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- 【光明日報(bào)】航空遙感：重裝上陣 跨越山海
- 來源：光明日報(bào) 發(fā)表于 2023/8/30
往期回顧
第 408 期
(2023-08-22)
珠穆朗瑪峰遙感圖像。圖片由空天院提供
八一冰川遙感圖像。圖片由空天院提供
圖片由空天院提供
遙感如今已經(jīng)成為人們比較熟悉的科學(xué)技術(shù)，但很多人不太清楚，遙感也分為航空遙感和航天遙感。簡單地說，航空遙感是用飛機(jī)，航天遙感則是用衛(wèi)星。它們是對(duì)地觀測系統(tǒng)的兩大支柱，兩者不可替代、相互補(bǔ)充。其中，航空遙感具有機(jī)動(dòng)靈活、觀測量豐富、觀測載荷種類多、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢，是區(qū)域高分辨率獲取數(shù)據(jù)的重要來源，也是眾多載荷走向航天的必由之路。
航空遙感，方興未艾，不可替代
航空遙感，不僅能“看”到，還能幫助科學(xué)家們“透視”——2023年3月至5月期間，作為我國第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究和民用P波段合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星科學(xué)論證計(jì)劃的重要組成部分，中國科學(xué)院等相關(guān)院所在青海省八一冰川地區(qū)組織實(shí)施聯(lián)合航空遙感科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)解決冰川厚度遙感監(jiān)測難題、突破冰儲(chǔ)量估算瓶頸、引領(lǐng)下一代冰凍圈遙感技術(shù)具有重大意義。
這一實(shí)驗(yàn)即基于由中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（空天院）所屬中國科學(xué)院航空遙感中心建設(shè)與運(yùn)行的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——航空遙感系統(tǒng)開展。
航空遙感系統(tǒng)，就是把多種對(duì)地觀測載荷單/同時(shí)集成在一架飛機(jī)上，通過航空飛行來實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測。與所有的遙感系統(tǒng)相似，航空遙感系統(tǒng)也包括飛行平臺(tái)、載荷（遙感器）、接收、處理和應(yīng)用各子系統(tǒng)所組成。其中，航空遙感飛行平臺(tái)即航空遙感飛機(jī)，載荷則包括可搭載于航空遙感飛機(jī)上的多種類型的光學(xué)與微波載荷，以及一系列地面定標(biāo)設(shè)備。此外，航空遙感系統(tǒng)還包括儲(chǔ)存、處理多源數(shù)據(jù)融合的綜合處理和管理系統(tǒng)，可存儲(chǔ)、處理和分析海量航空遙感數(shù)據(jù)。
與衛(wèi)星遙感相比，航空遙感具有分辨率高、觀測量豐富、載荷配置靈活、響應(yīng)時(shí)間短等獨(dú)特優(yōu)勢，是區(qū)域高分辨率多源遙感數(shù)據(jù)的最重要來源。例如，航空遙感可以根據(jù)特定任務(wù)的需求進(jìn)行靈活配置和定制，可以選擇適當(dāng)?shù)妮d荷、平臺(tái)和飛行參數(shù)，以滿足特定區(qū)域、時(shí)間和任務(wù)的需求，這種靈活性使航空遙感在特定研究和應(yīng)用領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢。又如，相對(duì)于衛(wèi)星遙感，可以根據(jù)需要在特定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行多頻次觀測，這對(duì)于環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害評(píng)估和農(nóng)作物生長監(jiān)測等應(yīng)用非常有價(jià)值。
當(dāng)然，航空遙感也有自身局限性，例如單架次成本高、覆蓋范圍有限、無法實(shí)現(xiàn)全球連續(xù)監(jiān)測等。因此，航空遙感和衛(wèi)星遙感常需搭配使用，需要綜合考慮研究或應(yīng)用的需求、可用的資源和預(yù)算以及目標(biāo)區(qū)域的特點(diǎn)，選擇適合的遙感數(shù)據(jù)獲取方式。
兩代系統(tǒng)，從引進(jìn)到自主研發(fā)
目前，空天院擁有4架遙感飛機(jī)，均可適裝不同類型的載荷開展各類對(duì)地觀測與試驗(yàn)。它們也構(gòu)成了我國兩代航空遙感系統(tǒng)的建設(shè)典范。
其中，我國第一代航空遙感系統(tǒng)的飛行平臺(tái)為獎(jiǎng)狀遙感飛機(jī)，于1986年引進(jìn)，為美國塞斯納公司citation 550 II型小型公務(wù)飛機(jī)，最大升限13000米，最大航程3300千米，最高航速746千米/小時(shí)，可以保障科研人員在萬米高空、青藏高原、南海深處、沙漠腹地等環(huán)境開展科學(xué)試驗(yàn)。兩架獎(jiǎng)狀遙感飛機(jī)投入運(yùn)行后，航空遙感中心組織了國內(nèi)20多家科研單位聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過多年努力，以遙感飛機(jī)為高空平臺(tái)，集成了包括可見光、近紅外、熱紅外和微波波段等在內(nèi)的多套傳感器，從而構(gòu)成中國第一套也是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)和規(guī)模最大的航空遙感系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1993年獲中國科學(xué)院科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。
