程三友,李英杰

(1.長安大學地球科學與資源學院,陜西 西安 710054;2.陜西省環(huán)境科學研究設計院,陜西 西安710061)

SPOT系列衛(wèi)星的特點與應用

程三友1,李英杰2

(1.長安大學地球科學與資源學院,陜西 西安 710054;2.陜西省環(huán)境科學研究設計院,陜西 西安710061)

SPOT衛(wèi)星是世界上首先具有立體成像能力的遙感衛(wèi)星,是一種多光譜高分辯率遙感衛(wèi)星。1986年 2月 22日法國發(fā)射第一顆地球資源觀測實驗衛(wèi)星 (SPOT-1)至今,SPOT系統(tǒng)衛(wèi)星共發(fā)射了 5顆。SPOT-4在 SPOT-1、SPOT-2和 SPOT-3的基礎上,紅光波段的分辨率改進為 10m,又增加了 1.58μm～1.75μm的紅外波段,提高了對植被信息的獲取。SPOT-5衛(wèi)星和以前的 SPOT衛(wèi)星相比,攜帶了高分辨率立體成像儀 HSR、2臺高分辨率幾何成像儀 HRG和“植被-2”相機等新的儀器設備,在觀測能力方面有了很大的提高,分辨率高達 5m和 2.5m,還提供數(shù)字高程模型(DEM)。這些特點使得 SPOT衛(wèi)星具有多種用途,如巖石巖性、構造,礦產(chǎn)填圖,環(huán)境監(jiān)測,水資源調查,大氣探測,植被調查,農(nóng)作物估產(chǎn),冰雪覆蓋調查,土地利用和土地覆蓋,城市和城市周圍規(guī)劃以及自然災害控制,森林資源調查,旅游資源調查等。系統(tǒng)總結和了解 SPOT衛(wèi)星系統(tǒng)特點,對了解地球資源、監(jiān)測地球具有重要的科學價值。

SPOT衛(wèi)星;高分辨率;遙感;應用

0 引 言

隨著人類對遙感信息需求的不斷加大,世界各國發(fā)射了大量載有遙感器的航天飛行器。1972年,美國發(fā)射了“陸地衛(wèi)星”(LANDSAT)1號,由此揭開了用航天遙感技術進行地球資源調查和環(huán)境監(jiān)測的序幕。法國于 1986年開始發(fā)射 SPOT系列衛(wèi)星,主要是基于提高空間分辨率和對地球表面的資源和環(huán)境監(jiān)測,能取得更精確和定量的分析結果,以提高對地觀測數(shù)據(jù)定量分析的能力。2002年 5月,SPOT-5遙感衛(wèi)星成功發(fā)射,該衛(wèi)星攜帶高分辨率立體成像儀 (HSR)、2臺高分辨率幾何成像儀 (HRG)和“植被-2”相機等新的儀器設備,在觀測能力方面有了很大的提高,進一步拓展了該系列衛(wèi)星的應用范圍。SPOT系列衛(wèi)星具有立體成像、分辨率高等眾多優(yōu)點,對地質領域、土地利用和土地覆蓋變化及水體監(jiān)測等有著廣泛的應用前景。對 SPOT系列衛(wèi)星的發(fā)展進行回顧,對其應用進行分析具有較大的實踐意義。

1 SPOT衛(wèi)星的設計思想

20世紀 70年代末,地球資源觀察衛(wèi)星的運行實踐表明,“同譜異物”、“異物同譜”和“混合像元”的問題普遍存在,且其重復觀察周期仍然顯得太長,難以觀察到地球上同一地區(qū)在 18d內的變化,若采用當時最新的“電子耦合器件 (CCD)”線陣推掃成像技術,可提高傳感器姿態(tài)的穩(wěn)定性,從而可提高圖像的幾何質量,使之能滿足中等比例制圖和基礎地理信息獲取對圖像幾何質量的要求。基于此,1978年,法國、比利時、瑞典 3國開始合作進行 SPOT衛(wèi)星計劃。

