吉林一号光谱卫星技术创新与应用成果

文 | 贺小军 李竺强 秦小宝 马经宇 江晟

长光卫星技术有限公司

一、吉林一号光谱卫星简介

吉林一号光谱卫星于2019年1月“一箭双星”发射，单星质量为205kg，携带了多光谱成像仪、短波红外相机、中波红外相机、长波红外相机、星上AI智能处理系统、自动识别系统（AIS）船舶报文接收机、北斗短报文通信终端等有效载荷，可以实现5m分辨率、110km幅宽、26谱段的遥感数据获取，可以每天搜集全球船舶信息，针对用户对舰船识别的迫切需求，增加基于星上AI智能处理的舰船识别与监测，应急响应时间可控制在1分钟以内。吉林一号光谱卫星性能参数如表1所示。

表1 光谱卫星性能指标

续表1

二、卫星业务模式

1.光学遥感

吉林一号光谱卫星可获取可见近红外到长波红外的26个光谱谱段数据，实现对全球的时相丰富、光照稳定、光谱精细的高频次覆盖。每天每颗星可实现55万平方千米有效区域数据获取，两颗星可获取110万平方千米以上；不考虑天气因素，14天可覆盖全国；考虑天气因素，45天可覆盖全国。

该功能可为用户提供大区域的资源调查以及变化监测，利用丰富的特征谱段，对植物生长特性、分布特性等进行精确量化分析。该模式除对地观测外，还能够对月球、恒星、卫星等空间目标进行观测，获取目标的光谱数据。

2.AIS船舶报文搜集

吉林一号光谱卫星可获取全球船舶报文数据，利用AIS报文中所包含的船舶类型、航速、航向、目的港、经纬度位置等信息，为用户提供高频次更新的全球船舶动态数据库，为全球物流分析、宏观经济分析以及航道安全监测等提供服务。

3.在轨AI智能处理

通过在轨AI系统，对星上图像数据进行实时或准实时处理，吉林一号光谱卫星可实现目标识别、特征提取等功能。

4.地温监测

通过光学遥感模式中的中波及长波红外载荷融合应用，吉林一号光谱卫星可获取长波红外及中波红外数据，对全球进行地温监测，实现对全球昼夜地表温度的快速更新，可满足地表温度的变化监测，用于防火预警、全球气候变暖等分析。

5.火点识别

通过光学遥感模式中波、长波红外载荷与在轨AI智能处理的融合应用，结合长波红外、中波红外以及星上AI智能处理系统，吉林一号光谱卫星可星上自主实现火点识别，并将火点位下发给地面用户，提升林火救灾响应速度。

6.船舶自动监测

通过光学遥感模式中的多光谱仪载荷与在轨AI智能处理功能的融合应用，利用AIS船舶报文中的经纬度信息，吉林一号光谱卫星可星上自主规划任务，对目标船舶进行光学遥感数据获取，实现对船舶的自动监测，可用于远洋事故的大区域搜救等领域。

7.火场自动监测

通过光学遥感模式与在轨AI智能处理模式的融合应用，利用星上AI智能处理系统的火点识别结果，吉林一号光谱卫星可星上自主规划任务，对火点区域进行光学遥感数据获取，实现对火场的监测，第一时间获取全谱段的遥感数据，为减灾救灾提供信息支持。

三、技术创新成果

单片传感器20谱段多光谱成像仪：20谱段共用传感器保证谱间辐射稳定，基于新型定标控制策略的漫反射板在轨全动态定标克服单点定标缺陷，进一步提升定标精度。

在轨AI信息处理系统：具备火点识别、舰船识别、云雾识别，并可在轨进行程序更新，实现在轨AI系统算法的持续进化与优化，使在轨AI系统向业务化应用迈进一大步。

多载荷星上联合任务规划技术：AIS、红外相机等引导载荷与主载荷联合应用，使得目标识别后通过在轨自动任务规划，5分钟内获取高分辨率光谱数据，大幅提升应急响应能力。

高速X频段数据传输系统：具备最高双通道900Mbit/s，共计1.8Gbit/s星地数传速率，单轨数传数据量120GB以上，是目前国内商业遥感卫星中数据下传能力最强的卫星，同时具有单通道600Mbit/s、300Mbit/s、150Mbit/s等降速模式，以满足小型移动地面站。

