水利小衛(wèi)星星座總體構(gòu)想

張艷軍 羅 蘭 張 過 沈 欣 鄧 青 劉 攀 史良勝 蔣永華 汪韜陽 景茂強(qiáng)

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079；3.山東鋒士信息技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；4.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，武漢 430070）

1 研究背景

21 世紀(jì)以來，隨著世界各國水利等行業(yè)的深入發(fā)展，急需對(duì)水利開展全覆蓋、更加細(xì)致和深入的監(jiān)測，然而，受限于人力物力財(cái)力，全面大規(guī)模地建設(shè)水文站、水質(zhì)站和植保站帶來的建設(shè)成本、維護(hù)費(fèi)用、人工支出均難以承受。與此同時(shí)，衛(wèi)星遙感技術(shù)在水文[1]、水環(huán)境[2]和農(nóng)業(yè)[3]等領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展，在水位監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、排污口檢測、水下地形測量、水位測量、洪災(zāi)監(jiān)測、工程安全評(píng)估、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、農(nóng)作物估產(chǎn)、水土保持能力評(píng)估、河湖違章監(jiān)控等方面均獲取了豐碩的成果。

衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、快速、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍的地表狀態(tài)全天候全天時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測[4]。自20 世紀(jì)50 年代開始通過衛(wèi)星對(duì)地觀測以來，美國、歐盟、俄羅斯、中國等國家和地區(qū)相繼發(fā)射了一系列遙感衛(wèi)星，包括大氣、海洋和陸地資源觀測系列衛(wèi)星等[5]。自20 世紀(jì)70 年代起，我國相繼發(fā)射了氣象、資源、海洋、環(huán)境等遙感衛(wèi)星[6]。20 世紀(jì)80 年代，我國將遙感技術(shù)引入到水利事業(yè)中來，開啟了遙感技術(shù)應(yīng)用于水利的新篇章[7]。近年來，隨著國產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源不斷豐富，特別是高分水利應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，我國在水利遙感的基礎(chǔ)保障、能力建設(shè)和業(yè)務(wù)應(yīng)用等方面都取得了顯著成效。但是，高分衛(wèi)星數(shù)量有限，對(duì)地觀測能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水利事業(yè)發(fā)展的需求。以2021年鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害為例，我國現(xiàn)有的衛(wèi)星數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，對(duì)暴雨洪水災(zāi)害的遙感監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)也有待進(jìn)一步發(fā)展[8]。且目前專門針對(duì)水利行業(yè)的衛(wèi)星星座還存在空缺，對(duì)部分業(yè)務(wù)支撐能力不足。因此，充分挖掘水利等行業(yè)的遙感應(yīng)用需求，研發(fā)針對(duì)這些行業(yè)的衛(wèi)星星座，豐富衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、提高資源利用率，對(duì)于水利遙感的發(fā)展來說至關(guān)重要。

經(jīng)過50年的建設(shè)，我國已經(jīng)形成了陸地資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星三大民用遙感衛(wèi)星系列及環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星星座。風(fēng)云衛(wèi)星系列實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)風(fēng)、雨澇、森林與草原火災(zāi)、干旱、沙塵暴等災(zāi)害的有效監(jiān)測，氣象預(yù)報(bào)和氣候變化監(jiān)測能力明顯提升。目前世界上已有80 多個(gè)國家在使用風(fēng)云衛(wèi)星的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中風(fēng)云三號(hào)C 星于2014 年4 月被納入空間與重大災(zāi)害國際憲章值班衛(wèi)星。海洋衛(wèi)星系列實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國海域和全球重點(diǎn)海域的監(jiān)測和應(yīng)用，對(duì)海冰、海溫、風(fēng)場等的預(yù)報(bào)精度和災(zāi)害性海況的監(jiān)測時(shí)效顯著提高。資源衛(wèi)星系列在土地、地質(zhì)礦產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利等資源及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測與管理和城市規(guī)劃中發(fā)揮了重要作用。我國形成了軟硬件一體、不同檔次配置的遙感數(shù)據(jù)服務(wù)一體機(jī)產(chǎn)品，使用戶可以直接對(duì)接全部國產(chǎn)陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并可利用一體機(jī)內(nèi)置的“遙感加工廠”軟件平臺(tái)便捷有效地完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，為進(jìn)一步應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)服務(wù)各行業(yè)業(yè)務(wù)提供了強(qiáng)力支撐。

