前沿 | 中国极地空天基遥感观测现状与展望

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南北两极具有得天独厚的区位特点和资源优势，蕴含丰富的油气和矿产等资源。近年来，随着全球变暖、海冰消融加剧和海平面上升等现象的出现，北极资源开发利用已进入实质性阶段，建立南极保护区也已成为发达国家争夺极地话语权的主要手段，极地区域的战略地位得到空前提高，引发全球的高度关注和各国的激烈争夺。

南北两极对中国国家安全和可持续发展至关重要，直接关系到中国参与国际气候变化谈判、极地战略、北极航道和矿产资源开发、南极资源战略储备等事务。认识极地、了解极地在全球气候变化下的变化机理，是中国在上述事务中掌握发言权和主动权的重要科学支撑。

受限于南北两极所处的特殊地理位置以及长年的极端环境，开展各要素地面观测较困难，难以布设高密度观测网络，且消耗的人力物力成本高，因此遥感观测成为南北两极研究中不可或缺的手段，是极地研究和工作的重要信息源。

目前，极地遥感手段涵盖可见光、激光高度计、微波辐射计、雷达散射计以及合成孔径雷达等。遥感平台以卫星为主，航空和地基遥感也是极地遥感的重要手段，近年来兴起的无人机遥感更是促进了极地的多平台遥感观测发展。

中国极地卫星遥感技术发展现状

高分系列卫星海冰监测应用情况

高分系列卫星是具有高时空分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的对地观测系统，编号从“高分一号”（简称GF-1）开始，目前已至GF-14。海冰监测是高分系列卫星任务之一。

高分系列卫星对极区的海冰监测主要依托于GF-3 SAR。GF-3于2016年发射，是中国首颗分辨率达1 m的C波段多极化SAR卫星，目前已建成了三星组网。

通过与其他资源卫星数据结合，GF-3多次为极区航行提供浮冰的专题动态监测产品，保障了破冰船安全、迅速地在浮冰区穿行及停靠（图1），支撑了商船的顺利通航、航线变更和避险。

在科学研究方面，GF-3主要应用于海冰范围监测和北极夏季海冰的分类，目前已发展海冰自动检测算法，实现了北极冰与水的无人干预分离。

基于GF-3全极化模式SAR数据，Zhang等建立了基于残差神经网络的深度学习海冰分类框架，实现了对融冰季节的浮冰、碎冰与开放水域的分类（图2（a）），在识别分散海冰方面显示出比Sentinel-1A超宽幅模式数据更多的细节。

He等基于多种不同的极化分解方法探究了GF-3的海冰极化特征，并利用随机森林分类器实现了对北极夏季冰区的平静水、汹涌水、融化冰、未融化冰和变形冰的分类（图2（b））。

研究还发现，将雷达入射角作为特征加入分类器可以略微提高分类精度约3%。

图1  2018年12月1日中山站周边GF-3 SAR影像海冰监测示例

VV：垂直发射、垂直接收；VH：垂直发射、水平接收；HH：水平发射、水平接收。FI：浮冰；BI：碎冰；OW：开放水域；CW：平静水；RW：汹涌水；MI：融化冰；UI：未融化冰；DI：变形冰。

图2  GF-3夏季海冰分类示例

总体而言，目前已有较成熟的针对GF-3的海冰监测算法，并开展了多项夏季海冰分类研究，GF-3数据已列入了极区航行保障数据源。

2022年，GF-3完成三星组网后必将提升其在极地海冰监测方面的应用潜能，助力未来业务化GF-3海冰遥感产品研制及其业务化应用。

此外，高分系列其他卫星也被应用于中国渤海海冰监测，例如，利用GF-1可见光影像实现了海冰外缘线提取和海冰范围监测；基于GF-2的全色和多光谱数据实现了海冰快速提取；基于GF-4数据建立了渤海海冰漂移信息提取算法，但这些卫星在极区的应用潜力尚待挖掘。

风云系列气象卫星海冰监测应用情况

自1988年首颗风云一号A卫星（FY-1A）发射以来，中国已发射了19颗风云气象卫星，其中风云一号（FY-1）和风云三号（FY-3）系列属于极轨卫星，风云二号和风云四号系列属于地球静止轨道卫星。

