我国陆地遥感卫星发展现状与展望
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一、引言
从20世纪90年代末至今，我国陆地遥感卫星事业历经二十多年，实现了从无到有、从小到大、从弱到强的跨越发展。随着高分辨率对地观测系统重大专项（高分专项）、《陆海观测卫星业务发展规划（2011—2020年）》（陆海卫星规划）和《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》（空基规划）的全面实施，我国卫星遥感技术突飞猛进，与各种新技术相互融合，进入了高质量发展的新阶段。新型传感器不断涌现，各项观测指标大幅提升，逐步实现了由单一光学传感器向多类传感器、由单系列向多系列遥感卫星、由中分辨率向高中分辨率结合的转变，实现了由科研试验型转向业务应用型，由主要技术跟踪国外转向自主创新、由依赖国外数据转向自主获取。
目前，我国已初步形成多传感器、多分辨率、多比例尺立体测图的业务化稳定运行的陆地遥感卫星观测网，在自然资源、生态环境、应急管理等多个行业领域应用成效显著，成为推进国家治理体系和治理能力现代化的重要技术支撑，在维护国家陆海权益、把握国际竞争领域主动权等方面也发挥了积极作用。
二、我国陆地遥感卫星发展历程
无论从遥感卫星数量还是遥感应用规模，我国都已跻身世界遥感大国。回溯我国陆地遥感卫星的发展特点，大致可以分为两个阶段。
1.初步探索阶段
2010年以前，我国卫星以技术试验性单星为主，在验证关键技术的同时，探索遥感应用。1999年10月，由我国和巴西共同投资、联合研制的中巴地球资源卫星01星（CBERS-01）成功发射，结束了我国没有陆地资源卫星的历史，标志着我国陆地遥感卫星发展进入探索阶段。随后，中巴地球资源卫星02星（CBERS-02）、中巴地球资源卫星02B星（CBERS-02B）分别于2003年10月、2007年9月成功发射。虽然获取了大量数据，但受经济、技术等条件限制，数据应用程度不高，对国外数据的替代作用有限。
2.快速发展阶段
2010年以来，随着高分专项、陆海卫星规划、空基规划的全面实施，我国陆地遥感卫星迎来蓬勃发展期，带动了卫星数量和质量“双提升”，实现了从依靠国外到自主发展的根本转变。一是由科研试验型向业务应用型转变，2011年成功发射的资源一号02C星（ZY-1-02C），开创了我国陆地遥感卫星业务化应用的先河；二是有效载荷由单一光学向光学（立体）、激光、高光谱、雷达、热红外等拓展，观测要素更丰富，分辨率和精度更高，数据应用场景和深度进一步扩大；三是遥感卫星由单系列向多系列发展，形成了“资源”“测绘”“高分”“环境”“减灾”等系列陆地遥感卫星；四是工作模式由单星工作向多星组网、多网协同转变，形成了陆地高分辨率（2m光学平面/立体、亚米光学平面/立体）、陆地中分辨率（高光谱）、合成孔径雷达（SAR）三型卫星星座，具备1:50000~1:10000立体测图能力和全国陆域地表变化监测能力，自主卫星观测及有效覆盖能力大幅提升，应用优势得到显著发挥。国产卫星米级、亚米级分辨率数据逐步替代进口数据，其中2m和16m分辨率数据已实现对国外同类卫星数据的完全替代。
如表1所示，截至2022年6月，由国家直接投资的在轨民用陆地遥感卫星数量达到21颗，其中自然资源部作为牵头主用户的有18颗（含3颗海陆兼顾卫星），基本建成多尺度、多载荷要素观测、业务化稳定运行的对地观测卫星体系。
表1 我国陆地遥感卫星发射及在轨情况表
三、我国陆地遥感卫星发展现状
1.光学卫星
我国光学卫星发展时间较长，技术较为成熟。目前，在轨的2米级光学卫星以资源一号02C星、高分一号卫星（GF-1）、2米/8米光学卫星星座（GF-1B/C/D）、高分六号卫星（GF-6）、中巴地球资源04A星（CBERS-04A）等为典型代表，亚米级光学卫星以高分二号卫星（GF-2）、高分多模综合成像卫星（GFDM）等为典型代表。
