SPOT系列卫星的特点与应用

程三友,李英杰

(1.长安大学地球科学与资源学院,陕西 西安 710054;2.陕西省环境科学研究设计院,陕西 西安710061)

SPOT系列卫星的特点与应用

程三友1,李英杰2

(1.长安大学地球科学与资源学院,陕西 西安 710054;2.陕西省环境科学研究设计院,陕西 西安710061)

SPOT卫星是世界上首先具有立体成像能力的遥感卫星,是一种多光谱高分辩率遥感卫星。1986年 2月 22日法国发射第一颗地球资源观测实验卫星 (SPOT-1)至今,SPOT系统卫星共发射了 5颗。SPOT-4在 SPOT-1、SPOT-2和 SPOT-3的基础上,红光波段的分辨率改进为 10m,又增加了 1.58μm～1.75μm的红外波段,提高了对植被信息的获取。SPOT-5卫星和以前的 SPOT卫星相比,携带了高分辨率立体成像仪 HSR、2台高分辨率几何成像仪 HRG和“植被-2”相机等新的仪器设备,在观测能力方面有了很大的提高,分辨率高达 5m和 2.5m,还提供数字高程模型(DEM)。这些特点使得 SPOT卫星具有多种用途,如岩石岩性、构造,矿产填图,环境监测,水资源调查,大气探测,植被调查,农作物估产,冰雪覆盖调查,土地利用和土地覆盖,城市和城市周围规划以及自然灾害控制,森林资源调查,旅游资源调查等。系统总结和了解 SPOT卫星系统特点,对了解地球资源、监测地球具有重要的科学价值。

SPOT卫星;高分辨率;遥感;应用

0 引 言

随着人类对遥感信息需求的不断加大,世界各国发射了大量载有遥感器的航天飞行器。1972年,美国发射了“陆地卫星”(LANDSAT)1号,由此揭开了用航天遥感技术进行地球资源调查和环境监测的序幕。法国于 1986年开始发射 SPOT系列卫星,主要是基于提高空间分辨率和对地球表面的资源和环境监测,能取得更精确和定量的分析结果,以提高对地观测数据定量分析的能力。2002年 5月,SPOT-5遥感卫星成功发射,该卫星携带高分辨率立体成像仪 (HSR)、2台高分辨率几何成像仪 (HRG)和“植被-2”相机等新的仪器设备,在观测能力方面有了很大的提高,进一步拓展了该系列卫星的应用范围。SPOT系列卫星具有立体成像、分辨率高等众多优点,对地质领域、土地利用和土地覆盖变化及水体监测等有着广泛的应用前景。对 SPOT系列卫星的发展进行回顾,对其应用进行分析具有较大的实践意义。

1 SPOT卫星的设计思想

20世纪 70年代末,地球资源观察卫星的运行实践表明,“同谱异物”、“异物同谱”和“混合像元”的问题普遍存在,且其重复观察周期仍然显得太长,难以观察到地球上同一地区在 18d内的变化,若采用当时最新的“电子耦合器件 (CCD)”线阵推扫成像技术,可提高传感器姿态的稳定性,从而可提高图像的几何质量,使之能满足中等比例制图和基础地理信息获取对图像几何质量的要求。基于此,1978年,法国、比利时、瑞典 3国开始合作进行 SPOT卫星计划。

2 SPOT系列卫星

1986年 2月 22日,法国发射了第一颗地球资源观测实验卫星 (SPOT-1)。至今,SPOT系统卫星共发射 5颗。它所采用的探测器有其独有的特点,构像也别具特色,因而被较多的采用,且 SPOT卫星还是世界上首先具有立体成像能力的遥感卫星。SPOT-5卫星和以前的 SPOT卫星相比,在观测能力方面有了很大的提高,能为中等比例制图 (1∶2.5万和 1∶1万),城市和城市周围规划以及自然灾害控制等应用领域提供重要的资源。由 2颗运行于近地轨道的小卫星 (每颗卫星质量约 500kg)组成的 SPOT后继卫星系统 (法文称为 3S)尚在计划之中,其每颗卫星遥感器的地面分辨率为 2m～3m,到时将取代目前 2 500kg～3 000kg的 SPOT系列卫星。SPOT各颗卫星的发射时间、运行时间、所搭载的遥感器等见表1。

