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全球遥感卫星发展应用现状与趋势

【概要描述】一、国外商业遥感卫星的发展应用现状和趋势1、总体情况上世纪90年代冷战结束后,各国各行各业对利用卫星遥感图像来获取高质量的地理空间数据的需求日益增加。美国商业航...

全球遥感卫星发展应用现状与趋势

【概要描述】一、国外商业遥感卫星的发展应用现状和趋势1、总体情况上世纪90年代冷战结束后,各国各行各业对利用卫星遥感图像来获取高质量的地理空间数据的需求日益增加。美国商业航...

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一、国外商业遥感卫星的发展应用现状和趋势

1、总体情况   

  上世纪90年代冷战结束后,各国各行各业对利用卫星遥感图像来获取高质量的地理空间数据的需求日益增加。美国商业航天部门迅速捕捉到这一商机,从20世纪90年代起不断发射造价相对低廉的多颗商业遥感卫星 。从卫星数量来看,截止到2018年4月,美国拥有遥感卫星数量排名第一,为360颗,占比为50%,其次为中国,134颗,占18%;第三为日本,数量为28,占比为4%。其他的俄罗斯、印度、德国等数量相对较少。根据美国的忧思科学家联盟卫星数据库显示,截至2018年11月底,在遥感卫星各用途方面,光学成像卫星为358颗,占遥感卫星总量的50%;雷达成像卫星52颗;红外线成像卫星8颗;高光谱/多光谱成像卫星13颗;气象卫星94颗;地球科学卫星69颗;电子情报卫星65颗;视频卫星3颗;其他目的卫星11颗;37颗卫星将对地观测列为目的 。

2、高分辨率遥感卫星

  高分辨率对地观测卫星视角高、观测范围广、生存能力强、能够长期稳定运行等优点,现广泛应用于国土、海洋、气象、测绘、军事等领域,具有重大的经济及军事价值。高分辨率包括高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高辐射分辨率(一般高分辨率主要指高空间分辨率)。空间分辨率即遥感影像单个像素所能描述的最小地物尺寸,高空间分辨率一般要求空间分辨率优于1m。随着军事目标识别和确认对空间分辨率的需求越来越高,对地观测高分辨率卫星已进入亚米级时代。美国锁眼-12(KH-12)光学成像侦察卫星全色分辨率达到0.1m,世界观测- 3(WorldView -3)军商两用卫星达到0.31m 分辨率。美国“未来成像体系- 雷达”(FIA-Radar)卫星分辨率优于0.3m。德国商业合成孔径雷达卫星-“X 频段陆地雷达”(TerraSAR -X)卫星分辨率达到0.25m。除空间分辨率外,图像定位精度也是一项重要指标。美国数字地球公司的“地球眼”(GeoEye)卫星和“世界观测”卫星图像定位精度已达3.5m。对地观测卫星图像定位精度接近航空摄影水平,助力对地观测卫星产品无缝融入全球对地观测体系,更加深入服务于应用。

3、小卫星星座

  随着对快速重访能力的需求与日俱增,微小对地观测卫星星座快速发展。“天空卫星”系列是美国Planet 公司发展的高频成像对地观测小卫星星座,主要用于获取时序图像,制作视频产品。该星座目前已经发射13 颗,是目前世界上卫星数量最多的的亚米级高分辨率卫星星座,其全色波段可以达到0.8m,多光谱,具有较高的地面分辨率(1m)。同时,还具有非常高的时间重访频率,可实现一天内对全球任意地点2 次拍摄,非常有利于地物目标监测和变化检测分析。未来,卫星数量将增加至21颗,可以具备对目标每天8 次的重访能力 。

  2018年,芬兰ICEYE公司率先在全球利用低于100kg SAR卫星获得了优于1m分辨率的图像。不受云层遮蔽影响,昼夜提供高分辨率卫星图像已成为了小型SAR可靠及时成像的新标准。同年,英国Earth-i公司建造的全球首个全彩色视频商业遥感卫星星座Vivid-i发射成功升空,该卫星是欧洲首个既能提供视频、又能提供静止图像的卫星星座。具有许多创新的功能:包括提供地球任意位置的优于1米分辨率的高帧频图像;在超高清晰度彩色视频中拍摄移动车辆、船只和飞机等物体;卫星灵活的姿态调整,可以对感兴趣区域,进行每天多次重访。采集的视频,将在拍摄之后的几分钟内完成分析,监测地物的变化,为救灾和基础设施监控等场景,提供决策依据 。

4、发展趋势

  当前,民用对地观测卫星领域普遍开始部署新一代的对地成像和环境探测卫星系统,其能力与上一代相比更为先进,单星综合能力强大、探测要素多样;商用对地观测卫星领域发展迅猛,企业巨头通过并购重组不断增强自身实力,商业对地观测小卫星星座大规模部署,且业务也开始加快拓展,由成像领域拓展至环境监测领域,甚至安全监测领域。同时创新型公司数量继续高速增加,未来10 年,预计会有2000 多颗小卫星发射升空,提供高重访周期和多样化应用 。雷达、视频卫星或将成为今后一段时期卫星制造需求的热点。