進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，建設(shè)具有多載荷裝載能力和協(xié)同作業(yè)能力的大型航空遙感平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)多種類傳感器同時(shí)、同一區(qū)域的聯(lián)合觀測，成為國家之急需。2010年，國家發(fā)展改革委批復(fù)立項(xiàng)、空天院建設(shè)和運(yùn)行的航空遙感系統(tǒng)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目開工建設(shè)，主要建設(shè)內(nèi)容包括新舟60高性能航空遙感飛行平臺(tái)、先進(jìn)的信息獲取系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)等。2021年7月，基于新舟60遙感飛行平臺(tái)的新一代航空遙感系統(tǒng)建成并通過國家驗(yàn)收。這是我國第一個(gè)綜合性的國家航空遙感系統(tǒng)，技術(shù)復(fù)雜、研制難度大、創(chuàng)新性強(qiáng)，屬國內(nèi)開創(chuàng)性工作，打破了國外對(duì)我國遙感設(shè)備和飛行平臺(tái)的技術(shù)封鎖，突破了遙感平臺(tái)、對(duì)地觀測載荷、數(shù)據(jù)綜合處理等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國大型航空遙感平臺(tái)和系統(tǒng)從無到有的跨越，是我國目前綜合能力最強(qiáng)的航空遙感平臺(tái)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其綜合性能與美國、德國等先進(jìn)航空遙感系統(tǒng)相當(dāng)，整體技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。
“空中變形金剛”，改裝與迭代突破
航空飛行平臺(tái)是航空遙感系統(tǒng)的重要組成部分，為觀測者提供了宏觀和廣闊的視角。改裝水平則是體現(xiàn)其技術(shù)水平的關(guān)鍵之一。
改裝后的獎(jiǎng)狀遙感飛機(jī)能夠同時(shí)提供密封、非密封環(huán)境，可以分別裝載多/高光譜、激光雷達(dá)、熱紅外、微波、大氣等多種傳感器。
其中，獎(jiǎng)狀遙感飛機(jī)1號(hào)機(jī)開設(shè)的是光學(xué)窗口，這既要求改裝窗口具有足夠大的尺寸，又要確保窗口玻璃具有優(yōu)良、穩(wěn)定的光波透過率。除對(duì)地觀測，還可能同步采集機(jī)艙外部空氣，因此需在機(jī)身上再開設(shè)大氣聯(lián)通采樣窗口；另外還有些設(shè)備必須安裝在非密封環(huán)境。為了滿足這些需求，工程人員在1號(hào)機(jī)機(jī)身上開設(shè)了包含1處非密封艙在內(nèi)的7處試驗(yàn)窗口。獎(jiǎng)狀遙感飛機(jī)2號(hào)機(jī)除具有與1號(hào)機(jī)基本相同的大部分光學(xué)改裝窗口外，同時(shí)可在機(jī)艙內(nèi)外同時(shí)裝載微波遙感設(shè)備，包括機(jī)腹可掛載不超過100千克的機(jī)外設(shè)備。在機(jī)艙外掛載設(shè)備會(huì)改變飛機(jī)的氣動(dòng)外形，對(duì)飛機(jī)飛行安全產(chǎn)生直接影響，是件非常敏感的重大事件，也體現(xiàn)了航空遙感系統(tǒng)建設(shè)的工程和關(guān)鍵技術(shù)水平。
新建成的新一代國家級(jí)航空遙感系統(tǒng)中，新舟60遙感飛機(jī)由中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司研制、生產(chǎn)，具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也是在國內(nèi)外航線上唯一批量投入商業(yè)運(yùn)行的國產(chǎn)渦槳支線客機(jī)。該機(jī)型裝載能力強(qiáng)、綜合性能優(yōu)、可改裝條件好，是大型航空遙感系統(tǒng)的理想飛行平臺(tái)。
針對(duì)項(xiàng)目要求，研究人員提出了“一機(jī)七種適航構(gòu)型”技術(shù)方案，并突破了飛機(jī)多外掛物氣動(dòng)布局、艙外多掛點(diǎn)和機(jī)體連續(xù)大開口飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)雜任務(wù)設(shè)備集成試飛與適航審定等關(guān)鍵技術(shù)，于2016年12月實(shí)現(xiàn)首飛，2018年12月、2019年12月先后完成2架飛機(jī)的交付。經(jīng)過試運(yùn)行，最終支持全系統(tǒng)完成了綜合集成、指標(biāo)驗(yàn)證、驗(yàn)收測試等，建成了具有7種適航構(gòu)型、18個(gè)對(duì)地觀測窗口的先進(jìn)遙感飛機(jī)，填補(bǔ)了國內(nèi)具有長航程、多功能、多觀測窗口的中大型航空遙感飛機(jī)研制空白以及一系列國內(nèi)民機(jī)研制的技術(shù)空白，成為國內(nèi)綜合能力最強(qiáng)的航空遙感平臺(tái)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。新舟60遙感飛機(jī)也因“一機(jī)七構(gòu)型”的改造被稱為“空中變形金剛”，可以滿足光學(xué)、微波、激光、紅外等多達(dá)5-6種載荷同時(shí)安裝，數(shù)據(jù)協(xié)同獲取、記錄、處理、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)同步工作及多名操作人員同時(shí)工作的空間要求。