2 SPOT系列衛(wèi)星

1986年 2月 22日,法國發(fā)射了第一顆地球資源觀測實驗衛(wèi)星 (SPOT-1)。至今,SPOT系統(tǒng)衛(wèi)星共發(fā)射 5顆。它所采用的探測器有其獨有的特點,構像也別具特色,因而被較多的采用,且 SPOT衛(wèi)星還是世界上首先具有立體成像能力的遙感衛(wèi)星。SPOT-5衛(wèi)星和以前的 SPOT衛(wèi)星相比,在觀測能力方面有了很大的提高,能為中等比例制圖 (1∶2.5萬和 1∶1萬),城市和城市周圍規(guī)劃以及自然災害控制等應用領域提供重要的資源。由 2顆運行于近地軌道的小衛(wèi)星 (每顆衛(wèi)星質量約 500kg)組成的 SPOT后繼衛(wèi)星系統(tǒng) (法文稱為 3S)尚在計劃之中,其每顆衛(wèi)星遙感器的地面分辨率為 2m～3m,到時將取代目前 2 500kg～3 000kg的 SPOT系列衛(wèi)星。SPOT各顆衛(wèi)星的發(fā)射時間、運行時間、所搭載的遙感器等見表1。

表1 地球資源觀測實驗衛(wèi)星 (SPOT)

2.1 SPOT-1、SPOT-2和 SPOT-3

SPOT-1—SPOT-3衛(wèi)星的性能基本上是相同的,均攜帶 2臺采用 CCD推掃式成像技術的 HRV,HRV技術參數(shù)見表 2。HRV具多光譜和全色(PAN)2種工作模式,全色波段包括綠、黃、橙、紅直至深紅光,但不包括青、藍、紫光,多波段的 B1、B2、B3相當于 T M2、T M3、T M4,HRV缺少與 T M1、T M5、T M7相對應的波段。SPOT-1和 SPOT-2衛(wèi)星都帶有立體成像系統(tǒng),其每臺相機幅寬 60km,高 830km。SPOT-3衛(wèi)星所攜帶的遙感器由改進型 HRV、固體測高儀、激光反射儀構成,相機幅寬 110km～2 000km,高度為 832km。SPOT-1—SPOT-3衛(wèi)星的設計壽命為 2年,需要說明的是：SPOT-1和 SPOT-2衛(wèi)星的各 2臺星載磁帶記錄儀均已失靈,SPOT-1衛(wèi)星于 2001年 1月轉入軌道備用狀態(tài),SPOT-2衛(wèi)星只能以實時傳輸數(shù)據(jù)的方式工作,SPOT-3于 1996年 11月突然停止工作而報廢。

表2 SPOT-1、SPOT-2、SPOT-3上的 HRV技術參數(shù)

2.2 SPOT-4

SPOT-4攜帶的遙感器一個是代替 HRV的 HRV I R(高分辨率可見光和紅外相機),增加了1.58μm～1.75μm的紅外波段,紅光波段的分辨率改進為 10m,其余多光譜波段的分辨率仍為 20m(表3)。另一個是幅寬為2 200km,高度為1 334km,地面分辨率為 1km的 4譜段植被儀 (V I),主要用于獲取植被信息和校正大氣數(shù)據(jù)。

表3 SPOT-4上的 HRV IR和 V IR技術參數(shù)

