論文介紹

題目：On China’s earth observation system: mission, vision and application

期刊：Geo-spatial Information Science 一區(qū)

論文：https://www.tandfonline.com/doi/10.1080/10095020.2024.2328100

年份：2024

單位：武漢大學

作者：李德仁院士、王密教授、博士生郭昊南（通訊作者）、金文杰等

本篇由論文原作者審閱

主要內容

本文概述了中國對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并探討了其在技術創(chuàng)新和應用拓展方面的最新進展，以及未來發(fā)展趨勢。

發(fā)展現(xiàn)狀

中國的地球觀測系統(tǒng)始于1970年代，并在過去幾十年里取得了長足發(fā)展，現(xiàn)已建成了一個功能全面、多用途的衛(wèi)星觀測網(wǎng)絡。以下是具體的發(fā)展現(xiàn)狀：

• 多衛(wèi)星星座系統(tǒng)：中國當前在軌運行的遙感衛(wèi)星超過200顆，覆蓋了氣象、海洋、資源監(jiān)測等領域。不同類型的衛(wèi)星星座系統(tǒng)支持對陸地、海洋和氣象等環(huán)境的全天候、實時監(jiān)測。主要的衛(wèi)星系列包括：

• 風云（FY）氣象衛(wèi)星：自1977年起研發(fā)風云系列衛(wèi)星，用于氣象觀測，支持全球氣候變化研究和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。風云系列最新的FY-4B衛(wèi)星實現(xiàn)了每15分鐘一次的全盤觀測，每天可提供高頻次和高分辨率的數(shù)據(jù)。

  
  

  
  

• 海洋（HY）系列衛(wèi)星：用于監(jiān)測海洋環(huán)境，包括海洋色彩、海洋動力學參數(shù)和海洋事件（如船只、油污等）。HY-2系列衛(wèi)星形成了全球海洋動力監(jiān)測星座，提供了全球范圍內6小時至12小時內的海洋數(shù)據(jù)。

  
  

  
  

• 資源（ZY）系列衛(wèi)星：ZY衛(wèi)星自1999年起主要用于資源管理和環(huán)境監(jiān)測，特別是在應對國際重大自然災害時提供了多次協(xié)助。ZY-3系列衛(wèi)星組成的星座網(wǎng)絡提供了高精度三維立體測圖，滿足了大規(guī)模資源管理和生態(tài)監(jiān)測需求。

• 高分（GF）系列衛(wèi)星：高分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)為民用提供高分辨率的光學數(shù)據(jù)，分辨率從米級到亞米級。GF系列衛(wèi)星具有高重訪率，支持農(nóng)業(yè)監(jiān)測、城市規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等多種應用。

  
  

• 環(huán)境衛(wèi)星：環(huán)境減災衛(wèi)星（HJ）系列、碳監(jiān)測衛(wèi)星和SDGSAT-1等，主要用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、氣候變化評估和災害減災，支持水資源、空氣質量和碳排放的長期監(jiān)測。

• 商業(yè)衛(wèi)星：中國大力發(fā)展商業(yè)遙感衛(wèi)星，典型的如吉林-1衛(wèi)星星座，具備高分辨率和高重訪率，廣泛應用于農(nóng)業(yè)、城市管理和災害應急響應，為市場提供定制化的遙感數(shù)據(jù)服務。

• 衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理與分發(fā)：中國的衛(wèi)星數(shù)據(jù)從最初的實驗性應用逐步轉為標準化的操作服務。衛(wèi)星數(shù)據(jù)根據(jù)用途交由不同機構管理和分發(fā)，例如氣象數(shù)據(jù)由國家衛(wèi)星氣象中心（NSMC）管理，海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)由國家衛(wèi)星海洋應用中心（NSOAS）管理，資源和高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)由中國資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用中心（CRESDA）負責。不同的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過多層級預處理，并以類似Landsat和Sentinel的標準化格式分發(fā)至國內外用戶，進一步推動了遙感數(shù)據(jù)的全球共享和利用。

• 部分中國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)已公開提供，鏈接如下：

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  • 氣象FY系列數(shù)據(jù)：http://www.nsmc.org.cn/

  • 高分辨率衛(wèi)星、資源衛(wèi)星及環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)：https://data.cresda.cn/

  • 海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)：http://www.nsoas.org.cn/

  
  

  
  