四、对航天遥感领域的推动作用

吉林一号光谱卫星携带了AIS、多光谱仪、短波红外相机、中波红外相机、长波红外相机、在轨AI系统等多种类型载荷，通过载荷联合应用，对提高应急响应能力，多维度信息获取具有重要意义。

吉林一号光谱卫星采用单传感器20谱段集成技术，结合优异的杂光抑制技术以及在轨全动态辐射定标技术，保证了光谱卫星能够为业务应用提供稳定精确的光谱数据。

吉林一号光谱卫星将在轨AI信息处理技术引入业务闭环，在轨AI系统具有火点识别、舰船识别、云雾识别等功能，且通过AIS引导光学成像、火点引导光学成像等模式，实现了多种载荷的在轨自主联合应用，将应急响应能力从小时级提升为分钟级。

五、应用成果

吉林一号光谱卫星发射以来已经完成全国国土范围无云遥感覆盖，数据已经逐步应用于林业、农业、环保、海洋、水运等行业；完成了AIS引导光学相机自主成像、大型舰船在轨AI识别、森林火灾在轨AI识别新技术验证，验证了无线电载荷、光学载荷及在轨AI系统的联合应用。中国气象局利用光谱卫星对月球进行了长达半年的持续观测，获得了新月至满月的20谱段可见近红外月球数据，初步分析结果显示光谱卫星的月球数据质量稳定，有望建立精确度国际领先的月球辐射模型。

六、部分典型应用案例

地表覆盖分类产品主要用户对象为农业、林业、水利、环保、规划等相关政府业务部门以及从事相关行业的企业、研究所、高校等。该类产品可为各级政府的自然资源监管、土地利用类型监测、种植结构监测、种植面积统计、土地规划、生态红线监测、离任审计等业务提供服务，从而有效提升吉林一号的数据使用价值。

1.林业资源精细化分类

吉林市桦甸市是吉林省林业重点县市和主要木材生产基地之一，林地总面积达769万亩，占幅员面积的82%，林木资源以树种繁多、材质优良著称。

基于吉林一号光谱卫星数据，根据多样化树种光谱特征对吉林市桦甸山区不同类型树木进行分类，分类结果如图 1所示。其中树种类别可达十二种，分别为云杉林、阔叶混合林、柞树林、落叶松、杨树林、红松林、针阔混合林、胡桃楸、针叶混合林、白桦林、樟子松和其他经济林等。经实地验证，树种分类精度可达90%。数据成果可服务当地林业普查部门，一定程度上减少外业核查人员的工作量。

图1 吉林市桦甸市林业树种分布专题图

综上所述，利用吉林一号光谱卫星数据既可以对当地的土地覆盖进行监测和分析，又可以根据树种特征对不同树种进行精细化分类，在林业资源规划和信息统计等方面发挥重要作用。

2.农业种植结构提取

准确地提取大宗农作物种植范围、数量以及时空变化过程，可为地区种植结构的调整及优化提供科学依据。

在农业种植结构提取方面，基于吉林一号光谱卫星数据，可更精准提取玉米种植面积的准确率，在分类模型中结合坡度因子，实现了玉米和水稻的高精度分类。如图2所示，利用2019年9月份吉林省卫星影像，完成了全域玉米与水稻种植结构的提取，同时分类结果在农安县进行了实地验证，得益于光谱卫星丰富的谱段信息及较高分辨率的纹理信息，分类后的抽样精度可达95%。