表1 地球资源观测实验卫星 (SPOT)

2.1 SPOT-1、SPOT-2和 SPOT-3

SPOT-1—SPOT-3卫星的性能基本上是相同的,均携带 2台采用 CCD推扫式成像技术的 HRV,HRV技术参数见表 2。HRV具多光谱和全色(PAN)2种工作模式,全色波段包括绿、黄、橙、红直至深红光,但不包括青、蓝、紫光,多波段的 B1、B2、B3相当于 T M2、T M3、T M4,HRV缺少与 T M1、T M5、T M7相对应的波段。SPOT-1和 SPOT-2卫星都带有立体成像系统,其每台相机幅宽 60km,高 830km。SPOT-3卫星所携带的遥感器由改进型 HRV、固体测高仪、激光反射仪构成,相机幅宽 110km～2 000km,高度为 832km。SPOT-1—SPOT-3卫星的设计寿命为 2年,需要说明的是：SPOT-1和 SPOT-2卫星的各 2台星载磁带记录仪均已失灵,SPOT-1卫星于 2001年 1月转入轨道备用状态,SPOT-2卫星只能以实时传输数据的方式工作,SPOT-3于 1996年 11月突然停止工作而报废。

表2 SPOT-1、SPOT-2、SPOT-3上的 HRV技术参数

2.2 SPOT-4

SPOT-4携带的遥感器一个是代替 HRV的 HRV I R(高分辨率可见光和红外相机),增加了1.58μm～1.75μm的红外波段,红光波段的分辨率改进为 10m,其余多光谱波段的分辨率仍为 20m(表3)。另一个是幅宽为2 200km,高度为1 334km,地面分辨率为 1km的 4谱段植被仪 (V I),主要用于获取植被信息和校正大气数据。

表3 SPOT-4上的 HRV IR和 V IR技术参数

2.3 SPOT-5

法国航天中心 (CNES)于 2002年 5月发射了SPOT-5遥感卫星,该卫星设计寿命为 5年,重3 030kg。与前 4颗 SPOT卫星相比,SPOT-5卫星有较大改进,在观测能力方面有了很大的提高,并携带有新的仪器设备 (表 4)。其中包括：①高分辨率立体成像仪 (HSR)：其全色谱段分辨率为 10m,这是新增加的最重要的仪器设备,它能同时获取 2幅图像,拥有空前的观测能力,在一个扫描列中覆盖广大的地域,能用于制作更为精确的地形图和高程图。②2台高分辨率几何成像仪 (HRG),它具有的波段与 HRV和 HRV IR均有所不同,可拍摄 2.5m分辨率的全色图像和 10m分辨率的彩色图像,其全色波段具有 2种成像模式 (普通模式和超分辨率模式)。③“植被-2”相机,几乎每天都可实现全球覆盖,图像的分辨率为 1km,SPOT-5卫星上的 VEGETAT ION-2成像仪与 SPOT-4卫星一样,也能实现围绕地球的连续环境检测。其他新增加的设备和能力还有：新的星跟踪设备,可提供更精确的星定位图像,新的星上处理能力,可同时处理 5幅图像。该卫星可提供不同波长和不同分辨率的图像,包括 2.5m和 5m分辨率的黑白图像、10m和 20m分辨率的彩色图像及1 000m分辨率的每日全球图像。

表4 SPOT-5上的三种遥感器分辨率的技术参数

2.4 SPOT的产品

SPOT的地面接收站主要是法国的图卢兹站和瑞典的基律纳站。北京遥感卫星地面站可兼容接收LANDSAT和 SPOT的数据。SPOT图像数据按处理质量标准分为 4级 5等,即 1A、1B、2、3和 4。其中1A处理精度最低,4级处理精度最高。此外,还有 S级产品,是各时期均可以重叠处理的图像。

SPOT产品包括数字产品和图像产品 2种。

①数字产品 (CCT磁带和 CD-R)：采用陆地卫星地面站规定格式。1A、1B、2级、S级的全色磁带(CCTs)和多谱段磁带 (CCT)都有 2种规格,即 6250和1600。

