn/）。

TERRA卫星、NOAA系列卫星、风云系列卫星、海洋系列卫星等低空间分辨率卫星因其重访周期高、产品内容丰富、产品标准化程度高的特点及其超高的重访周期，能有效地提高灾害范围监测的效率，并可实现在一天内开展多次洪涝灾害范围动态变化监测。LANDSAT系列卫星、ALOS系列卫星、环境减灾卫星、资源系列卫星因其长时间序列、中空间分辨率的特征，为洪涝灾害范围变化分析和洪涝成因分析提供了丰富的数据源。SPOT系列卫星、QuickBird卫星、IKONOS卫星、OrbView系列卫星、JERS-1卫星、Resurs DK-1卫星、IRS系列卫星、GeoEye系列卫星、WorldView系列卫星、Rapideye卫星、高分系列卫星、北京系列卫星因其高空间分辨率的特征，在洪涝灾害导致的实物量损毁监测领域发挥着重要的作用。

总之，不同卫星遥感数据的特点不同，正好满足洪涝灾害事件应急响应中的实时观测、多种数据产品支持等需求，所以在一次洪涝灾害事件的应急响应过程中，通常需要多星协同观测。