图2 吉林省玉米和水稻种结构提取结果

大蒜的种植面积是大蒜市场行情的重要影响因素之一。利用吉林一号光谱卫星影像，根据大蒜与其他农作物在可见光、近红外谱段的反射率差异，可对农作物类型进行识别。吉林一号光谱卫星在不同作物光谱反射率差异较为显著,如图3所示。通过差异性特征，完成了山东省临沂市大蒜种植结构提取，提取面积为83146.5亩，如图4所示。

图3 不同作物光谱反射率差异图

图4 山东省临沂市大蒜种植结构提取结果

3.农作物长势监测

农作物长势遥感监测是建立在绿色植物光谱理论基础之上，对作物的苗情、生长状况及其变化的宏观监测。基于吉林一号光谱卫星影像，对美国犹他州的农作物长势进行遥感监测，并与准同步的美国陆地卫星（Landsat-8）长势监测结果进行对比，可以看出吉林一号光谱卫星空间分辨率更高，更能详细描述植被的长势信息，如图5所示。

图5 美国犹他州农作物长势分析

4.农作物旱情监测

土壤水分含量既可以通过水分的直接热特性和波长辐射特性反映，也可以通过地表温度和植被状态反映。吉林一号光谱卫星携带的长波红外相机可进行地表温度反演，基于地表温度和植被指数构建温度植被干旱指数，对山东省临沂市平邑县大蒜的旱情状况进行监测，如图6所示。

图6 山东省临沂市平邑县大蒜农作物旱情监测

5.水色遥感监测

吉林一号光谱卫星影像光谱覆盖可见光-近红外-短波红外-热红外区间数十个谱段，同时具有高信噪比和高重访周期的特点，是水色遥感建模的理想数据。基于吉林一号光谱卫星多光谱影像、区域水质历史资料、现场采集的水质参数和光谱数据，可构建适用于不同区域、不同水体类型的水色遥感模型。图7是基于吉林一号光谱卫星数据形成的美国圣迭戈海域水色遥感图，由水色遥感空间分布图可知，监测区近岸水质状况并不理想，推测其原因主要是来自人类活动、气候及洋流等综合因素的影响。

图7 美国圣迭戈海域水色遥感分析

6.地表温度监测

地表温度是区域和全球尺度地表物理过程中的一个关键因子，也是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的重要参数。许多应用如干旱、高温、林火、地质、水文、植被监测、全球环流和区域气候模型等都需要获得地表温度。图8是基于天津市吉林一号光谱卫星长波红外影像，利用热红外地表温度反演算法，对天津市地表温度进行监测。

图8 天津市地表温度监测

7.森林火灾监测

由于全球升温，频发的森林火灾严重破坏和威胁人类赖以生存的森林资源和环境。火焰的温度通常能达到500～700K，其热辐射峰值波长在3～5μm之间，据此原理，利用卫星遥感技术可获取区域火点分布情况及火灾受灾面积。

吉林一号光谱卫星携带了对火点异常敏感的中波红外和长波红外相机，同时具有大幅宽和短重放周期的优势，对森林火灾监测具有重要意义。2019年12月17日，吉林一号光谱卫星对澳大利亚大火进行了拍摄，利用吉林一号光谱卫星火点自动识别算法提取了监测区火点，及时掌握了监测区受灾情况和火势蔓延情况，如图 9所示。

图9 吉林一号光谱卫星澳大利亚大火遥感监测专题图

七、结束语

吉林一号光谱卫星经过在轨测试与在轨辐射定标，已经能够稳定地向用户提供辐射性能优良的定量遥感数据，谱段覆盖可见近红外、短波红外、中波红外、长波红外。目前，吉林一号光谱卫星已经完成全国光谱数据覆盖，并开放真彩色数据免费下载，各个典型应用领域正逐渐与行业用户开展深入合作，光谱数据有望进一步提高我国定量遥感应用水平。