资源一号02C星已在轨超期服役七年，是我国首颗自主高分辨率民用陆地业务卫星，开创了主用户负责的卫星建造机制，是航天高科技与产业化应用紧密结合的典范。星上搭载了两台2.36m的高分辨率相机和一台5m全色/10m多光谱相机，在土地资源、地质矿产、地质灾害与地质环境等领域12项主体业务中实现了规模化应用，并拓展至重点地区卫片预警、闲置土地调查、露天采矿用地开发复垦遥感监测等30余项地方业务应用领域，业务化、规模化应用取得显著成效。
高分一号卫星是高分专项的首发星，搭载了两台2m分辨率全色/8m分辨率多光谱相机和四台16m分辨率多光谱相机，突破了高空间分辨率、大幅宽、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感技术，适应多种空间分辨率、多种光谱分辨率和多源遥感数据综合需求。2米/8米光学卫星星座是国家第一个民用高分辨率星座，由性能相同、状态一致的3颗业务卫星组成。高分六号卫星实现了8谱段CMOS探测器的国产化研制，首次增加了能够有效反映作物特有光谱特性的“红边”波段，打破了多年来行业遥感业务运行系统中高分辨率遥感数据依赖国外卫星的局面。高分一号卫星、2米/8米光学卫星星座、高分六号卫星已组网运行，可实现11天全球覆盖、同一地区1天重访，更好地兼顾高分辨率、宽覆盖和应急观测业务需求，为自然资源、防灾减灾、生态环境、城乡建设、交通运输、农业农村、应急管理等领域提供精准信息保障，已成为各行业最重要的数据源之一。
中巴地球资源04A星是中国和巴西两国政府合作研制的第六颗地球资源卫星，旨在满足中巴两国用户在国土资源调查、评价、规划、监测以及应急管理，农作物估产、环境保护与监测、城市规划等多个领域的需求，深化南南合作。星上主要配置了三台光学载荷，其中宽幅全色多光谱相机分辨率为全色2m、多光谱8m，多光谱相机分辨率为17m，宽视场成像仪分辨率为60m。
高分二号卫星是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星，搭载的两台高分辨率1m全色、4m多光谱相机实现拼幅成像，标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”。
高分多模综合成像卫星是空基规划中分辨率最高的光学遥感卫星，也是我国第一颗0.5m分辨率敏捷智能遥感卫星，采用政府与社会资本合作的模式（PPP）建设实施，进一步满足自然资源、调查监测、开发利用、地质勘查以及应急减灾、农业调查、住建监测、林业保护等领域的高精度数据需求。
我国已实现全国2m平面影像季度覆盖、亚米平面影像年度覆盖的成像能力。初步统计，通过多星协同观测，2米级光学卫星影像全国陆域季度有效覆盖达98%，其中秦岭—淮河一线以北地区月度覆盖达92%；亚米级光学卫星影像全国陆域年度有效覆盖达94%。
2.立体测图卫星
国产米级、亚米级高分辨率光学立体测图卫星技术发展迅猛，实现了对激光测高载荷的有效搭载，立体相机与激光测高仪复合测绘技术取得了从无到有的新突破，为无地面控制点条件下的1:50000、1:10000比例尺航天立体测图提供了有力支撑。资源三号01星（ZY-3-01）已在轨超期服役五年，是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测图卫星，搭载三线阵立体测绘相机和多光谱相机，集测绘和资源调查功能于一体，在稀少控制点条件下，影像平面精度优于3m，高程精度优于2m，全面超过了1:50000立体测图卫星设计指标，并可用于1:25000测图及部分1:10000地理要素的更新，不仅实现了我国高精度测绘卫星“零的突破”，且总体影像质量优于国外同类卫星。
