又填補一項空白！高分五號究竟是一顆怎樣的衛星？

來自專欄 了不起的中國製造

出品| 網易新聞

作者| 肖灑，北京師範大學定量遙感碩士在讀

　　一周前，中國在太原衛星發射中心用長征四號丙運載火箭成功發射高分五號衛星，這是世界首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星，也是中國發射的光譜解析度最高的衛星，它填補了中國國產衛星無法有效探測區域大氣污染氣體的空白，能夠動態反映中國大氣污染狀況。

　　這究竟是怎樣一顆衛星？它是如何實現大氣污染的動態探測的？關於這顆衛星，你想了解的都在這兒了。

（一）體系龐大的高分家族，個個都不簡單

　　本次發射成功的高分五號衛星，是中國高分專項中的一顆重要衛星。所謂高分專項，是指2010年經由國務院批准的16個重大科技專項之一，它的全稱是「高解析度對地觀測系統重大專項」。此專項至少包括9顆遙感衛星及其它觀測平台。除高分五號外，其他四位已發射的「高分兄弟」也各顯神通，使得中國的對地觀測系統有了質的飛躍。

1.高分一號：一次寬幅成像可以覆蓋4個北京市的面積

　　高分一號2013年4月26號由長征二號丁運載火箭送入距離地面645千米的太陽同步回歸軌道，它主要有兩種成像模式：寬幅成像和高分成像。

　　在寬幅成像模式下，衛星星下點解析度優於16米，成像範圍大於800千米。一次成像可以覆蓋64000平方公里的國土，這相當於4個北京市的面積，是名副其實的看得大、看得多。

2.高分二號：成像幅寬達到世界最高水平

　　如果說高分系列的大哥高分一號的特長是看得大的話，那麼它的二弟高分二號的特長就是看得清。

　　高分二號於2014年8月19日由長征四號乙運載火箭在太原衛星發射中心成功發射入軌。其軌道高度為613千米，星下點解析度達到了0.8米，成像幅寬45千米。

　　高分二號是中國首顆亞米級民用遙感衛星，它的成功入軌標誌著中國在亞米級高解析度衛星中幅寬達到世界最高水平。

　　由於超高的解析度，高分二號在土地確權、國土資源調查、房屋面積提取等方面有著很重要的作用，下圖是利用高分二號衛星結合圖像分割演算法提取的城市房屋。圖中紅色的被標記為房屋，可以看到在圖像上的房屋基本上得到了有效的提取。

3.高分三號：擁有12種成像模式，微波遙感數據不再依賴進口

　　高分三號由長征四號丙運載火箭在2016年8月10號發射升空入軌。

　　高分三號拍攝的圖片不像大家平常所認為的衛星影像那樣，因為它是一顆合成孔徑雷達成像衛星（SAR）。合成孔徑雷達的優點在可以穿雲破霧，不受天氣條件限制正常工作。

　　高分三號有12種成像模式，既可以觀測陸地，也可以觀測海洋；既能進行大範圍的國土資源詳查，也可以根據需要在一段時間內對固定地點連續成像，也就是可以得到同一個地方在一段時間內的多幅影像。

　　中國以前雖然也有合成孔徑雷達衛星在軌運行，但是遠遠不能滿足需要。高分三號是世界上成像模式最多的合成孔徑雷達衛星，它的成功發射標誌著中國結束了微波遙感數據嚴重依賴進口的局面，不僅為國家節約了大量的外匯，同時也為中國國防信息安全提供了有效的保證。

4.高分四號：世界上解析度最高的地球靜止軌道衛星

　　與前面三顆衛星比起來，高分四號在解析度上看起來沒那麼厲害，但是它也有自己獨特優勢。

　　高分四號於2015年12月29日成功發射，它是一顆地球靜止軌道衛星，定位在東經105.6°的赤道上空，距離地面高36000千米。高分四號相對於地球是靜止的，這就使得它能夠對中國及其周邊地區進行高時間解析度的連續觀測。能夠對特定地區進行分鐘級別甚至秒級的觀測，在時間就是生命的災害防治等方面有著重大作用。

　　高分四號是世界上解析度最高的地球靜止軌道衛星，它的成功發射顯著提高了中國天基遙感觀測能力，在國土資源普查、防災減災、農作物估產等方面有著重要的作用。

（二）「視力」與眾不同，高光譜衛星究竟是個啥？

　　我們在文章開始時提到，高分五號衛星是一顆高光譜衛星，那麼，究竟什麼是高光譜衛星？它又和我們一般見到的衛星有什麼區別呢？

　　要了解高光譜，首先要弄清楚什麼是光譜。

　　對於彩虹，想必大家都並不陌生，其實，它就是太陽光經過折射後形成的最常見的光譜。在科學上，我們把電磁波在真空中傳播的頻率或波長，遞增或者遞減排列，所構成的電磁波譜就叫做光譜。

　　地球上的不同物質具有不同的光譜特徵，因此光譜也被看做是識別和分析物體的重要依據，光譜分析是人類藉助光認知世界的重要方式。我們要獲得一個物質的形狀、尺寸信息，可以通過肉眼去觀察該物體的像，而如果想要獲得肉眼看不到的細節、該物質的成分信息，就要用到光譜分析了。