我國的小衛(wèi)星星座建設(shè)目前存在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展數(shù)據(jù)政策不健全、商業(yè)化模式不健全、衛(wèi)星組網(wǎng)效率不高等問題，無法充分挖掘行業(yè)應(yīng)用潛力，嚴(yán)重抑制了衛(wèi)星市場可持續(xù)發(fā)展能力。因此，本文提出水利小衛(wèi)星星座構(gòu)想，通過三期建設(shè)，逐步建成從實(shí)驗(yàn)星座到區(qū)域星座，最終到全球星座的衛(wèi)星星座體系，重點(diǎn)構(gòu)建面向水利及其相關(guān)的農(nóng)業(yè)、環(huán)保和減災(zāi)領(lǐng)域的小衛(wèi)星星座管理與服務(wù)平臺(tái)。同時(shí)，以小衛(wèi)星星座建設(shè)為契機(jī)，整合傳統(tǒng)水文站、水質(zhì)站等地面測站和無人機(jī)群，推動(dòng)天空地?cái)?shù)據(jù)協(xié)同、共享和融合，實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)、全覆蓋、高精度和高可靠性的天空地一體化監(jiān)測感知，最終為全國乃至全球用戶提供多樣化、多層級(jí)、定制化、高質(zhì)量的行業(yè)服務(wù)和產(chǎn)品。

2 星座總體構(gòu)想

遙感衛(wèi)星星座建設(shè)推動(dòng)著商業(yè)遙感衛(wèi)星制造及服務(wù)業(yè)的發(fā)展，也在一定程度上反映著衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r。目前，全球大約有15個(gè)國家和地區(qū)正在建設(shè)或計(jì)劃建設(shè)遙感衛(wèi)星星座，表1列出了全球范圍內(nèi)已經(jīng)建成或者正在建設(shè)中的星座及相關(guān)計(jì)劃。

表1 主要國家或地區(qū)遙感星座計(jì)劃

水利小衛(wèi)星星座是專為水利行業(yè)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星星座，可為水利行業(yè)及其相關(guān)的農(nóng)業(yè)和環(huán)保等行業(yè)提供定制化、專業(yè)化的服務(wù)。

2.1 水利小衛(wèi)星星座任務(wù)

（1）洪水防治減災(zāi)。根據(jù)遙感對(duì)地觀測的功能，可獲取水庫、提防、居民地、耕地、水體、道路、林地和草地等土地利用信息，利用遙感技術(shù)對(duì)災(zāi)情發(fā)展進(jìn)行評(píng)估。特別是在災(zāi)前調(diào)度決策時(shí)，對(duì)各類預(yù)案可能會(huì)造成的損失和影響進(jìn)行比較和評(píng)估，為水災(zāi)害防御提供決策支撐。

（2）水資源監(jiān)測及評(píng)價(jià)。遙感技術(shù)可為水資源監(jiān)測和水資源調(diào)查提供良好的支撐條件。以地表水體為監(jiān)測對(duì)象，利用同一區(qū)域不同時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)，開展地表水體動(dòng)態(tài)監(jiān)測，了解地表水體空間分布和水面面積變化情況?；诙嘣础⒍喑叨?、多時(shí)相的遙感觀測數(shù)據(jù)，在對(duì)河湖水域范圍提取的基礎(chǔ)上，利用枯水期測量的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，依據(jù)多期水域面積遙感監(jiān)測結(jié)果和相應(yīng)時(shí)段的水面高程值，建立水域面積高程-蓄水量變化曲線，連續(xù)獲取湖泊蓄水量的年、月動(dòng)態(tài)變化信息，可為流域水資源評(píng)價(jià)管理提供重要依據(jù)。