• 在軌處理與自動化：中國的衛(wèi)星逐漸實現(xiàn)了在軌數(shù)據(jù)處理，從傳統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)接收和分析模式轉變?yōu)閷崟r處理。以LuoJia-3 01衛(wèi)星為例，該衛(wèi)星配備了智能處理單元，能夠在軌完成云檢測、目標識別、移動目標追蹤等任務，為快速響應和決策支持提供了強有力的實時遙感信息服務。

中國地球觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在多個領域得到了廣泛應用，通過融合多源遙感數(shù)據(jù)和智能處理技術，提高了資源管理、生態(tài)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)管理、災害響應等方面的效率和精度。具體應用包括：

• 資源與環(huán)境監(jiān)測：風云（FY）和環(huán)境減災（HJ）系列衛(wèi)星用于大氣質量監(jiān)測、水資源管理、土地利用評估等任務。例如，F(xiàn)Y-3D數(shù)據(jù)被用來合成清晰圖像，能夠消除云覆蓋干擾，從而生成高精度的土地覆蓋和水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)。在黃河內蒙古段，F(xiàn)Y衛(wèi)星數(shù)據(jù)被用于冰凍監(jiān)測，支持資源管理和災害預警。

• 農(nóng)業(yè)監(jiān)測：通過高分辨率遙感影像和深度學習算法，中國地球觀測系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測農(nóng)作物生長和評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。例如，結合珠海-1高光譜數(shù)據(jù)、Sentinel-2多時相數(shù)據(jù)和無人機數(shù)據(jù)，構建了用于湖北省作物分類的深度學習網(wǎng)絡，提升了農(nóng)田信息的監(jiān)測精度。同時，高分系列衛(wèi)星的高分辨率圖像被用于全國溫室大棚的自動提取和制圖，監(jiān)測精度較高，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要數(shù)據(jù)支持。

• 災害應急響應：中國的遙感數(shù)據(jù)在地震、洪水、火災等災害事件中起到了關鍵作用。例如，Luojia-3 01衛(wèi)星的在軌智能處理系統(tǒng)能夠自動識別和分析森林火災點，并通過北斗短報文傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)了從衛(wèi)星觀測到地面響應的秒級時效。此外，F(xiàn)Y衛(wèi)星數(shù)據(jù)被用于鄭州暴雨災害的水體變化監(jiān)測，為應急管理和災害恢復提供了數(shù)據(jù)支持。

• 國土和土地覆蓋分類：中國通過ZY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)完成了“一帶一路”沿線國家的土地覆蓋分類，并開發(fā)了大規(guī)模高分辨率影像數(shù)據(jù)集（如GF-2影像GID數(shù)據(jù)集），為全球的土地覆蓋分類研究和跨國合作提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

  
  

  
  

資源與環(huán)境監(jiān)測

在資源與環(huán)境監(jiān)測領域，中國地球觀測系統(tǒng)結合LuoJiaNET深度學習框架和多源遙感數(shù)據(jù)，通過U-Net和DeepLab等網(wǎng)絡進行云檢測和去云處理，生成高質量的清晰影像數(shù)據(jù)。這些深度學習模型自動識別云覆蓋區(qū)域，去除干擾，支持多云環(huán)境下的土地覆蓋、空氣質量、水資源和氣候等方面的監(jiān)測，為環(huán)境管理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎。此外，HJ環(huán)境減災系列衛(wèi)星和SDGSAT-1衛(wèi)星的數(shù)據(jù)還被廣泛用于水資源和空氣質量的監(jiān)控，結合LuoJiaSET樣本庫的大規(guī)模遙感圖像數(shù)據(jù)集，能夠精確分析自然資源的分布和變化。

農(nóng)業(yè)監(jiān)測

在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中，中國地球觀測系統(tǒng)利用高分系列衛(wèi)星的高分辨率影像，結合深度學習模型（如ResNet和VGG）進行溫室和作物監(jiān)測，自動提取溫室分布和農(nóng)田覆蓋信息。通過深度學習網(wǎng)絡的高效分類能力，系統(tǒng)實現(xiàn)了對全國溫室大棚分布的自動提取和制圖，提供了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準信息。同時，基于Sentinel-2和珠海-1等多源數(shù)據(jù)，結合LSTM網(wǎng)絡進行時間序列分析，持續(xù)監(jiān)測作物的生長狀況和產(chǎn)量變化，為農(nóng)業(yè)資源管理和決策提供了科學依據(jù)。