5、应用趋势

  卫星对地观测与互联网技术、大数据技术结合,极大丰富了业务应用和服务领域。传统对地观测卫星运营商和初创公司都积极将数据产品、服务与互联网结合,发展创新产品和服务。例如,美国天空盒子成像公司和行星实验室公司均由IT 技术起步,采用颠覆式创新的商业模式。前者构建云服务平台,鼓励用户或第三方开发专业应用APP,提供定制化服务;后者采用“永远在线”工作模式,无需地面下达指令即可利用卫星对陆地连续开机成像,确保全球实时数据更新。当前,卫星对地观测产业正在从图像售卖转向分析判读和对地观测数据处理与分析等业务。一旦供应、分销和客户渠道问题得到解决,下游信息产品和大数据分析服务将有更大发展空间。对地观测数据市场有充足的机会,但也存在过剩,无序数据供过于求,再加上对地观测数据商业价值越来越大,市场肯定会继续整合。

二、我国商业遥感卫星的发展应用现状和趋势

  据UCS(美国优思科学家联盟)统计数据,截至2018年11月,我国运营或所有在轨活跃卫星280颗,其中遥感卫星134颗,占比47.86%,高于全球在轨卫星中遥感卫星所占的35.55%比重。国内主要遥感卫星系列有高分卫星系列(GF)、风云气象卫星系列(FY)、资源系列卫星(ZY)、海洋系列卫星(HY)、环境一号(HJ)、天绘一号、"遥感"系列卫星、尖兵系列侦察卫星、前哨系列红外预警卫星、国内其他商业遥感卫星资源。

1、主要遥感卫星系列

  高分卫星覆盖了从全色、多光谱到高光谱,从光学到雷达,从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型,构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。截止到目前,已经从高分一号发展到高分十一号。其中,“高分三号”为1米分辨率微波遥感卫星,也是中国首颗分辨率达到1米的C频段多极化合成孔径雷达(SAR)成像卫星;“高分五号”装有高光谱相机,拥有多部大气环境和成分探测设备,如可以间接测定PM2.5的气溶胶探测仪;“高分七号”属于高分辨率空间立体测绘卫星;高分九号是我国首颗敏捷卫星,可实现卫星快速机动、稳定成像的功能,相机可实现全色分辨率0.5米,多光谱分辨率2米。高分十一号卫星具有高分辨率、高承载、高机动、高数传、高智能等技术特点,能够实现10厘米或更高的地面图像分辨率。

  资源系列卫星(ZY)。资源卫星是专门用于探测和研究地球资源的卫星,可分陆地资源卫星和海洋资源卫星。我国已陆续发射了资源一号、资源二号和资源三号卫星。资源一号卫星包括中巴地球资源卫星01星、02星、02B星、02C星和04星。资源三号卫星是中国第一颗自主的民用高分辨率立体测绘卫星,通过立体观测,可以测制1∶5万比例尺地形图。

  海洋系列卫星(HY)。1997年中国第一颗海洋卫星——海洋一号卫星正式立项。经过20多年发展,目前已形成海洋水色(海洋一号卫星)、海洋动力环境(海洋二号卫星、中法海洋卫星)以及海洋监视监测(高分三号卫星)这3个海洋卫星系列。

  环境一号(HJ)。环境一号是专门用于环境和灾害监测的对地观测系统,由两颗光学卫星(HJ-1A卫星和HJ-1B卫星)和一颗雷达卫星(HJ-1C)组成,拥有光学、红外、超光谱多种探测手段,具有大范围、全天候、全天时、动态的环境和灾害监测能力。HJ-1具有监测PM10的能力,空间分辨率为300米。HJ-1C星配置的S波段合成孔径雷达,可获取地物S波段影像信息,空间分辨率为5米。

  环境减灾卫星。环境减灾卫星是中国专用于环境与灾害监测预报的卫星。它由中分辨率光学小卫星和一颗合成孔径雷达小卫星组成,主要用于对生态环境和灾害进行大范围、全天候动态监测,及时反映生态环境和灾害发生、发展过程,对生态环境和灾害发展变化趋势进行预测。

  天绘一号。该星属于地形地貌测绘类光学基础测绘卫星,其主要功能是为了满足中国国民经济建设对地理影像数据的需要。天绘一号三颗卫星已实现组网运行。

  "遥感"系列卫星。“遥感”系列卫星专指冠以“遥感XX号卫星”的系列卫星,自2006年以来,从"遥感一号"已发展到"遥感三十号",“遥感”系列卫星大多用于科学实验和军事目的,如遥感5号、遥感12号属于尖兵八号型合成孔径雷达侦察卫星。

2、国内其他商业遥感卫星发展情况

  高景一号卫星(SuperView):高景一号总共包含四颗星,01/02卫星全色分辨率0.5米,多光谱分辨率2米。03/04星与同轨道的01/02星组网运行,四颗0.5米高分辨率光学遥感卫星可实现每轨10分钟成像并快速下传,每天可采集300万平方公里影像,采集效率更高,具备全球范围内任意目标一天内重访的能力。