（3）水土保持及生態(tài)建設(shè)監(jiān)測。通過遙感技術(shù)快速獲取小流域土地利用、坡度、植被覆蓋等基礎(chǔ)信息，疊加小流域治理措施數(shù)據(jù)，利用空間分析技術(shù)輔助專家審核措施設(shè)計(jì)的合理性。利用多期遙感數(shù)據(jù)，開展生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施效果遙感監(jiān)測，了解工程區(qū)動(dòng)態(tài)變化狀況，比對(duì)規(guī)劃與現(xiàn)狀，了解規(guī)劃落實(shí)情況，輔助水土保持措施監(jiān)管。

（4）水工程監(jiān)管。利用遙感監(jiān)測和無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)相互補(bǔ)充、相互配合的方式，觀測水利工程的形變。根據(jù)需求開展水利工程全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對(duì)工程基礎(chǔ)、工程施工、運(yùn)行管理進(jìn)行全過程監(jiān)控，隨時(shí)調(diào)取現(xiàn)場圖片。

（5）水文監(jiān)測與信息化。針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)和省界的水文觀測問題，特別是通過SAR（Synthetic Aperture Radar）衛(wèi)星開展對(duì)水流流速和流量的觀測，推進(jìn)衛(wèi)星遙感技術(shù)在水文監(jiān)測中的實(shí)際應(yīng)用，提高水文監(jiān)測的現(xiàn)代化水平和數(shù)據(jù)采集能力，積極構(gòu)建天空地一體化的立體水文監(jiān)測體系，通過模型算法取代部分位置偏遠(yuǎn)、維護(hù)困難、投入偏大的水文站，與地面的骨干水文站構(gòu)成新一代的水文監(jiān)測站網(wǎng)。

（6）水環(huán)境監(jiān)測?；诙嘣?、多尺度、多時(shí)相的遙感觀測數(shù)據(jù)，在水環(huán)境遙感特征參數(shù)光譜測定的基礎(chǔ)上，構(gòu)建懸浮物濃度、葉綠素a濃度、可溶性黃色物質(zhì)等水環(huán)境參數(shù)的遙感反演模型，并通過水質(zhì)模型推算總氮、總磷等水環(huán)境管理關(guān)鍵指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境參數(shù)時(shí)空分布反演，為流域的水環(huán)境評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

2.2 星座系統(tǒng)構(gòu)成

水利小衛(wèi)星星座系統(tǒng)主要包括遙感衛(wèi)星星座、通信傳輸系統(tǒng)、地面測控與地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 水利小衛(wèi)星星座的系統(tǒng)組成

遙感衛(wèi)星星座包括多光譜遙感衛(wèi)星、SAR 遙感衛(wèi)星、紅外遙感衛(wèi)星、高光譜遙感衛(wèi)星。通信傳輸系統(tǒng)包括遙感衛(wèi)星與地面站通信傳輸、遙感衛(wèi)星與中繼衛(wèi)星通信傳輸及地面通信傳輸功能，搭建遙感衛(wèi)星、服務(wù)中心、移動(dòng)終端用戶信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)遙測、遙控指令和遙感數(shù)據(jù)傳輸。地面測控與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括衛(wèi)星測運(yùn)控管理和數(shù)據(jù)地面處理系統(tǒng)，服務(wù)于衛(wèi)星系統(tǒng)，并為應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可為應(yīng)急響應(yīng)（包括自然災(zāi)害、社會(huì)安全事故、公共衛(wèi)生事件等）、典型行業(yè)應(yīng)用（包括輸電線路走廊巡視、基建現(xiàn)場管控、交通擁堵治理、海洋環(huán)境檢測等）和大眾遙感直播用戶（包括個(gè)人用戶、商業(yè)/專業(yè)用戶、直播平臺(tái)）提供個(gè)性化服務(wù)。

