论文推荐|巫兆聪：附有物理量和气象条件约束的光学卫星国土观测有效覆盖率评估

     传统光学卫星国土观测覆盖评估建立在卫星对地理想覆盖的基础上，并未考虑卫星存储、星地数据传输、观测时长等物理量及观测区域气象因素对于覆盖性能的影响。本文针对光学遥感卫星的国土观测需求，建立国土观测有效覆盖能力评估指标体系，根据卫星数据存储能力、星地数据传输能力、卫星单圈最大观测时长、卫星观测太阳高度角等性能参数，提出了基于物理性能约束下的有效覆盖计算方法。根据气象台站历年气象数据，提出了气象约束因子的计算方法。综合考虑卫星物理性能约束与观测区域气象约束，计算光学遥感卫星对地观测有效覆盖能力。最后根据专家设计的光学遥感卫星国土观测有效覆盖能力评估指标权重，利用层次分析法（AHP）评估光学遥感卫星系统对于国土观测的需求满足程度。试验结果表明，本文方法对于国土观测有效覆盖的估算和评价结果更加精确，更接近于国土观测的实际应用需求，为对地观测有效覆盖能力评估提供了一种更为精确的可行方案。

遥感对地观测在国土资源调查、国土资源监管等国土观测领域都发挥了积极重大的作用。在遥感国土观测应用当中，光学类卫星是最常用的遥感卫星。为了给国土观测遥感任务规划和空间基础设施建设提供支撑依据，需要针对国土观测遥感应用需求，建立一套光学类传感器对地观测能力的评估方法。而在光学遥感对地观测能力中，有效覆盖能力是最为重要的衡量指标，因此基于有效覆盖的遥感对地观测效能评估在国土观测应用中具有重要的研究价值。

根据定义，有效覆盖是指在特定观测任务下，能够满足一定的时间、空间和物理条件的，使遥感卫星系统确实能够探测到目标信号的卫星对地覆盖状态^[]。目前，相关领域的国内外专家学者对于卫星覆盖效能评估方面已有了一定的研究。文献[]研究了特定区域的空域覆盖性能计算与评价方法，文献[]研究了效能评估中格网空间尺度的选择与确定，文献[]从卫星任务规划角度提出了多星联合对地观测能力评估系统设计方法，文献[]研究了基于仿真的复杂多卫星系统效能分析与优化方法。国外也有一些学者用层次分析-模糊综合评估法(AHP-FCE)评估了天基对地观测系统效能^[-]，并研究了气候因素对于环境评估的影响。这些研究均取得了一定的成果，然而，当前学者们研究的对地观测地面覆盖评估大多是针对传感器星下点轨迹覆盖的理想覆盖^[]，并未考虑卫星数据存储能力、星地数据传输能力、卫星单圈最大观测时长、卫星观测太阳高度角等约束条件，亦未考虑云雨雪等气象条件对于观测区域地面覆盖的影响，因而理想状态下的传感器地面覆盖与实际的观测区域有效覆盖存在着较大的差异^[]。

本文针对光学遥感卫星的国土观测应用需求，建立有效覆盖能力指标体系，综合考虑卫星数据存储能力、星地数据传输能力、卫星单圈最大观测时长、卫星观测太阳高度角及观测区域的气象条件等约束，计算光学类遥感卫星对地观测有效覆盖性能指标^[, ]，并通过构建任务需求满足度评估层次化指标体系，用层次分析法(analytical hierarchical process，AHP)评估国土观测应用需求满足程度。试验结果表明，本文对于国土观测有效覆盖的估算和评价结果更加精确，也更接近于国土观测的实际应用需求，该算法为对地观测有效覆盖性能评估提供了一种更为精确的可行方案。

对于光学遥感卫星理想覆盖的计算，可参见文献[]、文献[]。然而，光学遥感卫星理想覆盖性能，并未考虑卫星数据存储能力、星地数据传输能力、卫星单圈最大观测时长、卫星太阳高度角等约束条件，亦未考虑云雨雪等气象条件对于观测区域地面覆盖的影响，因而并不能真实地模拟卫星对于地面的覆盖状态。本文在光学遥感卫星理想覆盖的基础上，综合考虑观测光学遥感卫星物理性能、观测区域气象等约束条件，计算国土观测有效覆盖，流程如所示。

光学遥感卫星有效覆盖性能计算流程

在本文中，评估对象为面向国土观测的光学对地观测系统，指标体系如、所示。

国土观测有效覆盖性能指标体系

(1) GF-1、GF-2、ZY-3对于本文需求满足程度的评估结果皆为较好，若采用三星联合观测，则评估结果为优秀，由此可见，采用多星联合观测对于提高国土观测有效覆盖能力具有很好的实际效果。

(2) 本文的计算模型和评估方法可拓展到光学遥感卫星的其他应用领域，然而，不同的有效覆盖仿真计算模型和需求满足度评估方法对于评估的结果有一定的影响，因此，如何针对具体应用，选择最适合的计算模型和评估方法是各遥感应用部门需要关心的问题。

(3) 本文所讨论的国土观测有效覆盖率评估，其主要意义是在天基系统成型之前对其有效覆盖能力作一个系统性的整体评价，多源遥感数据尺度繁杂，且调查目标、调查目的、调查精度等因素变化较多，本论文无法对其进行一一覆盖，故并没有特意展开篇幅讨论这些因素，另外，卫星变轨这样不确定性很大的技术操作亦不在本文讨论之列。

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巫兆聪, 巫远, 张熠, 杨帆     

武汉大学遥感信息工程学院, 湖北 武汉 430079

收稿日期：2015-07-17； 修回日期：2016-03-09

基金项目：民用航天"十二五"预先研究(2013669-7)

第一作者简介：巫兆聪(1968-),男,教授,研究方向为卫星仿真与效能评估。

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