资源三号02星（ZY-3-02）是空基规划首颗业务星，在资源三号01星基础上进行优化，将前后视相机分辨率从3.5m提高到优于2.5m，并搭载了一台激光测高试验性载荷，验证了国产卫星激光测高数据能有效提高立体影像无地面控制高程精度的可行性。
资源三号03星（ZY-3-03）是资源三号系列卫星的第三颗，具备多角度立体观测和激光高程控制点测量能力。激光测高仪单点测高精度优于1m，点间隔约3.6km。资源三号03星与资源三号01星、02星共同组成我国立体测绘卫星星座，重访周期从3天缩短到1天。资源三号系列卫星在基础测绘、自然资源调查、农林水利、灾害应急等领域得到广泛应用，已全面替代国外同类遥感卫星影像，成为高分辨率卫星业务化应用的典范。
高分七号卫星（GF-7）是高分专项部署的科研卫星之一，也是我国首颗民用亚米级高分辨率光学立体测绘卫星，搭载的两线阵立体相机和两波束激光测高仪，实现从1:50000到1:10000的技术跨越，推动形成了“全国范围2m普测、重点区域亚米详测”的卫星立体观测能力，为基础测绘、全球地理信息资源建设、地理国情监测等提供了重要数据支撑。
3.高光谱卫星
国内高光谱卫星发展势头强劲，观测谱段实现从多光谱到高光谱转变的新格局。初步统计，高光谱卫星全国陆域年度有效覆盖率达到95%，基本具备年度更新能力。
2018年5月成功发射的高分五号（GF-5）是世界首颗实现对陆地和大气综合观测的全谱段高光谱卫星，也是高分专项一颗重要的科研卫星。星上搭载六台载荷，其中可见短波红外高光谱相机空间分辨率可达30m，幅宽60km，光谱分辨率最高达5nm。高光谱观测卫星（高分五号02星，GF-5-02）是空基规划中的一颗业务星，充分继承高分五号卫星的成熟技术，在有效载荷配置及性能上均有一定的提升，可为生态环境、自然资源、应急管理、气象等部门主体业务提供高质量、高可靠的高光谱数据保障。
5米光学业务卫星（又称资源一号02D星，ZY-1-02D）、5米光学02星（又称资源一号02E星，ZY-1-02E）是空基规划中部署建设的高光谱业务卫星。5米光学业务卫星配置可见近红外相机和高光谱相机两型载荷，其特点是大幅宽观测和定量化遥感信息获取。5米光学02星还新增搭载一台16m空间分辨率、幅宽115km的热红外相机，进一步具备热红外探测能力。双星组网运行后，将可见近红外相机国土区域重访时间由3天提升为2天，形成中等空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的遥感综合对地观测能力，可实现地物精细化光谱信息调查，满足新时期自然资源调查与监测需求。
4.雷达卫星
国内雷达卫星发展迅猛，载荷水平不断提高，由单一成像模式向多种成像模式发展，由单极化向多（全）极化发展，由中分辨率向高分辨率发展，高分辨率宽幅成像能力不断加强，获取地物信息更加丰富，对地观测和监视能力得到提高，干涉测量技术取得突破性进展。
高分三号（GF-3）是我国首颗C波段多极化高分辨率合成孔径雷达（SAR）卫星，也是高分专项唯一的一颗微波成像雷达卫星，具有高分辨率、大成像幅宽、高辐射精度、多成像模式和长时工作的特点，能够全天候和全天时实现全球海洋和陆地信息的监测，提升突发事件快速响应能力，填补了我国民用自主高分辨多极化合成孔径雷达遥感数据空白。
1米C-SAR01星和02星（GF-3B/C）是依据空基规划建设的C波段多极化高分辨率合成孔径雷达卫星，与高分三号卫星实现组网运行，以满足海陆观测快速重访需求，为我国多极化合成孔径雷达卫星数据业务化应用提供支撑。