2.3 星座軌道方案

水利小衛(wèi)星星座建設(shè)分3個(gè)階段，第一階段為試驗(yàn)階段，發(fā)射1顆高分辨率多光譜衛(wèi)星，覆蓋黃河流域、長江流域及一帶一路地區(qū)，可與珞珈二號(hào)組網(wǎng)運(yùn)行；第二階段為區(qū)域應(yīng)用示范階段，實(shí)現(xiàn)12顆高分辨率多光譜衛(wèi)星、12顆SAR 衛(wèi)星組網(wǎng)，對(duì)黃河流域、長江流域及一帶一路地區(qū)實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率優(yōu)于1 h，空間分辨率優(yōu)于1 m；第三階段為全球應(yīng)用階段，發(fā)射100 顆左右高分辨率多光譜、SAR、高光譜、紅外四類衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

第一階段光學(xué)衛(wèi)星考慮以下設(shè)計(jì)要素：

（1）軌道形狀：為保證影像獲取不同區(qū)域的分辨率一致，采用偏心率為零的圓軌道。

（2）軌道傾角：按照區(qū)域覆蓋要求（黃河和長江流域），目標(biāo)集中在中低緯度地區(qū)（27°～41°），采用41°傾角軌道；

（3）軌道高度：500 km。

根據(jù)上述約束，衛(wèi)星軌道參數(shù)選擇為：衛(wèi)星軌道高度為500 km，偏心率為0，軌道傾角為41°。衛(wèi)星全球和局部覆蓋情況如圖2、圖3所示。

圖3 光學(xué)衛(wèi)星局部覆蓋情況

與珞珈二號(hào)（太陽同步軌道）組網(wǎng)運(yùn)行，覆蓋情況如圖4所示。

圖4 光學(xué)衛(wèi)星與珞珈二號(hào)組網(wǎng)覆蓋情況

第二階段24顆衛(wèi)星組網(wǎng)，考慮采用41°軌道傾角的24/6/1構(gòu)型的Walker 星座，即6個(gè)軌道面（升交點(diǎn)赤經(jīng)均勻分布，相差60°），每個(gè)軌道面等相位分布4 顆衛(wèi)星（相位差90°）。星座覆蓋情況如圖5所示。

圖5 24/6/1構(gòu)型星座覆蓋情況

2.4 星座業(yè)務(wù)流程

水利小衛(wèi)星星座以數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理、應(yīng)用服務(wù)為基本業(yè)務(wù)鏈，以運(yùn)控應(yīng)用與服務(wù)為核心，以星地及地面網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道，保障遙感衛(wèi)星、測控?cái)?shù)傳站、數(shù)據(jù)處理中心與應(yīng)用服務(wù)終端之間的數(shù)據(jù)與信息暢通，實(shí)現(xiàn)天基信息實(shí)時(shí)智能服務(wù)，總體業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

圖6 總體業(yè)務(wù)流程圖

3 衛(wèi)星方案

3.1 光學(xué)衛(wèi)星方案

光學(xué)衛(wèi)星主要由有效載荷（高分辨率光學(xué)相機(jī)、圖像處理單機(jī)）、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)（用于承受和傳遞地面測試及上升段期間飛行器負(fù)載，提供各單機(jī)安裝空間及機(jī)械接口及飛行器與運(yùn)載火箭的機(jī)械連接。釋放機(jī)構(gòu)用于與運(yùn)載火箭連接，以及衛(wèi)星釋放任務(wù)）、熱控分系統(tǒng)（提供任務(wù)階段的熱防護(hù)及控制，并滿足在軌期間各單機(jī)正常工作的溫度要求）、姿軌控分系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星從入軌后變軌到所需星座布局要求及提供衛(wèi)星在軌期間的各種姿態(tài)指向功能）、星務(wù)分系統(tǒng)（完成衛(wèi)星在軌運(yùn)控管理與數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、控制、定位數(shù)據(jù)接收與處理、地面遙控指令處理等功能）、電源分系統(tǒng)（提供衛(wèi)星地面測試、發(fā)射入軌、變軌、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍谲壢蝿?wù)周期內(nèi)的能源供應(yīng)，以及電源控制與分配）、測控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)（提供飛行器運(yùn)行階段的遙測數(shù)據(jù)下傳、遙控指令上注及測量數(shù)據(jù)對(duì)地傳輸功能）組成，具體指標(biāo)設(shè)計(jì)見表2。

