【卫星应用】“吉林一号”的“现在”与“未来”

　　一、吉林一号卫星星座概述
　　2014年12月，长光卫星技术有限公司（以下简称“长光卫星公司”）成立，是我国首家集遥感卫星研制、运营管理到遥感信息服务于一体的全产业链卫星公司。基于我国现阶段卫星服务和应用模式与广阔市场需求之间供需匹配不充分的现状，立足于多年的光学载荷研制经验和功能完备、配套齐全的卫星装备制造的基础条件，长光卫星公司提出了吉林一号卫星星座计划，计划分为两个阶段，第一阶段2020年前完成60颗卫星组网，实现全球任意地点30min重访；第二阶段2030年前完成138颗卫星组网，实现全球任意地点10min重访。
　　目前在研卫星包括高分辨率光谱详查卫星、宽幅光学遥感普查卫星、多功能灵巧视频卫星、中分辨率多光谱卫星和技术验证卫星等5个系列，主要从现有卫星的基础上继承，部分卫星的载荷和单机进行了大的技术改进或升级。
　　二、视频卫星发展现状
　　2009年，印度尼西亚与德国柏林工业大学合作研制发射了具备凝视成像模式LUPAN-TUBSAT卫星，并于2014年发射了该卫星的后续星LUPAN-A2。加拿大UrtheCast公司利用安装在国际空间站的高分辨率相机获取了4K高清视频。2013年7月，美国Skybox Imaging公司发射的Skysat-1可提供持续时间达90s的全色分辨率0.9m、幅宽8km的卫星视频。国防科技大学自主研制的天拓二号视频微卫星于2014年9月8日发射升空，实现了动态目标监测。长光卫星公司自2015年10月7日起首发，截至2018年1月19日已经陆续发射了8颗分辨率优于1m的视频卫星，单个视频卫星整星质量200kg左右，自带轨道维持系统，卫星兼具多种成像模式，采用全商业模式运营该星座并对外提供服务。珠海欧比特宇航科技股份有限公司于2017年6月发射了OVS-1/2组星，可以获取空间分辨率1.98m的卫星视频。英国计划发射5颗视频卫星组成的Earth-i星座，该星座的技术验证卫星已经于2018年1月12日首发成功。
　　对比视频卫星近十年的发展历程可以发现，随着对地观测领域需求更加细分和卫星传感器、平台等技术的不断提升，能够获取更高分辨率、更高精度和更多信息的影像或视频的传感器和卫星已经越来越多，卫星视频大数据因其高动态、信息丰富和潜力大等优势，已经广泛应用于交通、减灾、国防等方向，未来继续发展视频卫星的研制和应用工作具有重要的价值和意义。

　　▲吉林一号视频03星正样

　　▲视频卫星凝视成像示意图
　　三、吉林一号视频卫星应用探索
　　吉林一号视频卫星主要成像模式包括推扫光学、卫星凝视视频和微光/夜光成像；推扫光学影像利用线阵推扫的方式获取影像，与传统光学卫星获取的静态影像的方式一致。卫星凝视视频相对于一般卫星静态影像而言，其优点主要体现在一定的时间内获取了同一区域多张影像数据，相比于瞬时曝光在时间维度上的信息更为丰富，为卫星应用的拓展和延伸提供了基础信息保障；利用高冗余性可提升图像辐射质量，如图像去噪、超分辨率重建等；利用前后帧间数据的耦合性，获得目标地物的静态、动态信息，诸如目标位置、静态特征、目标区域地物分布情况、目标速度和加速度等；利用不同角度拍摄的图像数据可进行精细三维重建等。
　　微光/夜光成像利用延时曝光的方式获取地面光照亮度信息，与白天的影像互为补充，提高了普通光学卫星的作业效能。通常光学卫星利用白天成像的结果开展应用和研究工作，视频卫星夜间成像可为多种行业应用提供夜间的独特视角，对于政府部门、行业应用和商业化服务具有广泛的应用前景。综上，围绕吉林一号视频卫星的主要应用包括运动目标跟踪与识别、动态变化检测、超分辨率重建、三维模型自动构建、夜光遥感应用等。具体应用探索如下：
　　1）运动目标跟踪是通过对卫星视频的处理对运动目标检测，确定动态变化目标的位置和变化矢量，对运动目标的行为进行预测和分析
　　2）动态变化检测是利用变化检测技术将每单帧的要素进行快速分类与影像分割，并进行快速处理提取变化信息，得到动态变化信息。
　　3）超分辨率重建是利用视频多帧影像数据进行超分辨率重建和增强处理，实现空间分辨率和影像质量的提升，得到质量更优、信息更丰富的影像。
　　4）三维模型自动构建是通过对卫星视频进行绝对定向和稳像处理，利用多视立体匹配提高匹配成功率生成稠密的同名像点匹配结果，通过影像的交会形成数字表面模型，形成的产品网格精度和高程中误差精度优于传统手段和方法。
　　5）夜光遥感应用是通过卫星影像亮度值和地面光照强度进行应用研究，主要围绕在微光/ 夜光状态下地表灯光要素和经济指标、人类活动强度、城市发展边界等因素的相关性进行研究，通过与光学影像、经济、人口等大数据融合可以得到不同类型专题应用成果。主要应用场景包括渔业及海上非法活动监管，城市规划、经济与发展状况评估，突发事件应急与辅助救援，军事情报支撑等方面。
　　四、吉林一号视频卫星应用探索（略）
　　五、总结与展望
　　吉林一号视频卫星可通过一定时间范围内对目标进行凝视视频成像，实现对热点区域和目标的动态实时监测，面向的应用领域和方向包括：①军事行动保障；②港口、机场等时敏区域动态监测；③自然灾害过程动态监测；④交通路况监测；⑤多源数据融合同化反演等。2015年以来，国内外视频卫星均取得了快速的发展。以长光卫星公司为代表的遥感卫星公司，通过自主研制的视频卫星和地面快速接收处理设备已经实现卫星视频高效近实时接入；吉林一号视频卫星功能丰富、数据类型多样，包括卫星视频、普通光学、夜光影像等标准产品以及各类面向应用的专题成果和高级产品。展望视频卫星的应用发展，可以预见：
　　1）卫星凝视视频成像和多星组网提高视频卫星时间分辨率, 改变了传统静态遥感认知地物的方式；持续改进地面快速接收和处理能力，缩短视频响应时间，快速接入视频卫星动态变化信息有助于扩展视频卫星的应用场景。
　　2）发展一星多用、一星复用，卫星可以提供推扫、视频、夜光多种数据类型，最大限度发挥了遥感卫星的使用效能，极大丰富了卫星数据源，亟待开展多源数据融合研究和工程化应用工作。
　　3）下一步，随着高低轨视频、SAR等视频卫星的发射，视频卫星星座在功能、应用模式上应当与传统光学卫星星座充分结合互补，通过星座路由或组合观测的方式，最大限度挖掘遥感卫星静态和动态信息的丰富价值。
　　全文见《卫星应用》2018年第3期