2.3 SPOT-5

法國航天中心 (CNES)于 2002年 5月發(fā)射了SPOT-5遙感衛(wèi)星,該衛(wèi)星設計壽命為 5年,重3 030kg。與前 4顆 SPOT衛(wèi)星相比,SPOT-5衛(wèi)星有較大改進,在觀測能力方面有了很大的提高,并攜帶有新的儀器設備 (表 4)。其中包括：①高分辨率立體成像儀 (HSR)：其全色譜段分辨率為 10m,這是新增加的最重要的儀器設備,它能同時獲取 2幅圖像,擁有空前的觀測能力,在一個掃描列中覆蓋廣大的地域,能用于制作更為精確的地形圖和高程圖。②2臺高分辨率幾何成像儀 (HRG),它具有的波段與 HRV和 HRV IR均有所不同,可拍攝 2.5m分辨率的全色圖像和 10m分辨率的彩色圖像,其全色波段具有 2種成像模式 (普通模式和超分辨率模式)。③“植被-2”相機,幾乎每天都可實現(xiàn)全球覆蓋,圖像的分辨率為 1km,SPOT-5衛(wèi)星上的 VEGETAT ION-2成像儀與 SPOT-4衛(wèi)星一樣,也能實現(xiàn)圍繞地球的連續(xù)環(huán)境檢測。其他新增加的設備和能力還有：新的星跟蹤設備,可提供更精確的星定位圖像,新的星上處理能力,可同時處理 5幅圖像。該衛(wèi)星可提供不同波長和不同分辨率的圖像,包括 2.5m和 5m分辨率的黑白圖像、10m和 20m分辨率的彩色圖像及1 000m分辨率的每日全球圖像。

表4 SPOT-5上的三種遙感器分辨率的技術參數(shù)

2.4 SPOT的產(chǎn)品

SPOT的地面接收站主要是法國的圖盧茲站和瑞典的基律納站。北京遙感衛(wèi)星地面站可兼容接收LANDSAT和 SPOT的數(shù)據(jù)。SPOT圖像數(shù)據(jù)按處理質量標準分為 4級 5等,即 1A、1B、2、3和 4。其中1A處理精度最低,4級處理精度最高。此外,還有 S級產(chǎn)品,是各時期均可以重疊處理的圖像。

SPOT產(chǎn)品包括數(shù)字產(chǎn)品和圖像產(chǎn)品 2種。

①數(shù)字產(chǎn)品 (CCT磁帶和 CD-R)：采用陸地衛(wèi)星地面站規(guī)定格式。1A、1B、2級、S級的全色磁帶(CCTs)和多譜段磁帶 (CCT)都有 2種規(guī)格,即 6250和1600。

②圖像產(chǎn)品：膠片和像片 (表 6、表 7)。多譜段有黑白和彩色 2種。

表6 SPOT膠片產(chǎn)品

表7 SPOT像片產(chǎn)品

3 SPOT衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要應用領域

遙感影像之所以能為人類利用,是因為不同的地物具有各自的波譜特征,據(jù)此可提取地物信息,區(qū)分地物,監(jiān)測地物的動態(tài)變化。地物的電磁波譜是遙感的一種基本信息,任何物體對外來的電磁波都有反射、吸收和透射的性質,且只要其溫度高于絕對零度,其就能不斷地向外發(fā)射電磁波,地物在同一時間、空間條件下,其發(fā)射、反射、吸收和透射電磁波的特性是波長的函數(shù),不同物體的反射、吸收、透射和發(fā)射電磁波的能力是不同的,都可作為探測和區(qū)別地物的有用信息。不同地物反射光譜的特征主要表現(xiàn)在反射強度和反射波譜的形態(tài)兩個方面,這就是利用地物反射電磁波譜信息提取信息、識別和區(qū)分地物的理論基礎。

SPOT衛(wèi)星對于巖性、構造、巖石、礦物填圖、水資源調查、大氣探測,植被調查,農(nóng)作物估產(chǎn),冰雪覆蓋調查,土地利用監(jiān)測,城市和城市周圍規(guī)劃以及自然災害控制,森林資源調查,旅游資源調查等應用的研究將是非常有意義的。