表2 光學(xué)衛(wèi)星指標(biāo)設(shè)計(jì)

3.2 SAR衛(wèi)星方案

SAR 衛(wèi)星技術(shù)不受云霧等惡劣天氣的影響，可全天時(shí)、全天候地成像，突破了光學(xué)影像的局限性[9]。SAR 衛(wèi)星由有效載荷和衛(wèi)星平臺(tái)組成。其中，有效載荷包括SAR 電子設(shè)備和平板相控陣天線；衛(wèi)星平臺(tái)包括結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、姿態(tài)管理分系統(tǒng)、星務(wù)管理分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、射頻分系統(tǒng)和熱控分系統(tǒng)。SAR衛(wèi)星具體指標(biāo)設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 SAR衛(wèi)星指標(biāo)設(shè)計(jì)

4 水利星座建設(shè)及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

4.1 星座建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

（1）多載荷集成的一體化衛(wèi)星平臺(tái)。為實(shí)現(xiàn)“一星多用，多星組網(wǎng)”[10]，系統(tǒng)中的衛(wèi)星平臺(tái)需要集成不同類型的有效載荷，滿足用戶增強(qiáng)導(dǎo)航、影像（視頻）獲取等多種需求。星座系統(tǒng)通過高效集成多種有效載荷，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能密度大幅提高，這需要智能衛(wèi)星平臺(tái)能夠根據(jù)任務(wù)需求，適應(yīng)不同載荷配置。為實(shí)現(xiàn)快速多任務(wù)適應(yīng)能力，系統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)具有統(tǒng)一的、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化硬件構(gòu)架，軟硬件均具有強(qiáng)大的可重構(gòu)功能。

（2）多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)。針對(duì)衛(wèi)星影像（視頻）數(shù)據(jù)量大，星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與傳輸能力受限的問題，通過星地資源協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)處理和信息提取效率。多源數(shù)據(jù)在軌處理作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，是整個(gè)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)獲取到信息生成的中心環(huán)節(jié)。多源數(shù)據(jù)在軌處理需要解決任務(wù)驅(qū)動(dòng)的遙感數(shù)據(jù)星地協(xié)同處理機(jī)制和遙感數(shù)據(jù)星地協(xié)同智能實(shí)時(shí)處理方法兩大關(guān)鍵技術(shù)。

（3）天基信息智能服務(wù)技術(shù)。衛(wèi)星星座系統(tǒng)除向?qū)I(yè)用戶（行業(yè)、部門）提供服務(wù)外，還需面向其他移動(dòng)終端提供定制化的智能天基信息服務(wù)[11]。天基信息智能服務(wù)是天基網(wǎng)絡(luò)與軍民用戶互通互聯(lián)的技術(shù)通道，是天基信息快速、準(zhǔn)確、智能化服務(wù)軍民用戶的技術(shù)手段，是系統(tǒng)服務(wù)于終端軍民用戶的“出入口”。通過接受用戶發(fā)出的特定任務(wù)，聚合處理各種異構(gòu)天基和地基信息，實(shí)時(shí)智能地為用戶提供所需信息、知識(shí)。其具體服務(wù)技術(shù)流程為：在接收到用戶指定的需求時(shí)，通過語義理解抽象出規(guī)范化的任務(wù)空間，進(jìn)行任務(wù)分解和聚合；將時(shí)變空變的信息資源抽象為規(guī)范化的資源空間，進(jìn)行統(tǒng)一描述與高效組織；通過任務(wù)與資源的匹配映射，實(shí)現(xiàn)資源與信息的自組織，得到滿足各種任務(wù)需求的聚焦服務(wù)鏈；通過遙感信息的處理服務(wù)，得到滿足應(yīng)用任務(wù)需要的數(shù)據(jù)、信息或者知識(shí)；最終將數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)傳達(dá)給用戶的各類終端。