L波段差分干涉SAR卫星（L-SAR）是空基规划首个立项的科研卫星工程，也是我国第一组以干涉应用为核心任务的SAR卫星星座，由A、B星组成，双星均配置L波段SAR载荷。双星采用编队构型运行，利用干涉测高和差分形变测量技术，可实现高精度、全天时、全天候地形测量、地表形变和地质灾害监测。
四、机遇与挑战
近年来，党中央国务院关于国家生态文明建设、粮食安全和乡村振兴战略等重大决策部署，对提升国家治理能力和治理体系现代化水平提出了更高要求，亟需卫星遥感提供更为精细化、定量化、高效化的技术手段支撑。以自然资源主体业务为例，需要卫星遥感为主要支撑手段的业务项目包括全国国土调查、全球测图、基础测绘、地理国情监测、土地变更调查、执法督察等任务，现阶段对观测范围、需求频次、影像种类的总体需求可概括为：光学2m平面影像全国陆域季度覆盖，亚米平面影像全国陆域半年度覆盖、重点监测区域季度覆盖，光学2m立体影像全国陆域年度覆盖，亚米立体影像全国陆域三年覆盖，高光谱影像全国陆域年度覆盖，雷达影像全国重点区域月度覆盖。亟需加快建立并维持与之相适应的陆地遥感卫星骨干网。
目前，人工智能、大数据等新一代信息技术与卫星遥感深度融合，深刻改变着卫星遥感从设计研制、处理应用到终端服务全流程。依托数字化设计、规模化制造、智能化管控技术的发展，遥感卫星正加速向精细化、星座化、体系化和智能化迈进，综合观测能力不断提升；星上智能处理、实时信息解译等处理技术的发展持续推动卫星应用技术创新，新型应用服务模式要求全方位提升卫星应用系统能力，实现从卫星运控管理、在轨检校到产品生产、应用服务规模化的业务体系，构建从标准产品、基础产品到专题产品的多层次、多元化的产品体系，形成从数据服务、主动推送到信息服务的创新型、网络化的服务体系。
与旺盛的需求相比，陆地遥感卫星在支撑保障能力方面还存在一些短板。例如，亚米级公益卫星资源较少，数据业务供给缺口较大；新型卫星预研及新技术研发投入不足，特别是面向未来卫星遥感制高点，在分米级立体测绘、高分辨率高光谱、新体制雷达、陆海激光测量、高灵敏度热红外等新型卫星载荷预研方面有待深入；卫星组网和协同观测不足，监测频次不高，且受地面接收站网和星上数传能力限制，卫星观测效能未能充分发挥；应用系统缺乏持续稳定投入，应用基础设施建设滞后，卫星定量化遥感不精，智能化应用水平有待提高，制约了卫星遥感产品的高质量供给和应用任务的高效开展等。
五、建议及展望
应对机遇和挑战，亟需以空基规划下一阶段的实施为契机，进一步扬优势补短板，提升国产陆地遥感卫星及其支撑保障能力。一是加快推进后续卫星立项研制和发射，公益性投入构建国家陆地遥感卫星骨干网，明确卫星退役替补、持续更新换代机制，确保数据连续稳定；二是提高亚米级卫星数据公益保障水平，实现公益与商业协同互补的发展格局；三是面向未来技术制高点，加大新型卫星预研力度；四是推动星地资源共建共享共用，全面提升在轨卫星工作效能；五是增加应用系统建设及运行经费投入，适度超前于卫星工程进行部署，提升影像数据处理的定量化和智能化水平，推进国产遥感软件自主可控。
展望未来，随着对地观测技术的不断发展，下一代陆地遥感卫星以高空间分辨率、高时间分辨率、全要素、全天时、全尺度即“两高三全”为主要发展趋势，具备精细观测、即时监测、多维探测等特点，由单纯追求分辨率、精确性向追求综合化、智能化、定量化、立体化等转变，形成从静态调查到动态监测、从高程测量到形变监测、从水面到水下、从地表到地下、从数量到质量和生态的综合观测能力。在“一星多用、多星组网、多网协同”体系化发展思路下，通过持续构建多尺度高时空分辨率光学卫星星座、全天候全天时雷达卫星星座、全谱段全要素高光谱卫星星座，积极推进新型卫星载荷预研，最大程度发挥在轨卫星观测及应用效能，国产陆地遥感卫星发展必将实现新的跨越，成为持续推进自然资源治理体系和治理能力现代化、助力经济社会高质量高水平发展的重要支撑手段。
来源：应用推广部
供稿：技术研发部
编辑：王旭