②图像产品：胶片和像片 (表 6、表 7)。多谱段有黑白和彩色 2种。

表6 SPOT胶片产品

表7 SPOT像片产品

3 SPOT卫星数据的主要应用领域

遥感影像之所以能为人类利用,是因为不同的地物具有各自的波谱特征,据此可提取地物信息,区分地物,监测地物的动态变化。地物的电磁波谱是遥感的一种基本信息,任何物体对外来的电磁波都有反射、吸收和透射的性质,且只要其温度高于绝对零度,其就能不断地向外发射电磁波,地物在同一时间、空间条件下,其发射、反射、吸收和透射电磁波的特性是波长的函数,不同物体的反射、吸收、透射和发射电磁波的能力是不同的,都可作为探测和区别地物的有用信息。不同地物反射光谱的特征主要表现在反射强度和反射波谱的形态两个方面,这就是利用地物反射电磁波谱信息提取信息、识别和区分地物的理论基础。

SPOT卫星对于岩性、构造、岩石、矿物填图、水资源调查、大气探测,植被调查,农作物估产,冰雪覆盖调查,土地利用监测,城市和城市周围规划以及自然灾害控制,森林资源调查,旅游资源调查等应用的研究将是非常有意义的。

3.1 在地学领域的应用

SPOT为地球资源观测实验卫星,具有较高的几何分辨率,其遥感数据中包含丰富的地质信息,对专题解译制图具有很好的效果。据估计,法国 1∶2.5万比例尺地形图使用常规方法进行更新,大致要花8年～10年时间,若采用 SPOT卫星图像对全国的1∶2.5万地形图作更新,可以成倍缩减地图更新时间,从而加快修编地图生产周期。SPOT图像可用于提取岩石岩性和构造信息,并进行详细而准确的填图。

SPOT数据在有色地质中也具有广阔的应用前景,可用于提取地质找矿信息、圈定找矿远景区、绘制详细基础图件,为矿区建设、环境监控等提供资料。在地质构造解译方面,可反映出地质体和矿化蚀变带的影像图和大量地质构造信息,从而进行构造分析和金、铜矿成矿预测。还能研究区域内与金矿成矿有关的线性构造、弧形构造、韧性剪切带构造、环形构造发育特征及蚀变异常信息。Lewkowicz-Antoni-G等利用 SPOT 10m分辩率的全色波段图像还识别出永久冻结带,并监测其活动变化,对冰雪覆盖调查也具有重要的意义。

3.2 在土地利用和水土流失状况监测方面的应用

目前,我国水土流失严重,经济发展迅速,城市建设日新月异,政府需要了解我国的水土流失状况、土地利用状况和土地利用的动态变化,以便更好地为农业发展和生态环境保护服务,同时做好城市发展的中长期规划。近些年来,我国政府大力倡导生态环境保护,特别是中西部地区,为此提出了退耕还林、还草号召,并制定了许多相应的优惠政策。遥感是了解大尺度土地利用状况、城市建设动态变化及退耕还林、还草状况的有效方法。SPOT和 T M复合可用于识别土地利用类型和土壤矿物等信息,调查和监测土壤环境污染状况,能有效地提取遥感土地利用专题信息。不同时期的 SPOT图像可用于研究土地利用状况的动态变化。

陈家琪等通过对甘肃省定西县 2000年—2001年土地利用和土地覆盖的 T M+SPOT影像融合数据进行分析,研究了 1年来该县的土地利用结构,尤其是坡耕地退耕还林、还草的变化状况,客观地评价了定西县 1年来的生态环境变化,初步实现了对区域生态环境变化的动态监测,为黄土地区退耕还林、还草、生态环境调查及动态监测提供了可行的方法。刘波坤等在长江三峡库区移民工程中,采用ET M+、SPOT、IKONOS等多源、多时相、多分辨率航天、航空遥感数据组合,对库区奉节—巴东段移民搬迁与安置、新开发用地分布、土地利用与土地结构变化、地质灾害及衍生地质灾害与防治、库区环境及生态平衡与改善经济结构以及移民工程进行遥感动态监测等,取得了突破性进展,为三峡移民工程进一步全面、安全地实施、改进规划管理工作及库区经济可持续发展,提供了科学依据和决策性建议。潘耀忠等利用遥感信息融合技术和不同时相的 T M和 SPOT多源遥感数据,结合变异特征监测法,对城镇居民点的动态变化进行监测,获得了较高的位置精度和面积精度,且具有很好的时效性和可继承性。