4.2 減災(zāi)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

（1）高時(shí)空分辨率監(jiān)測。監(jiān)測范圍廣，時(shí)間分辨率達(dá)到1 h，空間分辨率達(dá)到1 m，可以呈現(xiàn)水體在空間上的完整分布，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測范圍內(nèi)的空間全覆蓋。

（2）快速遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)。遙感數(shù)據(jù)及分發(fā)時(shí)間不大于30 min，平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的處理時(shí)間不超過10 min。

（3）高精度災(zāi)害預(yù)警。預(yù)警時(shí)效在30～60 min，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害影響范圍從范圍預(yù)測到動(dòng)態(tài)監(jiān)測，災(zāi)難中心位置從事后分析到在軌檢測，災(zāi)難原因從事后模擬推演到事故現(xiàn)場再現(xiàn)。

（4）天空地遙感公共衛(wèi)生事件應(yīng)急監(jiān)測與管理系統(tǒng)。在原有的社會(huì)服務(wù)與管理信息平臺(tái)基礎(chǔ)上研制天空地遙感公共衛(wèi)生事件應(yīng)急監(jiān)測與管理系統(tǒng)，增強(qiáng)現(xiàn)有網(wǎng)格化社會(huì)管理系統(tǒng)的快速、精準(zhǔn)和智能服務(wù)能力，提高城鄉(xiāng)社區(qū)防控的遙感情報(bào)信息服務(wù)保障水平，為社會(huì)應(yīng)急治理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化和智能化水平提供理論技術(shù)支撐。

4.3 智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)

（1）智慧農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。提供實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及固定相機(jī)數(shù)據(jù)的查詢服務(wù)，響應(yīng)延遲小于1 s。

（2）智能農(nóng)業(yè)管理子系統(tǒng)。提供近實(shí)時(shí)基于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的農(nóng)田診斷服務(wù)。用戶上載無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)后，三維重建訂單響應(yīng)時(shí)間小于30 min，衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理響應(yīng)時(shí)間小于30 min。農(nóng)情診斷服務(wù)響應(yīng)時(shí)間小于1 min。提供用戶終端數(shù)碼照片診斷服務(wù)，響應(yīng)時(shí)間小于2 s。作物長勢估測服務(wù)中作物生理參數(shù)估測精度的相對(duì)均方根誤差小于15%，病蟲害診斷精度準(zhǔn)確率大于90%。

4.4 太空水文站關(guān)鍵技術(shù)

（1）面向水利小衛(wèi)星星座的太空水尺研究?；谕队胺糯笤?，利用遙感影像識(shí)別水尺上的不同顏色網(wǎng)格數(shù)量及位置，通過網(wǎng)格水位關(guān)系計(jì)算獲得水位數(shù)據(jù)，構(gòu)建可通過衛(wèi)星遙感識(shí)別水位的水尺。

（2）基于衛(wèi)星遙感水體面積的水位和流量推測技術(shù)研究。構(gòu)建歸一化差異水體指數(shù)模型等多種水體遙感觀測模型，提取水體面積；基于圣維南方程組和曼寧公式，推求河湖水體的面積-水位-流速-流量等水力特征聯(lián)系，確定水面面積-水位-流量關(guān)系曲線，發(fā)展利用遙感的水面面積推求水位和流量的技術(shù)方法。

