探秘L波段差分干涉SAR卫星应用

据介绍，L波段差分干涉 SAR卫星工程是国务院批准的《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015~2025年）》中首个立项的科研卫星工程，由A、B星组成。自然资源部作为牵头主用户，与应急管理部、国家林业和草原局共同负责工程在轨测试和行业应用示范系统建设工作。 “这组卫星通过搭载 L波段多极化SAR，利用差分干涉形变测量和干涉测高的技术，实现对指定区域的高精度、全天时、全天候的地表形变监测、地形测绘等任务，形成全球领先的地质灾害快速反应能力。”卫星应用系统副总设计师、自然资源部国土卫星遥感应用中心总工程师唐新明介绍。 “双星填补了我国差分干涉 SAR卫星的空白。”卫星应用系统总设计师助理、自然资源部国土卫星遥感应用中心副研究员李涛告诉记者，该组卫星发射之前，我国长期使用国外的数据进行差分干涉处理，每年投入数千万元购买国外数据，成本极高，且国外卫星数据对我国有效覆盖率低，难以支撑我国地灾早期识别与监测的业务化应用。而 L波段差分干涉 SAR卫星的成功发射和应用，将极大地改变我国SAR卫星数据严重依赖国外的被动局面，为自然资源及相关行业提供重要数据与技术支撑。   “相较于我国目前光学卫星一遇到云雨天气就无法开展地表监测的情况，这组卫星最大的特色便是可以实现‘穿云透雨’”。唐新明介绍，该组卫星可主动发射微波信号，不论白天黑夜都可正常成像，且 L波段信号具有波长长、穿透性好的特色，不受云雾影响，可以更高效地获取地表信息和部分次地表层信息，满足我国尤其是南方多云多雨地区的对地观测需求。   比如，地震、洪水、滑坡、泥石流等自然灾害往往伴随着地震云或频繁的降雨，此时光学卫星就被“蒙住了眼睛”，而这组卫星可以穿透云雨，观测到被淹没的具体范围。再比如，在对地表进行观测时，L波段信号可以穿过部分低矮树木，准确测量地形数据，而不是只能测出树冠高度。 “我们应用了波的干涉原理，两颗卫星接收到地面回波后，通过处理就可以反演得到地面与两颗卫星之间的距离差，进而获取地面的高程信息或者形变信息，以开展地形测绘或形变监测。”李涛说。   其中，跟飞模式是指两颗卫星在圆轨道间隔180度前后跟飞。每颗星独立收发信号，双星可以对同一地区进行高频次成像，最快4天可对同一区域以差分干涉模式观测一次，获取一次形变信息。如此一来，便能快速且持续监测地表形变，成为地质灾害早期识别的利器。   绕飞模式下，A、B双星齐头并进，双生伴舞，间隔很近，以700米~7000米的距离螺旋飞行，通过星间高精度几何状态测量以及同步技术，实现干涉SAR高精度地面高程测量。绕飞模式主要用于测高，可以与已有的光学卫星紧密配合，完成全国基础地理信息的采集，为自然资源调查体系构建、高精度地形数据获取与更新、自然资源生态遥感监测、交通基础设施规划等提供本底数据。这也是我国首个民用领域具备业务化干涉测绘能力的卫星。   李涛介绍，该组卫星不仅可以开展大尺度、毫米级的高精度地表形变测量，还极大提升了地面观测分辨率和观测频率。   遥远感知 外太空大范围地灾隐患识别   “80%的地灾发生在已知的隐患点范围之外。这要求我们在传统地质调查的技术上，使用更先进的 SAR遥感手段，提供更为精准的地质灾害隐患早期识别结果。”卫星应用系统副总设计师、中国自然资源航空物探遥感中心遥感技术研究所所长葛大庆说，该组卫星可以很好地应用于地质灾害隐患早期识别，为大范围开展滑坡、泥石流筛查，以及后期的预警、治理提供服务。   比如，卫星多次成像及干涉之后，可生产形变产品，测量地表的厘米级甚至毫米级形变量，这意味着地质灾害的一些早期形变特征可凸显在形变产品中，再通过地面设备的布设，以及专家常识的判读，就可以识别出地质灾害隐患地点，为地质灾害的野外调查防治提供“靶子”，缩小地质工作人员的排查防治范围。   “ “我们一直强调卫星的自主可控，致力于解决地质灾害早期监测问题。”葛大庆说，根据《地质灾害防治三年行动计划》，其重要任务之一是利用卫星遥感开展大范围的地质灾害隐患早期识别，以回答地质灾害“什么时候发生”的重要问题。而这组卫星在地质灾害隐患早期识别和监测预警方面能起到很大作用，缓解我们现在对 L波段数据的需求。   “卫星发射之后，部国土卫星遥感应用中心会针对卫星传回来的数据进行3个层次的形变产品生产，服务于地质灾害监测任务。”李涛介绍，首先，卫星对一个地区进行两次成像之后，中心可以使用差分干涉技术进行形变场产品生产，助力地质灾害风险普查。其次，卫星对一个地区进行多次成像之后，中心使用影像堆叠技术进行形变速率场产品生产，助力地质灾害隐患点筛查。最后，卫星对一个地区进行高于30次成像之后，中心可使用多时相雷达干涉技术进行形变时间序列产品生产，助力地质灾害详查。   除此之外，该组卫星在城市基础设施监测、大型线状人工地物沿线安全监测、水利设施安全监测等方面也具有重要意义。   “如果有破坏性大地震发生，这组卫星可快速获取地震的同震变形场，精确定位极震区，为应急救援人员实施救援争取‘黄金时间’。”应急管理部国家自然灾害防治研究院研究员李永生告诉记者，双星最快4天提供的严格回归干涉影像，非常有利于地震监测，同时其高分辨率 SAR影像可以在地震应急、生命线评估、灾情决策支撑方面发挥重要作用。