3.1 在地學領域的應用

SPOT為地球資源觀測實驗衛(wèi)星,具有較高的幾何分辨率,其遙感數(shù)據(jù)中包含豐富的地質信息,對專題解譯制圖具有很好的效果。據(jù)估計,法國 1∶2.5萬比例尺地形圖使用常規(guī)方法進行更新,大致要花8年～10年時間,若采用 SPOT衛(wèi)星圖像對全國的1∶2.5萬地形圖作更新,可以成倍縮減地圖更新時間,從而加快修編地圖生產(chǎn)周期。SPOT圖像可用于提取巖石巖性和構造信息,并進行詳細而準確的填圖。

SPOT數(shù)據(jù)在有色地質中也具有廣闊的應用前景,可用于提取地質找礦信息、圈定找礦遠景區(qū)、繪制詳細基礎圖件,為礦區(qū)建設、環(huán)境監(jiān)控等提供資料。在地質構造解譯方面,可反映出地質體和礦化蝕變帶的影像圖和大量地質構造信息,從而進行構造分析和金、銅礦成礦預測。還能研究區(qū)域內與金礦成礦有關的線性構造、弧形構造、韌性剪切帶構造、環(huán)形構造發(fā)育特征及蝕變異常信息。Lewkowicz-Antoni-G等利用 SPOT 10m分辯率的全色波段圖像還識別出永久凍結帶,并監(jiān)測其活動變化,對冰雪覆蓋調查也具有重要的意義。

3.2 在土地利用和水土流失狀況監(jiān)測方面的應用

目前,我國水土流失嚴重,經(jīng)濟發(fā)展迅速,城市建設日新月異,政府需要了解我國的水土流失狀況、土地利用狀況和土地利用的動態(tài)變化,以便更好地為農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護服務,同時做好城市發(fā)展的中長期規(guī)劃。近些年來,我國政府大力倡導生態(tài)環(huán)境保護,特別是中西部地區(qū),為此提出了退耕還林、還草號召,并制定了許多相應的優(yōu)惠政策。遙感是了解大尺度土地利用狀況、城市建設動態(tài)變化及退耕還林、還草狀況的有效方法。SPOT和 T M復合可用于識別土地利用類型和土壤礦物等信息,調查和監(jiān)測土壤環(huán)境污染狀況,能有效地提取遙感土地利用專題信息。不同時期的 SPOT圖像可用于研究土地利用狀況的動態(tài)變化。

陳家琪等通過對甘肅省定西縣 2000年—2001年土地利用和土地覆蓋的 T M+SPOT影像融合數(shù)據(jù)進行分析,研究了 1年來該縣的土地利用結構,尤其是坡耕地退耕還林、還草的變化狀況,客觀地評價了定西縣 1年來的生態(tài)環(huán)境變化,初步實現(xiàn)了對區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的動態(tài)監(jiān)測,為黃土地區(qū)退耕還林、還草、生態(tài)環(huán)境調查及動態(tài)監(jiān)測提供了可行的方法。劉波坤等在長江三峽庫區(qū)移民工程中,采用ET M+、SPOT、IKONOS等多源、多時相、多分辨率航天、航空遙感數(shù)據(jù)組合,對庫區(qū)奉節(jié)—巴東段移民搬遷與安置、新開發(fā)用地分布、土地利用與土地結構變化、地質災害及衍生地質災害與防治、庫區(qū)環(huán)境及生態(tài)平衡與改善經(jīng)濟結構以及移民工程進行遙感動態(tài)監(jiān)測等,取得了突破性進展,為三峽移民工程進一步全面、安全地實施、改進規(guī)劃管理工作及庫區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,提供了科學依據(jù)和決策性建議。潘耀忠等利用遙感信息融合技術和不同時相的 T M和 SPOT多源遙感數(shù)據(jù),結合變異特征監(jiān)測法,對城鎮(zhèn)居民點的動態(tài)變化進行監(jiān)測,獲得了較高的位置精度和面積精度,且具有很好的時效性和可繼承性。