　　那麼，什麼又是高光譜呢？這裡的「高」可不是指光波的頻率高，而是說劃分的光譜波段多。高光譜全稱高光譜解析度，是指利用很窄而連續的光譜通道對地面物質持續遙感成像的技術。

　　從可見光到短波紅外波段，其光譜解析度高達納米(nm)數量級。傳統的彩色成像（也叫多光譜成像）只能記錄紅綠藍三個通道的影像，且每個通道的帶寬很寬，而高光譜成像所記錄的通道數量可以達到數百個，且光譜通道很窄，解析度很高，其光譜探測範圍遠遠超過了人類肉眼的感知範圍，能夠探測人眼無法看到的大量信息，提高人們對自然和物質的認識。

　　例如美國的AVIRIS衛星，在0.4到2.45微米的波長範圍內有220個波段，德國的RORIS衛星在0.43到0.86微米的波長範圍內有103個波段，這意味著高光譜圖像所反映出來的信息遠遠比多光譜圖像要精細，可以用來對地物進行精確的識別。

　　舉個形象的例子，在對樹種的識別上，多光譜圖像只能告訴你這裡是一棵樹，而高光譜圖像能通過光譜曲線之間的微小差異告訴你這裡是一棵什麼樹。

　　由於高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息， 其應用領域已大大拓展, 涵蓋地球科學的各個方面, 在固體地球研究特別是地質應用， 礦化帶和蝕變帶的製圖、礦物信息的提取、大氣和環境監測、農業和森林調查、海洋生物和物理研究等領域發揮著越來越重要的作用。

（三）高分五號高光譜衛星厲害在哪兒？

　　作為高分專項里的第五顆衛星，高分五號是世界上第一顆同時對陸地和大氣進行綜合觀測的衛星，它的設計壽命高達8年，因此還是中國設計壽命最長的遙感衛星。

　　高分五號一共有6個載荷，分別是可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣環境紅外甚高光譜解析度探測儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測儀和大氣痕量氣體差分吸收光譜儀。在衛星設計研製上，高分五號實現了多項技術突破。

　　高分五號衛星所搭載的可見短波紅外高光譜相機是國際上首台同時兼顧寬覆蓋和寬譜段的高光譜相機，在60千米幅寬和30米空間解析度下，可以獲取從可見光至短波紅外（400～2500nm）光譜顏色範圍里，330個光譜顏色通道，顏色範圍比一般相機寬了近9倍，顏色通道數目比一般相機多了近百倍，其可見光譜段光譜解析度為5納米，幾乎相當於一張紙厚度的萬分之一，因此對地面物質成分的探測十分精確。

　　而另一個載荷大氣環境紅外甚高光譜解析度探測儀，是中國首個採用太陽掩星觀測方式的甚高光譜解析度紅外光譜儀，光譜解析度高達0.03個波束，實現了國產儀器精度的新突破。

　　還有它搭載的大氣主要溫室氣體監測儀，是國際上首台採用空間外差干涉體制進行溫室氣體探測的有效載荷，可用於區域大氣環境監測，分析全球溫室氣體起源與經風向傳播的「旅行圖」，為氣候變化研究及環境外交提供基礎數據。

　　而六載荷之一的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀是中國第一台用於二氧化硫、二氧化氮、臭氧等全球污染氣體探測的高光譜有效載荷，其天底觀測角度達114度。它就像一個超高清廣角鏡，在距離地球700多公里的太空，不但一天就可以覆蓋全球，而且能「看到」大氣中含量極少的二氧化硫等污染氣體，並定量監測其分布、變化和輸運過程。

　　另一個名為大氣氣溶膠多角度偏振探測儀的設備，則可以實現大視場和多角度成像，也就是說，高分五號可以對地表任一目標實現9到11個角度的全方位觀測，可用於霧霾、大氣顆粒物等大氣環境監測及氣候變化研究。

　　除了載荷滿滿黑科技外，高分五號衛星還是目前國內探測手段最多的光學遙感衛星，也是國內首顆同時具有多光譜、高光譜、偏振、多角度、掩星、耀斑等多種觀測手段的光學遙感衛星,可實現多種觀測數據融合應用，就像一個全能運動員。

　　高分5號光譜解析度在0.3納米左右，是中國光譜解析度最高、定量化性能最高、探測手段最多的衛星，極高的光譜解析度使得它既可以探測大氣，也可以探測陸地。

結語

　　高分五號作為高分家族裡唯一一顆高光譜衛星，它的發射成功對於中國遙感探測具有重要意義。

　　高分五號及高分專項先期發射的4顆衛星各司其職，在空間解析度和時間解析度以及光譜解析度實現了高中低的全覆蓋，大大提高了中國遙感應用的水平，將中國的民用遙感提升到了世界第一梯隊，接下來的高分系列其他衛星必將大大擴大高分家族的業務範圍，實現中國遙感產品的完全自主化。

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編輯| 孫健航、史文慧