（3）基于流域水系統(tǒng)水量平衡的流量校正技術(shù)研究。為減小遙感推求水位和流量的誤差，基于流域地形和河道形狀，系統(tǒng)分析流域水系統(tǒng)中河流和湖庫的上下游、干支流和水力坡度關(guān)系，比較流域水系統(tǒng)中不同空間位置的水位和流量，根據(jù)流域水系統(tǒng)的水量平衡原理，提出系統(tǒng)地校正流域水位和流量的方法。

4.5 太空水質(zhì)站關(guān)鍵技術(shù)

（1）非水色水質(zhì)指標(biāo)遙感監(jiān)測方法。通過水利小衛(wèi)星星座獲得的多光譜影像數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)理論和智能算法，提出葉綠素a、黃色可溶性物質(zhì)和總懸浮物等水色指標(biāo)的遙感定量模型。以遙感反演得到的水色指標(biāo)為輸入條件，利用正則化方法求解該反問題，最終計(jì)算得到總氮、總磷的時(shí)空分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)水質(zhì)考核指標(biāo)的全區(qū)域覆蓋。

（2）基于衛(wèi)星遙感與水流線的污染溯源技術(shù)?；谒畡?dòng)力模型生成流場，沿著水體流線對(duì)遙感反演的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行聚類合并，得到污染源位置和排污量，實(shí)現(xiàn)缺資料地區(qū)的污染源估算。

（3）基于遙感水質(zhì)耦合模型的水質(zhì)預(yù)測預(yù)警方法。將遙感反演的濃度分布作為水質(zhì)模型輸入的初始條件，將水污染溯源結(jié)果作為模型的邊界條件，融合遙感反演和水質(zhì)模型，進(jìn)行水質(zhì)數(shù)值模擬，提高水質(zhì)模擬的時(shí)空精度，實(shí)現(xiàn)全流域所有水體的高精度預(yù)測預(yù)警功能。

5 討論與展望

國內(nèi)目前雖處于遙感衛(wèi)星的密集發(fā)射期，但衛(wèi)星種類多數(shù)為試驗(yàn)衛(wèi)星或者首發(fā)衛(wèi)星，數(shù)量上難以滿足未來的需求，特別是開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)應(yīng)用，衛(wèi)星數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。目前在水利等領(lǐng)域雖見衛(wèi)星遙感的應(yīng)用，但衛(wèi)星數(shù)量及衛(wèi)星影像時(shí)空分辨率不足以滿足水利等行業(yè)應(yīng)用，水利的時(shí)間分辨率應(yīng)達(dá)到1 h，目前常用的衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，如Landsat 的時(shí)間分辨率為16 d。因此急需研發(fā)針對(duì)水利行業(yè)的衛(wèi)星星座，其可產(chǎn)生巨大體量、類型豐富的天對(duì)地觀測數(shù)據(jù)，覆蓋區(qū)域廣、空間連續(xù)，對(duì)國家乃至全球的自然環(huán)境和社會(huì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測皆能提供直接有效的超宏觀信息。

本文提出了水利小衛(wèi)星星座的總體構(gòu)想，期望研發(fā)專為水利及相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的小衛(wèi)星星座，為水利、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等行業(yè)提供定制化、專業(yè)化的服務(wù)。減少云雨對(duì)衛(wèi)星感知的影響，保障全天候全天時(shí)全覆蓋的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取。同時(shí)，基于衛(wèi)星星座對(duì)地觀測網(wǎng)，結(jié)合低空無人機(jī)組網(wǎng)，整合傳統(tǒng)地面監(jiān)測站，所構(gòu)成的天空地一體化平臺(tái)可成為時(shí)空兩維立體、多尺度、多分辨率、多源異構(gòu)的超級(jí)大數(shù)據(jù)源，為智慧水利、智慧農(nóng)業(yè)、智慧減災(zāi)打下堅(jiān)實(shí)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，支撐國家重大發(fā)展戰(zhàn)略。