● 文 | .水利部信息中心 .中國水利水電科學研究院 陳德清 馬建威 崔倩

一、引言

高分三號（GF-3）衛(wèi)星在2016年8月10日成功發(fā)射，是我國首顆分辨率達到1m的C頻段多極化合成孔徑雷達（SAR）成像衛(wèi)星，具備聚束、全極化條帶、波成像等12種成像模式。在不同成像模式下，其空間分辨率從1 m到500 m，幅寬則從10 km到650 km。經(jīng)過5個多月的在軌運行測試后，GF-3衛(wèi)星于2017年1月23日正式投入使用，目前已經(jīng)應用到各行各業(yè)中。

當前，我國洪澇、干旱災害和水資源短缺等水問題突出，地面監(jiān)測系統(tǒng)目前還不能實現(xiàn)全面覆蓋。GF-3衛(wèi)星具有全天候/全天時對地觀測能力，可以不分晝夜、陰雨天氣進行對地觀測。針對洪澇干旱災害監(jiān)測、水資源管理等水利應用需求，開展基于可以常態(tài)化接收的國產(chǎn)GF-3雷達數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水體等專題信息的自動化提取研究，可以有效補充地面監(jiān)測能力的不足，提升我國水利監(jiān)測能力。

作為GF-3衛(wèi)星主用戶之一，水利部信息中心聯(lián)合中國水利水電科學研究院，開展GF-3衛(wèi)星在地表水體監(jiān)測、洪澇監(jiān)測、干旱災害監(jiān)測、水利工程監(jiān)測等方面的技術(shù)攻關(guān)及應用研究，包括理論方法及技術(shù)流程。在此基礎(chǔ)上，進一步構(gòu)建了GF-3衛(wèi)星水利示范應用系統(tǒng)，并在示范區(qū)對提出的算法和技術(shù)流程進行了檢驗。

二、高分三號衛(wèi)星水利應用

1．地表水體及水源地監(jiān)測

利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取地表水體范圍，首先，對SAR影像進行預處理，開展水體后向散射特征分析研究，優(yōu)選水體提取的最佳入射角、波段和極化方式；在此基礎(chǔ)上，針對不同極化模式的GF-3 SAR圖像，進一步進行水體提取的模型方法分析研究；最后根據(jù)提出的模型方法，提取水體范圍信息?；贕F-3數(shù)據(jù)的地表水源地水體監(jiān)測技術(shù)流程，利用2016年10月9日精細條帶模式1的GF-3影像，精確提取河北省崗南水庫水體范圍，如圖1所示。

2．洪澇監(jiān)測

洪澇災害遙感監(jiān)測主要利用高分衛(wèi)星影像，基于數(shù)字圖像處理、遙感專題信息提取等技術(shù)，實現(xiàn)對洪澇災害淹沒范圍監(jiān)測，并在基礎(chǔ)地理信息以及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的支持下，開展洪澇災害快速評估。具體方法為：首先，應用GF-1或GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取常規(guī)條件下的背景水體；然后，利用GF-3數(shù)據(jù)提取洪澇發(fā)生時水體范圍，通過疊加運算提取洪澇淹沒范圍；最后通過開展多期監(jiān)測，獲取淹沒歷時，結(jié)合土地利用、社會經(jīng)濟等基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)，開展災害損失評估?；诤闈碁暮b感監(jiān)測技術(shù)流程，利用2017年7月14日標準模式的GF-3影像，對吉林市市轄區(qū)和永吉縣進行洪澇監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示洪水淹沒區(qū)主要集中在吉林市境內(nèi)的溫德河和鰲龍河附近，如圖2所示。

圖2 高分三號衛(wèi)星洪澇監(jiān)測樣例（吉林市市轄區(qū)和永吉縣）

3．旱情監(jiān)測

通過兩種方法來進行旱情監(jiān)測，第一種方法監(jiān)測土壤含水量，依據(jù)旱情等級劃分標準，獲取監(jiān)測區(qū)域的旱情等級。第二種為提取監(jiān)測區(qū)域的水體范圍，通過水面面積變化來獲取監(jiān)測區(qū)域的旱情信息。

（1）土壤含水量監(jiān)測

利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對地表穿透性和地表的后向散射特征獲取地表土壤含水量，并利用高光譜數(shù)據(jù)去除植被冠層水分的影響。

基于GF-3數(shù)據(jù)的土壤含水量監(jiān)測的技術(shù)流程，利用2017年2月5日全極化條帶模式1的GF-3影像，反演得到安徽省固始縣的土壤含水量分布圖，如圖3所示。