目前有9颗卫星正常在轨运行，使中国成为世界上同时拥有地球静止轨道和太阳同步轨道气象卫星观测系统的3个国家之一。

FY-3系列卫星搭载了微波辐射成像仪（MW-RI），开启了国产微波传感器在海冰遥感领域的新纪元。迄今为止，FY-3系列卫星的微波传感器已为海冰研究提供了超过10年的观测资料，是国内海冰监测领域连续观测数据时间最长的卫星。

国家卫星气象中心发布了基于FY-3 MWRI系列数据的NT2海冰密集度产品，并对FY-3系列的原始亮温进行了再定标。通过对比国际海冰密集度产品和更高分辨率的光学MODIS影像和SAR影像，发现FY-3B和FY-3C的海冰密集度在夏季边缘区存在高估，而FY-3B和FY-3D反演的结果在高海冰密集度区域存在低估（图3）。

此外，被动微波亮温还被用来分析北极海冰积雪厚度和融化起始时间。

图3  2018年3月15日FY-3D海冰密集度产品与国际产品的差异

FY-3系列卫星还搭载了中分辨率光谱成像仪（MERSI），能提供宽视场（1000 km）和高分辨率（250 m）的全球云和地表特征观测数据，在积雪覆盖、高分辨率冰温和冰间水道监测方面具有广泛的应用前景。

2021年，FY-3E星首次搭载双频段的微波散射计，为自主卫星极地海冰类型监测提供了新的数据源。

随着各国卫星的更替与后续发射计划的延迟，连续观测的风云卫星数据在极地海冰研究中起着越来越重要的作用。

基于风云卫星数据发展自主的海冰密集度、积雪厚度、冰温、冰间水道等多参数反演算法，生成海冰参数历史实时一体化数据集，对于提高极地海冰监测自主业务能力具有重要意义。

海洋系列卫星海冰监测应用情况

海洋卫星包括海洋一号（HY-1）系列卫星和海洋二号（HY-2）系列卫星。海洋卫星已在极地海冰、冰盖监测等领域有所应用。HY-1系列包括HY-1A实验星和HY-1B、HY-1C、HY-1D 3颗业务星。

HY-1C、HY-1D分别于2018年和2020年发射升空。该系列卫星搭载了多波段水色扫描仪和海岸带成像仪，其中海岸带成像仪拍摄的光学影像已在中小尺度极区监测中得以应用，如南极地区的遥感影像制图（图4）、南极布伦特冰架监测、北极航道冰情监测等。

图4  HY-1C卫星南极半岛和埃默里冰架遥感影像图

HY-2系列包括HY-2A实验星和HY-2B、HY-2C两颗业务星。HY-2B、HY-2C分别于2018年和2020年发射升空。该系列卫星搭载的微波散射计、微波辐射计和雷达高度计已被应用于南北极大尺度海冰参数反演研究中（如海冰范围、海冰密集度和海冰类型）。

根据微波散射计对冰区和开阔水域的雷达后向散射特征差异，基于HY-2系列微波散射计可监测南北极逐日海冰范围分布，精度与第2代高级微波扫描辐射计（AMSR2）、卫星专用传感器微波成像仪/探测仪（SSMIS）等国际主流被动微波反演结果相当。

根据海冰和海水在不同微波频率上的发射率和亮温差异，基于HY-2系列微波辐射计可反演南北极逐日海冰密集度，其反演精度也达到了国际水平。

此外，还有研究基于HY-2雷达高度计和微波辐射计开展了北极海冰类型和海冰漂移速度反演研究。

总体而言，海洋系列卫星在极地的应用聚焦于海冰监测，已有研究多是发展和改进了适用于HY卫星的海冰范围、海冰密集度等参数反演算法，但尚未广泛应用于业务化生产中。海洋卫星对其他极地要素如冰盖/冰架的监测和应用仍在起步阶段。