遥感影像灰度值与水体反射率和水中悬浮固体含量之间有着极好的相关性,且水体悬浮固体含量与其环境背景之间也存在着一定的关系。傅肃性等认为,SPOT图像 0.50μm～0.59μm波段是处于水体最小衰减值的长波一测,利于监测水体的浑浊度和水深。利用这些知识可较好地监测分析水体含沙量、水土流失、土壤侵蚀和土地退化状况。如果利用SPOT影像的决策树水体识别技术,还可对水体进行有效提取和分类。张光超等以 SPOT全色波段影像和美国LANDSAT-5的 T M多光谱融合图像为信息源,对老高川地区进行 1∶5万水土流失遥感调查,分析出小流域水土流失的主要影响因素。李红旮等利用 T M和 SPOT等遥感图像进行判读和土壤侵蚀地面情况的野外验证研究了缅甸中部伊落瓦底江中游的土壤侵蚀和土地退化情况。

3.3 在其他方面的应用

此外,SPOT卫星在森林资源调查、旅游资源调查和军事等方面也具有较好的应用。2002年,傅肃性通过对法国 SPOT图像 0.50μm～0.90μm的全色光谱分析后发现：SPOT图像对叶绿素浓度、绿色植物的反射吸收性能以及生物量等均具有良好的特征,对森林中树种、树龄等特征也有较好的显示。杨传明利用航空图像、法国 SPOT-2、美国 LANDSAT-5卫星,全色和 T M波段数据成像等遥感图像资料,对广西旅游资源进行了遥感调查,揭示和发现了 5类12种基本类型,取得了良好的效果。据称,美国的全球数字公司 (Digital Globe)已与 SPOT图像公司签订了向美军和美国农业用户提供 SPOT卫星图像的专卖权协议。与日本的成像公司 Image ONE也签订了类似的协议。据 SPOT图像公司报导,其占有 60%以上的世界卫星地理信息市场。

4 结 语

SPOT卫星发射后的运行实践表明,其侧视功能具有很强的实用性和很大的应用潜力,但 SPOT系统前几颗卫星设计的不同轨道立体观察存在着未曾想到的问题,由垂直观察转向侧视时,反光镜旋转引起卫星姿态的变化和不稳定,造成立体对的精度很不稳定。SPOT-4红外波段的增加,成功解决了SPOT-1、SPOT-2、SPOT-3存在的红外波段成像的问题,对水、生物量和热源测量监测能力大大提高。较之 SPOT系统前几颗卫星的旁向立体成像模式,即轨道间立体成像而言,SPOT-5号卫几乎能在同一时刻以同一辐射条件获取立体像对,避免了像对间由于获取时间不同而存在的辐射差,大大提高了获取的成功率,在观测能力方面有了很大的提高。SPOT IMAGE可为新的用户提供 SPOT-5卫星的改进了的5m和 2.5m分辨率、宽成像带的图像。此外,SPOT-5卫星还提供数字高程模型 (DEM),供制作三维地图之用。可以预计,这些新特性将使 SPOT卫星的应用范围更加广泛。当然,在应用 SPOT遥感卫星图像过程中,一般是用它的全色波段数据与其他遥感数据进行复合,来提高图像分辨率同时节约资金。

[1] 张义彬,曲家惠.世界遥感技术发展现状及其地质应用[J].国土资源遥感,1998(4)：67-75.

[2] 陈世平.21世纪初期航天遥感技术发展展望[J].航天返回与遥感,2001,22(3)：20-26.

[3] 孙家抦.遥感原理与应用[M].武汉：武汉大学出版社,2003.

[4] 傅肃性.遥感专题分析与地学图谱[M].北京：科学出版社,2002.

[5] 叶斯欧.SPOT、ERS-1、Seasat、Landsat、T M及合成图像在地质调查中应用效果的对比 [J].遥感与地质,1996,42(3/4)：60-65.

[6] 王峰,徐锡伟,TAPPONN IER P.利用卫星资料对阿尔金断裂带阿克塞以西进行阶地面对比和位错量分析[J].华北地震科学,2001,19(4)：21-26.