圖3 高分三號土壤含水量監(jiān)測樣例（安徽省固始縣）

（2）基于水體面積變化

基于GF-3衛(wèi)星對水體提取的能力，與可見光遙感一起用于定期提取監(jiān)測區(qū)域的水體。監(jiān)測區(qū)地表水體面積的變化是評價區(qū)域旱情的一項重要指標。其中水體提取的技術(shù)流程與地表水體監(jiān)測一致?；贕F-3數(shù)據(jù)的水面面積變化提取技術(shù)流程，利用2016年12月14日精細條帶模式2的GF-3影像，提取鄱陽湖水體范圍。利用多期多源影像數(shù)據(jù)，得到1996年到2016年鄱陽湖水體面積變化，如圖4所示?？梢钥吹?，夏季水體面積最大，1996—2016年，鄱陽湖水體面積整體變化不大。

圖4 高分三號水體面積變化監(jiān)測樣例（鄱陽湖）

4.水利工程監(jiān)測

通常情況下，光學衛(wèi)星監(jiān)測水體工程更具有優(yōu)勢，GF-3衛(wèi)星對于水利工程監(jiān)測重點是在天氣惡劣條件下對水利工程運行狀態(tài)的監(jiān)測，以及決口、垮壩、漫溢等險情的監(jiān)測。基于GF-3數(shù)據(jù)的水利工程監(jiān)測的技術(shù)流程，利用2016年11月14日精細條帶模式2的GF-3影像，對湖北省赤壁市陸水水庫大壩及附近垸堤進行監(jiān)測，如圖5所示。

三、應用系統(tǒng)建設與業(yè)務化運行

GF-3衛(wèi)星水利應用示范基于高分水利遙感應用示范系統(tǒng)開展，針對水利應用迫切需求，突破地表水體快速提取、洪澇災害監(jiān)測、旱情監(jiān)測、水利工程監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)。

系統(tǒng)通過搭建軟、硬件支撐平臺，建設為各業(yè)務應用分系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理、運行管理、并行計算與協(xié)同作業(yè)以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分發(fā)服務的平臺支撐分系統(tǒng)，以及完成各類專題產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)。

1．應用系統(tǒng)組成

GF-3衛(wèi)星水利應用示范系統(tǒng)的邏輯組成如圖6所示，包括4個高分水利專題應用分系統(tǒng)和4個高分水利遙感應用示范平臺支撐類分系統(tǒng)。

圖5 基于高分三號的水利工程監(jiān)測樣例（湖北省赤壁市陸水水庫大壩）

專題應用子系統(tǒng)包括水資源監(jiān)測評價和管理分系統(tǒng)、水旱災害監(jiān)測分系統(tǒng)、水利工程監(jiān)測和評價分系統(tǒng)、水利基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)，用于生產(chǎn)水利專題應用產(chǎn)品。

平臺支撐類子系統(tǒng)包括水利高分數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、水利高分業(yè)務運行管理分系統(tǒng)、水利高分數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)和水利高分產(chǎn)品服務與分發(fā)分系統(tǒng)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品管理、運行管理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的共享與服務。

圖6 高分三號衛(wèi)星水利應用示范系統(tǒng)組成

2．系統(tǒng)架構(gòu)

GF-3衛(wèi)星水利應用示范系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)與中國資源衛(wèi)星應用中心和應用技術(shù)中心連接，進行數(shù)據(jù)文件和共性技術(shù)軟件模塊交換。系統(tǒng)內(nèi)部以水利業(yè)務網(wǎng)為運行管理環(huán)境，集成水資源監(jiān)測評價和管理分系統(tǒng)、水旱災害監(jiān)測分系統(tǒng)、水利工程監(jiān)測和評價分系統(tǒng)、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫建設與更新分系統(tǒng)，支撐GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水利示范應用。通過高分水利遙感應用示范的開展，實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務化運行和水利應用專題產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)和共享服務。通過示范區(qū)開展應用示范，逐步實現(xiàn)GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)在水利遙感監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛應用。

圖7 高分三號衛(wèi)星水利應用示范系統(tǒng)構(gòu)架

3．系統(tǒng)接口

GF-3衛(wèi)星應用示范系統(tǒng)的外部接口包括數(shù)據(jù)接入節(jié)點和水利業(yè)務系統(tǒng)兩個方向。數(shù)據(jù)接入節(jié)點對象包含中國資源衛(wèi)星應用中心和其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供單位。系統(tǒng)中水利高分數(shù)據(jù)產(chǎn)品存儲管理子系統(tǒng)的GF-3數(shù)據(jù)接入模塊可以向數(shù)據(jù)接入節(jié)點提交GF-3遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)申請，同時對數(shù)據(jù)接入節(jié)點推送來的GF-3數(shù)據(jù)進行接收、質(zhì)量檢查和歸檔入庫。水利業(yè)務系統(tǒng)包括防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國家水資源監(jiān)控能力建設系統(tǒng)等業(yè)務系統(tǒng)。高分水利遙感應用示范系統(tǒng)與水利業(yè)務系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)、服務等的共享。

GF-3衛(wèi)星應用示范系統(tǒng)內(nèi)部接口包括以水利高分業(yè)務運行管理子系統(tǒng)為中心的指令流流轉(zhuǎn)接口和以水利高分數(shù)據(jù)產(chǎn)品存儲管理子系統(tǒng)為中心的數(shù)據(jù)流流轉(zhuǎn)接口。