资源卫星冰盖监测应用情况

资源三号（ZY-3）卫星是中国第一颗自主研发的民用高分辨率立体测绘卫星，于2012年1月9日发射升空。

ZY-3首星即配置4台相机，包括1台分辨率为2.1 m的正视全色相机，2台分辨率为3.5 m的前视、后视全色相机，以及1台分辨率为5.8 m的正视多光谱相机，能够获取多光谱影像和三线阵立体影像，填补了中国立体测图领域的空白。

该卫星能对南极冰盖变化监测发挥重要作用，其同轨三视立体观测能力提供了非常丰富的南极冰盖三维几何信息。ZY-3高分辨率影像已被成功用于南极冰流场速度估算。

通过ZY-3卫星立体相对获取的南极Ronne-Filchner高分辨率三维模型可以细致地描述冰架裂隙特征（图5）。

图5  基于ZY-3卫星立体成像获取的Ronne-Filchner冰架裂隙三维模型

冰路卫星及其应用情况

冰路卫星（Ice Pathfinder，代码“BNU-1”）是中国首颗专用于极地观测的遥感小卫星，由北京师范大学提出科学设计，深圳东方红海特卫星有限公司研制，中山大学负责运行、维护，并构建卫星地面应用系统。

冰路卫星于2019年9月12日成功发射（图6）。作为中国极地立体监测体系的重要组成部分，该卫星具备5 d覆盖两极的能力，独特的在轨变曝光技术保证了获取影像的质量。

图6  冰路卫星搭载长征四号乙火箭发射

冰路卫星采用太阳同步轨道，轨道高度为739 km，主载荷为分辨率74 m、幅宽744.29 km的光学相机。其宽幅相机设计全色、红、绿、蓝及红边5个谱段。

其特有的幅宽和分辨率设计提供了一种新的观测模式，是当前国际通用的千米级和十米级分辨率极地卫星数据的一个重要补充，提供了一种独特幅宽和分辨率组合的极地遥感数据。

冰路卫星作为中国首颗用于极地观测的遥感小卫星广受瞩目。2019年亮相第16届地球观测组织会议周（图7（a）），2021年入选国家“十三五”科技创新成就展海洋强国板块（图7（b））。

经过专业的辐射定标和几何校正，冰路卫星L1A级/L1B级数据已公开对外发布（图8）。

图7  冰路卫星面向公众展出

蓝色线代表海岸线数据集。

图8  南极L1A级/L1B级数据样例影像全色波段镶嵌图

冰路卫星在应对极地突发事件上较现有极地观测卫星具有显著优势。

2019年9月25日，南极埃默里冰架发生大崩解，产生了一个面积约1670 km²的巨大冰山。卫星对该崩解事件进行密切追踪，取得了一批重要的观测数据。卫星拍摄的南极埃默里冰架前端崩解过程作为Acta Oceanologica Sinica 2020年第5期封面成果发表（图9（a））。

此外，卫星还获得了大批南极Drygalski冰舌和格陵兰北部冰川融化季和冻结季的连续监测数据。

图9  冰路卫星遥感观测成果

除冰川监测外，冰路卫星数据还被成功运用在冰面湖监测、南极和格陵兰大范围制图。

其中，2019年9月29日获取的南极维多利亚地真彩色合成影像，展现了南极冰雪、裸岩等典型地物纹理信息，成像具有较好的一致性，其中位于罗斯岛的埃里伯斯火山（南极最大的活火山）形成的水蒸气在影像中清晰可辨。该图作为2020年《遥感学报》第11期封面成果发表（图9（b））。

冰路卫星已圆满完成3次南极和2次北极格陵兰观测任务，累计获得影像1万余幅，目前仍处于良好的超龄服役状态。冰路卫星观测数据已向全球用户共享。冰路卫星极地遥感数据的发布，补足了中国长期缺乏极地观测数据的短板，对于促进中国极地与全球变化研究具有重要的意义。

作为一颗“探路”星，冰路卫星的研制经验将促进中国极地卫星设计和研制水平的提高，从而可以提供更优质的卫星数据，加强中国极地天基观测能力。

来源：科技导报，特此感谢

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主编：韩阜业

编辑：瞿   良

刊期：第 151 期

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