设计寿命8年,高分五号卫星发射后究竟能干啥?

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高分五号是一颗高光谱卫星,所谓“高”可不是光波的频率高,而是说划分的光谱波段多。高光谱遥感卫星相比普通卫星可以提供更为丰富的细节信息,既可以探测大气,也可以探测陆地。它搭载有6项载荷,拥有二十多种观测手段,代表了中国遥感探测的最高水平。

出品| 网易新闻

作者| 肖洒,北京师范大学定量遥感硕士在读

一周前,中国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射高分五号卫星,这是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星,也是中国发射的光谱分辨率最高的卫星,它填补了中国国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白,能够动态反映中国大气污染状况。

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高分5号成功发射

这究竟是怎样一颗卫星?它是如何实现大气污染的动态探测的?关于这颗卫星,你想了解的都在这儿了。

(一)体系庞大的高分家族,个个都不简单

本次发射成功的高分五号卫星,是中国高分专项中的一颗重要卫星。所谓高分专项,是指2010年经由国务院批准的16个重大科技专项之一,它的全称是“高分辨率对地观测系统重大专项”。此专项至少包括9颗遥感卫星及其它观测平台。除高分五号外,其他四位已发射的“高分兄弟”也各显神通,使得中国的对地观测系统有了质的飞跃。

1.高分一号:一次宽幅成像可以覆盖4个北京市的面积

高分一号2013年4月26号由长征二号丁运载火箭送入距离地面645千米的太阳同步回归轨道,它主要有两种成像模式:宽幅成像和高分成像。

在宽幅成像模式下,卫星星下点分辨率优于16米,成像范围大于800千米。一次成像可以覆盖64000平方公里的国土,这相当于4个北京市的面积,是名副其实的看得大、看得多。

高分一号卫星覆盖的国土范围

2.高分二号:成像幅宽达到世界最高水平

如果说高分系列的大哥高分一号的特长是看得大的话,那么它的二弟高分二号的特长就是看得清。

高分二号于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。其轨道高度为613千米,星下点分辨率达到了0.8米,成像幅宽45千米。

高分二号是中国首颗亚米级民用遥感卫星,它的成功入轨标志着中国在亚米级高分辨率卫星中幅宽达到世界最高水平。

高分二号拍摄的93阅兵,图中可以清楚的看到接送贵宾的大巴车

由于超高的分辨率,高分二号在土地确权、国土资源调查、房屋面积提取等方面有着很重要的作用,下图是利用高分二号卫星结合图像分割算法提取的城市房屋。图中红色的被标记为房屋,可以看到在图像上的房屋基本上得到了有效的提取。

高分二号提取房屋结构

3.高分三号:拥有12种成像模式,微波遥感数据不再依赖进口

高分三号由长征四号丙运载火箭在2016年8月10号发射升空入轨。

高分三号拍摄的图片不像大家平常所认为的卫星影像那样,因为它是一颗合成孔径雷达成像卫星(SAR)。合成孔径雷达的优点在可以穿云破雾,不受天气条件限制正常工作。

高分三号传回的首批微波遥感影像之一

高分三号有12种成像模式,既可以观测陆地,也可以观测海洋;既能进行大范围的国土资源详查,也可以根据需要在一段时间内对固定地点连续成像,也就是可以得到同一个地方在一段时间内的多幅影像。

中国以前虽然也有合成孔径雷达卫星在轨运行,但是远远不能满足需要。高分三号是世界上成像模式最多的合成孔径雷达卫星,它的成功发射标志着中国结束了微波遥感数据严重依赖进口的局面,不仅为国家节约了大量的外汇,同时也为中国国防信息安全提供了有效的保证。

4.高分四号:世界上分辨率最高的地球静止轨道卫星

与前面三颗卫星比起来,高分四号在分辨率上看起来没那么厉害,但是它也有自己独特优势。

高分四号于2015年12月29日成功发射,它是一颗地球静止轨道卫星,定位在东经105.6°的赤道上空,距离地面高36000千米。高分四号相对于地球是静止的,这就使得它能够对中国及其周边地区进行高时间分辨率的连续观测。能够对特定地区进行分钟级别甚至秒级的观测,在时间就是生命的灾害防治等方面有着重大作用。

高分四号是世界上分辨率最高的地球静止轨道卫星,它的成功发射显著提高了中国天基遥感观测能力,在国土资源普查、防灾减灾、农作物估产等方面有着重要的作用。

高分四号拍摄的黄河三角洲

(二)“视力”与众不同,高光谱卫星究竟是个啥?

我们在文章开始时提到,高分五号卫星是一颗高光谱卫星,那么,究竟什么是高光谱卫星?它又和我们一般见到的卫星有什么区别呢?

