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中科院遙感地球所:讓國產陸地衛星“玩得轉”

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隨著我國社會經濟發展迅猛,資源環境問題日益突出,利用遙感衛星這只“眼睛”來觀察地球,已經成為一種必不可少的手段。在國家民用空間基礎設施規劃中,僅21家部委就提出了144項業務需求,全部涉及衛星遙感應用。

然而,不管是國際還是國內,氣象海洋衛星的定量遙感應用廣泛,但陸地衛星定量遙感卻一直是個難題。

作為中國最大的遙感與對地觀測研究機構之一,中國科學院遙感與數字地球研究所科研團隊決心突破這一難題。最近,由該所牽頭,聯合中國資源衛星應用中心、中國國土資源航空物探遙感中心、中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所、新疆維吾爾自治區衛星應用中心、環境保護部衛星環境應用中心及中科遙感科技集團有限公司、二十一世紀空間技術應用股份有限公司、浙江大學等完成的“國產陸地衛星定量遙感關鍵技術及應用”項目取得一系列重大突破,榮獲2016年國家科學技術進步獎二等獎。

“不會用、不好用、用不好”的國產陸地衛星

“陸地衛星定量遙感在國際上是個難題,國產陸地衛星在中國區域的定量遙感應用更是難上加難。”中科院遙感地球所負責人、研究員顧行發說。

長期以來,我國陸地衛星在各領域應用規模一直狹小,其瓶頸就是從數據到信息的定量轉化水平低。

“不會用”、“不好用”、“用不好”是當前我國陸地衛星定量遙感的三大“弊病”。國產衛星受國外核心器件封鎖,數據噪音大、圖像不清晰、定標精度低,導致數據不好用;我國大氣渾濁、地形起伏多變,反演模型復雜,導致數據不會用;國產數據雜多、應用標準缺乏、規模化程度低,導致數據用不好。

針對這3大難題,歷時十余年,在多個國家級重大科研項目支持下,“國產陸地衛星定量遙感關鍵技術及應用”項目圍繞國產衛星數據定量化質量跨越提升、中國區域遙感信息高精度定量反演、定量遙感規模化工程處理這一主線展開了攻關。

“這個項目,就是要去構建適合我國的陸地衛星定量遙感技術體系,打通‘應用第一公里瓶頸’,實現國產陸地衛星數據的好用、會用、用好。”顧行發說。

技術:各個擊破

針對陸地衛星定量遙感技術存在的問題,項目團隊采取了“各個擊破”的方式,每一顆“子彈”消滅一個“敵人”,化解了一個又一個難題。

為解決國產衛星數據不好用的問題,團隊從三個層次開展技術攻關,使數據質量總體達到美歐同等水平,從源頭保障了國產陸地衛星的定量化應用。譬如,針對國產衛星數據噪音大的問題,研究人員創建了線陣CCD相機分時、分亮度、分視場相對輻射校正技術,使圖像噪音和色差由項目實施前的10%降低到小于1.5%。

我國復雜的大氣環境讓國際通用大氣校正模型“競折腰”。“為了解決這個問題,我們開展了中國區域多站點、長期大氣監測,構建了6類中國典型氣溶膠模型。”顧行發說。通過這些“國產”模型的構建,京津冀地區2014年有效數據天數由原來的64天提高到了173天。

此外,我國山區起伏的地形導致定量反演誤差很大。科研人員創建了耦合地表方向反射和大氣多次散射的山地輻射傳輸模型,將山區地表反射率相對誤差降至平原地區水平,使我國陸地衛星定量應用區域范圍由原來的35%提高到95%以上。

去除了復雜大氣和起伏地形的影響,團隊又創建了9類115個全國適用的高精度定量遙感反演模型集,顯著提高了農作物估產、資源與環境監測等定量應用水平,瓦解了衛星數據“不會用”的難題,實現了衛星數據的高精度、大范圍、多領域綜合應用。

目前,在農業應用領域,作物估產等精度達到95%以上。在地礦調查領域,復雜地形條件下構造、巖性等解譯精度則提高了10%以上。

沒有規矩,不成方圓。國產衛星數據之所以“用不好”,與缺乏相應的標準、規范不無關系。為此,攻關團隊建立了我國第一套定量遙感標準規范,研建了具有完全自主知識產權的陸地衛星星群綜合數據預處理系統,支撐了18個行業、11個區域業務應用系統的建設,陸地衛星數據預處理能力躍居全球第一。

應用:遍地開花

技術的壁壘一旦突破,中國國產陸地衛星的應用迎來了“春天”。項目成果在國土、農業等18個行業、京津冀等11個區域得到廣泛應用,并推廣到43個國家和地區,取得了巨大的社會經濟效益和國際影響力。

好消息開始從各行各業傳來。國產陸地衛星成為國土資源大調查主力數據源,節省了購買國外數據的巨額資金,調查周期由12年1次縮短到1年1次。大規模衛片執法得到有力推動,有效遏制了違法用地和非法采礦,自2006年以來,全國違法圖斑量降低了16倍。

在農業領域,作物長勢等14種全國農情信息業務化監測得以實現,數據國產化率達90%以上,精度提升到95%。自2006年起,項目定量遙感反演技術成果應用于全國糧食生產形勢監測,共累計監測全國作物面積80億畝、農業災害26億畝,實現間接經濟效益283億元。

在生態環境領域,構建的定量反演模型集應用于國產陸地衛星的全球陸表典型要素高精度提取,成果連續2年被全球生態環境遙感監測報告采用。

在災害應急中,為東北洪澇、四川雅安、云南魯甸地震等重特大災害救援提供了災情監測與評估技術支撐。同時,中國衛星還為澳大利亞森林火災、泰國洪澇災害、土耳其地震等提供了國際援助,提升了我國自主衛星國際影響力。

截至目前,我國陸地衛星定量遙感技術體系有效支撐了16顆國產陸地衛星定量遙感應用。數據日處理能力由10余景提高到1萬景,用戶由不足20家擴展至全國3900家,國內數據占有率由5%提升至85%以上,節約數據購買成本1000億以上,僅在國土、農業、環保就取得間接經濟效益超過400億。

“這些年的努力沒有白費。”顧行發說,“能夠讓國產陸地衛星數據好用、會用、用好,推動國產陸地衛星定量遙感自主創新、跨越發展,我們深感欣慰。”

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責任編輯: 閆月

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