遙感影像灰度值與水體反射率和水中懸浮固體含量之間有著極好的相關性,且水體懸浮固體含量與其環(huán)境背景之間也存在著一定的關系。傅肅性等認為,SPOT圖像 0.50μm～0.59μm波段是處于水體最小衰減值的長波一測,利于監(jiān)測水體的渾濁度和水深。利用這些知識可較好地監(jiān)測分析水體含沙量、水土流失、土壤侵蝕和土地退化狀況。如果利用SPOT影像的決策樹水體識別技術,還可對水體進行有效提取和分類。張光超等以 SPOT全色波段影像和美國LANDSAT-5的 T M多光譜融合圖像為信息源,對老高川地區(qū)進行 1∶5萬水土流失遙感調查,分析出小流域水土流失的主要影響因素。李紅旮等利用 T M和 SPOT等遙感圖像進行判讀和土壤侵蝕地面情況的野外驗證研究了緬甸中部伊落瓦底江中游的土壤侵蝕和土地退化情況。

3.3 在其他方面的應用

此外,SPOT衛(wèi)星在森林資源調查、旅游資源調查和軍事等方面也具有較好的應用。2002年,傅肅性通過對法國 SPOT圖像 0.50μm～0.90μm的全色光譜分析后發(fā)現(xiàn)：SPOT圖像對葉綠素濃度、綠色植物的反射吸收性能以及生物量等均具有良好的特征,對森林中樹種、樹齡等特征也有較好的顯示。楊傳明利用航空圖像、法國 SPOT-2、美國 LANDSAT-5衛(wèi)星,全色和 T M波段數(shù)據(jù)成像等遙感圖像資料,對廣西旅游資源進行了遙感調查,揭示和發(fā)現(xiàn)了 5類12種基本類型,取得了良好的效果。據(jù)稱,美國的全球數(shù)字公司 (Digital Globe)已與 SPOT圖像公司簽訂了向美軍和美國農(nóng)業(yè)用戶提供 SPOT衛(wèi)星圖像的專賣權協(xié)議。與日本的成像公司 Image ONE也簽訂了類似的協(xié)議。據(jù) SPOT圖像公司報導,其占有 60%以上的世界衛(wèi)星地理信息市場。

4 結 語

SPOT衛(wèi)星發(fā)射后的運行實踐表明,其側視功能具有很強的實用性和很大的應用潛力,但 SPOT系統(tǒng)前幾顆衛(wèi)星設計的不同軌道立體觀察存在著未曾想到的問題,由垂直觀察轉向側視時,反光鏡旋轉引起衛(wèi)星姿態(tài)的變化和不穩(wěn)定,造成立體對的精度很不穩(wěn)定。SPOT-4紅外波段的增加,成功解決了SPOT-1、SPOT-2、SPOT-3存在的紅外波段成像的問題,對水、生物量和熱源測量監(jiān)測能力大大提高。較之 SPOT系統(tǒng)前幾顆衛(wèi)星的旁向立體成像模式,即軌道間立體成像而言,SPOT-5號衛(wèi)幾乎能在同一時刻以同一輻射條件獲取立體像對,避免了像對間由于獲取時間不同而存在的輻射差,大大提高了獲取的成功率,在觀測能力方面有了很大的提高。SPOT IMAGE可為新的用戶提供 SPOT-5衛(wèi)星的改進了的5m和 2.5m分辨率、寬成像帶的圖像。此外,SPOT-5衛(wèi)星還提供數(shù)字高程模型 (DEM),供制作三維地圖之用?？梢灶A計,這些新特性將使 SPOT衛(wèi)星的應用范圍更加廣泛。當然,在應用 SPOT遙感衛(wèi)星圖像過程中,一般是用它的全色波段數(shù)據(jù)與其他遙感數(shù)據(jù)進行復合,來提高圖像分辨率同時節(jié)約資金。

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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;編輯：侯鵬飛

國家高技術研究發(fā)展計劃項目 (2009ZX07212-002)和長安大學校發(fā)展科技基金(07Z1503051001)資助

程三友 (1977—),女,講師,博士,主要從事遙感地質學、地理信息系統(tǒng)等方面的研究.