4．系統(tǒng)流程

圍繞將GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用于水利主體業(yè)務需求，GF-3衛(wèi)星水利應用示范系統(tǒng)的常規(guī)業(yè)務流程可劃分為六個階段，分別為任務創(chuàng)建、數(shù)據(jù)獲取、標準化處理、專題應用產(chǎn)品生產(chǎn)、任務跟蹤和反饋以及產(chǎn)品發(fā)布階段（如圖8）。

業(yè)務部門接到任務后，通過業(yè)務運行管理分系統(tǒng)進行任務及子任務的創(chuàng)建。

圖8 高分三號衛(wèi)星水利應用示范系統(tǒng)業(yè)務流程

水利高分數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)接收任務單。根據(jù)任務單進行GF-3數(shù)據(jù)提取或申請，對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，檢查合格的GF-3數(shù)據(jù)由水利高分數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)完成歸檔。任務單完成后將任務單完成情況反饋至水利高分業(yè)務運行管理分系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)接收任務單。對待處理的GF-3數(shù)據(jù)進行標準化處理、歸檔。并將任務單完成情況反饋至水利高分業(yè)務運行管理分系統(tǒng)。

水利高分業(yè)務運行管理分系統(tǒng)以任務單的方式通知其他水利業(yè)務應用分系統(tǒng)。業(yè)務應用分系統(tǒng)接收任務單，對待處理的GF-3標準數(shù)據(jù)進行業(yè)務應用處理，將處理后的水利專題產(chǎn)品歸檔。完成任務單后將結(jié)果信息返回水利高分業(yè)務運行管理分系統(tǒng)。

水利高分業(yè)務運行管理分系統(tǒng)監(jiān)控跟蹤任務的執(zhí)行狀態(tài)，判斷任務的完成情況；當任務完成時，將任務完成信息反饋至業(yè)務運行管理分系統(tǒng)。

通過水利高分產(chǎn)品服務與分發(fā)分系統(tǒng)實現(xiàn)GF-3各級產(chǎn)品的推送與分發(fā)。

5．數(shù)據(jù)流程

GF-3衛(wèi)星水利應用示范系統(tǒng)數(shù)據(jù)從高分數(shù)據(jù)中心獲取1-2級標準數(shù)據(jù)后，按后續(xù)處理需要，生成水利1-3級數(shù)據(jù)產(chǎn)品。標準數(shù)據(jù)與水利數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為專題應用分系統(tǒng)的輸入源，由專題應用分系統(tǒng)進行生產(chǎn)4級水利專題應用產(chǎn)品，由數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)進行分發(fā)，其間每一級產(chǎn)品都將數(shù)據(jù)歸檔到磁盤陣列。

6．GF-3水利示范應用系統(tǒng)主要技術(shù)指標

水利應用示范系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如下：

1） 實現(xiàn)基于GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地表水體快速提取、土壤含水量監(jiān)測、洪澇災害監(jiān)測、干旱監(jiān)測和水利工程監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)突破。

2）形成基于GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表水體監(jiān)測、土壤含水量監(jiān)測、洪澇災害監(jiān)測、干旱監(jiān)測、水利工程監(jiān)測等5項技術(shù)規(guī)范和指標體系。

3）形成4類14種專題產(chǎn)品。

4）具備每天不低于10000km2的專題產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

7．GF-3水利示范應用系統(tǒng)運行和示范應用

系統(tǒng)主要在河北省崗南水庫、淮河中游干流、安徽北部平原區(qū)、長江中下游等示范區(qū)，開展GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)地表水體提取、洪澇范圍監(jiān)測、土壤含水量反演、堤防提取等典型示范應用，并在全國其他區(qū)域的開展和推廣GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應用。

四、結(jié)論

GF-3衛(wèi)星為水資源管理、水旱災害監(jiān)測、梳理工程監(jiān)測等業(yè)務提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。通過對基于高分三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表水體快速提取、土壤含水量監(jiān)測、洪澇災害監(jiān)測、水利工程監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。研發(fā)相應的模型和軟件模塊，規(guī)范產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)流程，為批量化、業(yè)務化生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。搭建了由數(shù)據(jù)管理、運行管理、數(shù)據(jù)處理和共享服務等功能組成的支撐平臺系統(tǒng)和各類專題產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)。設計系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、業(yè)務流程、數(shù)據(jù)流程以及技術(shù)指標。在示范區(qū)對專題產(chǎn)品生產(chǎn)和應用進行了技術(shù)驗證。結(jié)果表明基于高分三號衛(wèi)星的專題產(chǎn)品可以有效補充高分光學衛(wèi)星在惡劣天氣條件下數(shù)據(jù)的不足，產(chǎn)品生產(chǎn)能力可以滿足任務需求，產(chǎn)品質(zhì)量在規(guī)范控制條件下可以滿足業(yè)務要求，能夠為水資源日常監(jiān)測、水旱災害監(jiān)測、水利工程監(jiān)測等提供有力的支撐。