  吉林一号:吉林一号卫星是我国第一颗商用遥感卫星,分为三类。第一类是详查,分辨率由过去的0.72米即将达到最高值0.5米(商用卫星允许分辨率极限值),可以分辨出斑马线,应用到城市规划,道路、船、桥梁的分辨等。第二类是视频卫星,回传的是动态视频,主要用于观测动态变化。“相当于把摄像机架到太空。可以应用于监测路口车流情况、动态灾害监测。比如说发洪水,能够当水位到达某种程度时,马上发出预警。第三类是光谱类卫星,“这类是用来分析的,通过光谱的分析,有助于提高作物种类的识别。植物种类、矿物种类,包括地表适合种植什么作物等。

  吉林一号卫星第一阶段实现在轨60颗卫星,具备重点区域平均30分钟以内重访能力;第二阶段实现138颗卫星组网,实现全球任意点10分钟以内重访能力。“随着低成本、低重量、高分辨的高分03星研制成功,公司有望在2022年提前完成星座部署。截至目前,长光公司“吉林一号”实现15颗卫星在轨运行,并组网为农业、林业、资源、环境等行业用户提供更加丰富的遥感数据和产品服务。

  “珠海一号”卫星。规划研制发射34颗卫星组成星座,具备视频、高光谱、合成孔径雷达、红外成像等观测能力,获取卫星遥感数据为自然资源、生态环境、农业农村等行业应用提供服务。该星座共有8颗高光谱卫星在轨组网运行,可实现两天半覆盖全球,对特定区域1天重访,将大幅度提高我国高光谱卫星数据采集获取能力。特别是高光谱卫星,目前属于国内首次组网运行的商用高光谱卫星,在同行业中具有较强的竞争优势。

  珞珈一号:珞珈一号是国内首颗夜光遥感卫星。夜光卫星可提供我国及全球GDP指数、碳排放指数、城市住房空置率指数等专题产品,动态监测中国和全球宏观经济运行情况,为政府决策提供客观依据。

  碳卫星:碳卫星是二氧化碳监测科学实验卫星,是继日本和美国之后的第三颗全球“嗅碳”卫星。是具有高空间分辨率和高光谱分辨率的全球二氧化碳监测科学试验卫星,以高光谱二氧化碳探测仪、多谱段云与气溶胶探测仪为主要载荷,监测精度为1-4ppm,具备对全球、中国及其它重点地区大气二氧化碳浓度的监测能力。

3、我国商用遥感卫星的应用现状与趋势

  总体上看,我国遥感卫星已呈现高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的"三高"特征,民用空间分辨率已达分米级别。同时,遥感卫星的数量也越来越多。但是,与美国等发达国家相比,我国的卫星遥感应用水平还存在很大的差距。我国持续、稳定的高分辨率卫星遥感数据源仍然严重不足,急需发展以商业运营模式为主的遥感卫星产业。由于市场需求巨大,加之国家在政策层面大力扶持,我国商业遥感卫星公司的发展潜力极为巨大。近年来,遥感卫星下游企业发展迅速,新公司数目迅速增多,基于遥感卫星数据供应、处理和应用的服务逐渐丰富。但总的来说,目前中国的商用遥感服务公司的规模都偏小,许多公司的数据源仍然依赖国外遥感卫星数据平台。

  由于卫星遥感行业的主要输出产品为遥感图像及其增值服务,因此下游对卫星遥感图像及增值服务的需求是带动整个行业向前发展的主要动力。现阶段,卫星遥感行业上下游各环节从业者多数处于订单需求牵引的商业模式中。当前,卫星遥感图像及增值服务的下游需求主要来源于军事用途、公益用途和商业用途三方面。其中,国家层面对于卫星遥感图像及增值服务的需求占有很高比重,国防用户与政府机构的需求仍是卫星影像及增值服务销售和应用的主要市场。商业化应用程度较低,数据平台不完善、数据使用不便利问题突出。政府应用占比过重是全球的一个普遍化现象,以DigitalGlobe公司为例,美国政府是该公司最大的购买商,贡献其60%以上的营业收入。从2014年开始,我国密集出台政策来支持商业航天各产业发展,商业遥感卫星产业迎来了2-3年的政策红利窗口期,商业遥感卫星产业得到了快速发展。但截至目前,我国并没有制订商业航天产业相关的法律法规,用于明确产业中各从业者或机构的权责关系,明确采集、使用、分发等机制。

  当前我国遥感应用发展的趋势正在由以售卖遥感卫星数据为主的业务模式向提供遥感卫星数据分析服务为主的业务模式转型,结合大数据分析、机器学习等新技术,结合遥感卫星下游应用行业的行业知识,提高遥感卫星数据的商业附加值。同时,未来期望政府加快航天法的出台,明确遥感卫星数据资源的统一管理机构,放宽遥感卫星数据的分辨率限制,简化遥感卫星数据售卖的审批流程。

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