要了解高光谱,首先要弄清楚什么是光谱。

对于彩虹,想必大家都并不陌生,其实,它就是太阳光经过折射后形成的最常见的光谱。在科学上,我们把电磁波在真空中传播的频率或波长,递增或者递减排列,所构成的电磁波谱就叫做光谱。

地球上的不同物质具有不同的光谱特征,因此光谱也被看做是识别和分析物体的重要依据,光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式。我们要获得一个物质的形状、尺寸信息,可以通过肉眼去观察该物体的像,而如果想要获得肉眼看不到的细节、该物质的成分信息,就要用到光谱分析了。

那么,什么又是高光谱呢?这里的“高”可不是指光波的频率高,而是说划分的光谱波段多。高光谱全称高光谱分辨率,是指利用很窄而连续的光谱通道对地面物质持续遥感成像的技术。

从可见光到短波红外波段,其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级。传统的彩色成像(也叫多光谱成像)只能记录红绿蓝三个通道的影像,且每个通道的带宽很宽,而高光谱成像所记录的通道数量可以达到数百个,且光谱通道很窄,分辨率很高,其光谱探测范围远远超过了人类肉眼的感知范围,能够探测人眼无法看到的大量信息,提高人们对自然和物质的认识。

例如美国的AVIRIS卫星,在0.4到2.45微米的波长范围内有220个波段,德国的RORIS卫星在0.43到0.86微米的波长范围内有103个波段,这意味着高光谱图像所反映出来的信息远远比多光谱图像要精细,可以用来对地物进行精确的识别。

举个形象的例子,在对树种的识别上,多光谱图像只能告诉你这里是一棵树,而高光谱图像能通过光谱曲线之间的微小差异告诉你这里是一棵什么树。

由于高光谱遥感影像提供了更为丰富的地球表面信息, 其应用领域已大大拓展, 涵盖地球科学的各个方面, 在固体地球研究特别是地质应用, 矿化带和蚀变带的制图、矿物信息的提取、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物和物理研究等领域发挥着越来越重要的作用。

高光谱遥感对水稻品种的精细识别

(三)高分五号高光谱卫星厉害在哪儿?

作为高分专项里的第五颗卫星,高分五号是世界上第一颗同时对陆地和大气进行综合观测的卫星,它的设计寿命高达8年,因此还是中国设计寿命最长的遥感卫星。

高分五号一共有6个载荷,分别是可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪和大气痕量气体差分吸收光谱仪。在卫星设计研制上,高分五号实现了多项技术突破。

高分五号的六大载荷

高分五号卫星所搭载的可见短波红外高光谱相机是国际上首台同时兼顾宽覆盖和宽谱段的高光谱相机,在60千米幅宽和30米空间分辨率下,可以获取从可见光至短波红外(400~2500nm)光谱颜色范围里,330个光谱颜色通道,颜色范围比一般相机宽了近9倍,颜色通道数目比一般相机多了近百倍,其可见光谱段光谱分辨率为5纳米,几乎相当于一张纸厚度的万分之一,因此对地面物质成分的探测十分精确。

而另一个载荷大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪,是中国首个采用太阳掩星观测方式的甚高光谱分辨率红外光谱仪,光谱分辨率高达0.03个波束,实现了国产仪器精度的新突破。

还有它搭载的大气主要温室气体监测仪,是国际上首台采用空间外差干涉体制进行温室气体探测的有效载荷,可用于区域大气环境监测,分析全球温室气体起源与经风向传播的“旅行图”,为气候变化研究及环境外交提供基础数据。

而六载荷之一的大气痕量气体差分吸收光谱仪是中国第一台用于二氧化硫、二氧化氮、臭氧等全球污染气体探测的高光谱有效载荷,其天底观测角度达114度。它就像一个超高清广角镜,在距离地球700多公里的太空,不但一天就可以覆盖全球,而且能“看到”大气中含量极少的二氧化硫等污染气体,并定量监测其分布、变化和输运过程。

另一个名为大气气溶胶多角度偏振探测仪的设备,则可以实现大视场和多角度成像,也就是说,高分五号可以对地表任一目标实现9到11个角度的全方位观测,可用于雾霾、大气颗粒物等大气环境监测及气候变化研究。

高分五号卫星在轨效果图

除了载荷满满黑科技外,高分五号卫星还是目前国内探测手段最多的光学遥感卫星,也是国内首颗同时具有多光谱、高光谱、偏振、多角度、掩星、耀斑等多种观测手段的光学遥感卫星,可实现多种观测数据融合应用,就像一个全能运动员。

高分5号光谱分辨率在0.3纳米左右,是中国光谱分辨率最高、定量化性能最高、探测手段最多的卫星,极高的光谱分辨率使得它既可以探测大气,也可以探测陆地。

结语

高分五号作为高分家族里唯一一颗高光谱卫星,它的发射成功对于中国遥感探测具有重要意义。

高分五号及高分专项先期发射的4颗卫星各司其职,在空间分辨率和时间分辨率以及光谱分辨率实现了高中低的全覆盖,大大提高了中国遥感应用的水平,将中国的民用遥感提升到了世界第一梯队,接下来的高分系列其他卫星必将大大扩大高分家族的业务范围,实现中国遥感产品的完全自主化。

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编辑| 孙健航、史文慧

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