[7] 邓清禄,王学平,刘吉平,等.长江三峡工程库首区滑坡与线性构造的关系[J].长春科技大学学报,2000,30(4)：384-387.

[8] 吴健生,朱谷昌.SPOT数据在有色地质找矿勘查中的应用概述及前景展望[J].遥感与地质,1997,44(3/4)：58-60.

[9] 黄贤芳,何建国,黄树桃,等.西天山金矿遥感地质调查及重点地区金成矿条件研究[J].铀矿地质,2001,17(3)：150-155.

[10]黄林日,姜建军.溜河地区金矿找矿的遥感信息提取及研究 [J].吉林大学学报：地球科学版,2002,32(4)：359-363.

[11]LEWKOW ICZA G,DUGUAY C.Detection of permafrost features using SPOT panchromatic imagery,Foshe im Peninsula,Elles mere Island,N.W.T.[J].Canadian Journal of Remote Sensing,1999,25(1)：34-44.

[12]MASON P J,ROSENBAUM M S.Geohazard mapping for predicting landslides,an example from theLanghe Hills in Piemonte,NW Italy[J].Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology,2002,35(4)：317-326.

[13]CARRE FLORENCE,GIRARD M C.Quantitative mapping of soil types based on regression kriging of taxonomic distances with landform and land cover attributes[J].Geoderma,2002,110(3/4)：241-263.

[14]王周龙,冯学智,刘晓枚,等.秦淮河丘陵地区土地利用遥感信息提取及制图 [J].遥感学报,2003,7(2)：131-135.

[15]丁建丽,塔西甫拉提·特依拜.基于遥感的策勒绿洲土地利用/土地覆盖变化信息提取方法的研究[J].云南地理环境研究,2001,13(2)：54-59.

[16]顾朝林.北京土地利用 /覆盖变化机制研究[J].自然资源学报,2000,14(4)：307-312.

[17]陈家琪,周波,张峰,等.基于遥感与 GIS技术的定西县土地利用变化研究[J].遥感技术与应用,2002,17(6)：390-393.

[18]刘波坤,孟淑英,李述靖,等.长江三峡库区 (奉节—巴东段)移民工程遥感动态监测 [J].地球信息科学,2002,4(4)：63-68.

[19]潘耀忠,陈志军,聂娟,等.基于多源遥感的土地利用动态变化信息综合监测方法研究[J].地球科学进展,2002,17(2)：182-187.

[20]都金康,黄永胜,冯学智,等.SPOT卫星影像的水体提取方法及分类研究 [J].遥感学报,2001,5(3)：214-219.

[21]张光超,邱少鹏,高会军,等.遥感技术在小流域水土流失快速调查中的应用——以老高川地区为例[J].国土资源遥感,2001(2)：9-12.

Characteristics and application of SPOT satellites

CHENG San-you1,L IY ing-jie2

(1.School of Earth Sciences and Resourecs,Chang'an University,Xi'an 710054,China;2.Academy of Environmental Science Research and Design of Shaanxi Province,Xi'an 710061,China)

SPOTwas a satellite of remote sensingwith three-dimensional for mation of image firstly in the world and was a kind of satellite ofmulti-spectral imagery and high resolution.France launched the first SPOT satellite on February 22,1986.Up till now,five SPOT satelliteswere launched altogether.on the basis of SOPT-1,-2 and-3,the resolution of infrared spectral band for SPOT-4 was increased to 10m.SPOT-5 was able to carry new equipments to improve the observation abilitywith resolution increased up to 5 meters and 2.5 meters,also providing DEM.The above characteristics made the SPOT satellites competent for a lot of uses：investigation of rock characters,structures,mineralsmapping,environmental monitoring,water resources and land utilization and coverage,forestry resources investigation.

SPOT satellites;High resolution;Remote sensing technology;Application

V474

A

1674-3636(2010)04-0400-06

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.04.400

2010-07-19;编辑：侯鹏飞

国家高技术研究发展计划项目 (2009ZX07212-002)和长安大学校发展科技基金(07Z1503051001)资助

程三友 (1977—),女,讲师,博士,主要从事遥感地质学、地理信息系统等方面的研究.