空中實(shí)驗(yàn)室，深度應(yīng)用，未來可期
無論是基于獎(jiǎng)狀遙感飛機(jī)的第一代航空遙感系統(tǒng)，還是基于新舟60的新一代國家航空遙感系統(tǒng)，在不同時(shí)期均發(fā)揮了重要作用，并在科學(xué)研究、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、生態(tài)環(huán)境、自然資源、國土測繪和應(yīng)急減災(zāi)等行業(yè)和領(lǐng)域得到了深入廣泛的應(yīng)用。
已運(yùn)行近40年、基于獎(jiǎng)狀遙感飛機(jī)的航空遙感系統(tǒng)，充分發(fā)揮其平臺(tái)高空、高原飛行上的性能優(yōu)勢，完成了國家交付的資源探測、對(duì)地科學(xué)試驗(yàn)、應(yīng)急救援等各類型重大任務(wù)，飛行足跡西抵帕米爾高原、東到黑河流域、北至阿爾泰山和漠河、南達(dá)南海三沙，除臺(tái)灣、澳門外，遍布全國各省市自治區(qū)。應(yīng)急救援方面，多次沖在應(yīng)急救援第一線，曾連續(xù)對(duì)1989年湖北荊江洪水、1990年淮河洪水、1991年太湖地區(qū)洪災(zāi)、1998年長江流域特大洪水、2003年淮河流域特大洪水等進(jìn)行應(yīng)急飛行，并深度參與了2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2013年蘆山地震的應(yīng)急監(jiān)測。在科學(xué)研究方面，曾先后8次進(jìn)入西藏高原飛行作業(yè)，完成珠穆朗瑪峰、唐古拉山地區(qū)、雅魯藏布江、拉薩河、年楚河流域及拉薩市等遙感飛行，為全球氣候變化研究提供了大批寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。它們也是我國空間科學(xué)研究的主力平臺(tái)之一，對(duì)研制新型航空、航天儀器的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行逐項(xiàng)驗(yàn)證與試驗(yàn)，為空間信息技術(shù)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。
基于新舟60遙感飛機(jī)的新一代航空遙感系統(tǒng)投入運(yùn)行兩年以來，促進(jìn)了我國遙感設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新、遙感應(yīng)用的領(lǐng)域拓展，以及遙感產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，取得了多個(gè)“國內(nèi)首次”的應(yīng)用成效。其中，在農(nóng)業(yè)方面，為“高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)”“黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃”等國家重要工程提供了高分辨率航空遙感數(shù)據(jù)，這也是國內(nèi)首次基于遙感手段實(shí)現(xiàn)秸稈覆蓋保護(hù)性耕種監(jiān)測，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)井、林網(wǎng)等高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田骨干設(shè)施監(jiān)測。應(yīng)急減災(zāi)方面，首次綜合利用同區(qū)域光學(xué)和SAR數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了房屋等承災(zāi)體高精度識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了水體與洪澇災(zāi)害隱患高精度提取和調(diào)查。國土資源方面，2021年開展自然資源全要素監(jiān)測，基于多維度SAR數(shù)據(jù)形成了區(qū)域自然資源全要素監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)流程，面積精度和最小監(jiān)測圖斑實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)提升。在基礎(chǔ)研究方面，通過共享應(yīng)用航空遙感數(shù)據(jù)集，有效提升了基于航空遙感數(shù)據(jù)算法模型的精度和魯棒性，有力地支撐了遙感先進(jìn)算法模型的重構(gòu)和優(yōu)化。
未來，空天院將基于航空遙感系統(tǒng)國家級(jí)空中實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步面向國家重大需求和遙感科技基礎(chǔ)前沿重大科學(xué)觀測需求，突破有人機(jī)和無人機(jī)等多航空平臺(tái)組網(wǎng)、多種類新型探測載荷分布式協(xié)同探測等重大關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)立體、透視、精準(zhǔn)和智能觀測與應(yīng)用能力，積極推動(dòng)航空遙感技術(shù)發(fā)展和體系化建設(shè)，不斷引領(lǐng)我國航空遙感技術(shù)與應(yīng)用的階躍發(fā)展。
（作者：潘潔、朱金彪、楊宏，分別系空天院正高級(jí)工程師，正高級(jí)工程師、高級(jí)工程師；李儒、趙海濤對(duì)此文亦有貢獻(xiàn)。）
（原載于《光明日報(bào)》 2023-08-17 16版）
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