災害應急響應

在災害應急響應中，地球觀測系統(tǒng)通過LuoJia-3 01等衛(wèi)星的在軌智能處理單元，結合深度學習模型實現(xiàn)了對災害的自動識別和快速響應。LuoJia-3 01衛(wèi)星利用YOLO和Mask R-CNN等目標檢測網(wǎng)絡對森林火災、洪水等災害區(qū)域進行自動檢測，實時定位災害影響區(qū)域，并通過北斗系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面。通過這種深度學習驅動的自動化分析，遙感數(shù)據(jù)能夠在災害發(fā)生初期實現(xiàn)秒級響應，為應急管理和救援決策提供了高效的數(shù)據(jù)支持。

專用深度學習工具的支持

LuoJiaNET作為專為遙感影像解譯設計的深度學習框架，能夠高效處理大規(guī)模遙感數(shù)據(jù)，適用于資源監(jiān)測、環(huán)境評估和災害管理等多種遙感任務；而LuoJiaSET則提供了豐富的遙感影像樣本庫，支持從土地分類到動態(tài)監(jiān)測的各種解譯任務。這些工具與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的深度結合，大大提升了遙感數(shù)據(jù)分析的精度和速度。

未來發(fā)展

• 地球觀測腦（Earth Observation Brain, EOB）：EOB是未來地球觀測系統(tǒng)的核心目標，旨在實現(xiàn)類似人腦的智能感知和認知功能。EOB通過結合地理信息學、計算機科學和腦科學的技術，整合測量、校準、目標感知與認知等功能，將傳統(tǒng)的被動數(shù)據(jù)采集轉變?yōu)橹鲃拥男畔⑻崛。⒒谛l(wèi)星-地面協(xié)同網(wǎng)絡為用戶提供實時的智能化地理空間信息服務。未來的EOB可以通過實時處理提供“何時、何地、何物、變化如何”等關鍵信息，并在正確的時間和地點推送給需要的用戶。

• PNTRC系統(tǒng)：PNTRC系統(tǒng)（Positioning, Navigation, Timing, Remote Sensing, Communication）整合了定位、導航、定時、遙感和通信功能，目標是建立一個全球化的實時空間信息服務體系。該系統(tǒng)將低軌高分辨率光學和雷達小衛(wèi)星網(wǎng)絡與高分辨率遙感、導航和通信衛(wèi)星網(wǎng)絡結合，能夠為用戶提供精準、智能的空間信息服務。PNTRC系統(tǒng)將基于衛(wèi)星大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和第五代移動通信技術，實現(xiàn)衛(wèi)星到終端的準確實時信息傳輸，滿足專業(yè)用戶和公眾用戶的需求。

  為推進中國PNTRC衛(wèi)星巨型星座建設，由武漢大學牽頭的“東方慧眼”智能遙感星座通過組網(wǎng)觀測、全球覆蓋與超高分辨率結合、智能規(guī)劃等措施，提升觀測效率和精度，拓展產(chǎn)業(yè)應用，實現(xiàn)“看得快、看得清、看得準”的目標，服務范圍從專業(yè)和政府用戶擴展至全球大眾市場，覆蓋B2B、B2G和B2C。

  珞珈三號01星的實時智能服務

  
  

  東方慧眼星座和部分國際主流星座對比

  
  

• 低軌衛(wèi)星星座與智能處理：中國的低軌衛(wèi)星星座計劃（如東方慧眼項目）通過整合多種傳感器和智能算法，為地球觀測提供連續(xù)、高分辨率的全球覆蓋圖像。東方慧眼項目包含了四個階段，計劃到2030年建成全球系統(tǒng)。該系統(tǒng)將通過高頻次的多光譜、高光譜和夜光成像，支持多領域的監(jiān)測和應用需求。此外，通過在軌智能處理技術的應用，衛(wèi)星能夠實現(xiàn)自主圖像分析和事件識別，為災害監(jiān)測等需求提供秒級響應。

• 深空探測：中國的地球觀測技術已廣泛應用于深空探測項目，例如嫦娥和天問系列任務中的著陸導航、月面測圖、火星表面地形測繪等。未來，隨著遙感技術的進步，中國計劃進一步擴展深空探測，支持對月球、火星乃至更深遠星體的資源探測和地質分析。

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