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【光明日报】航空遥感:重装上阵 跨越山海
来源:光明日报 发表于 2023/8/30

往期回顾 
第 408 期
(2023-08-22)
 

珠穆朗玛峰遥感图像。图片由空天院提供

八一冰川遥感图像。图片由空天院提供

图片由空天院提供

遥感如今已经成为人们比较熟悉的科学技术,但很多人不太清楚,遥感也分为航空遥感和航天遥感。简单地说,航空遥感是用飞机,航天遥感则是用卫星。它们是对地观测系统的两大支柱,两者不可替代、相互补充。其中,航空遥感具有机动灵活、观测量丰富、观测载荷种类多、响应时间短等优势,是区域高分辨率获取数据的重要来源,也是众多载荷走向航天的必由之路。


航空遥感,方兴未艾,不可替代

航空遥感,不仅能“看”到,还能帮助科学家们“透视”——2023年3月至5月期间,作为我国第二次青藏高原综合科学考察研究和民用p波段合成孔径雷达(sar)卫星科学论证计划的重要组成部分,中国科学院等相关院所在青海省八一冰川地区组织实施联合航空遥感科学实验,对解决冰川厚度遥感监测难题、突破冰储量估算瓶颈、引领下一代冰冻圈遥感技术具有重大意义。


这一实验即基于由中国科学院空天信息创新研究院(空天院)所属中国科学院航空遥感中心建设与运行的国家重大科技基础设施——航空遥感系统开展。


航空遥感系统,就是把多种对地观测载荷单/同时集成在一架飞机上,通过航空飞行来实现对地观测。与所有的遥感系统相似,航空遥感系统也包括飞行平台、载荷(遥感器)、接收、处理和应用各子系统所组成。其中,航空遥感飞行平台即航空遥感飞机,载荷则包括可搭载于航空遥感飞机上的多种类型的光学与微波载荷,以及一系列地面定标设备。此外,航空遥感系统还包括储存、处理多源数据融合的综合处理和管理系统,可存储、处理和分析海量航空遥感数据。


与卫星遥感相比,航空遥感具有分辨率高、观测量丰富、载荷配置灵活、响应时间短等独特优势,是区域高分辨率多源遥感数据的最重要来源。例如,航空遥感可以根据特定任务的需求进行灵活配置和定制,可以选择适当的载荷、平台和飞行参数,以满足特定区域、时间和任务的需求,这种灵活性使航空遥感在特定研究和应用领域具有较大优势。又如,相对于卫星遥感,可以根据需要在特定时间段内进行多频次观测,这对于环境监测、灾害评估和农作物生长监测等应用非常有价值。


当然,航空遥感也有自身局限性,例如单架次成本高、覆盖范围有限、无法实现全球连续监测等。因此,航空遥感和卫星遥感常需搭配使用,需要综合考虑研究或应用的需求、可用的资源和预算以及目标区域的特点,选择适合的遥感数据获取方式。


两代系统,从引进到自主研发

目前,空天院拥有4架遥感飞机,均可适装不同类型的载荷开展各类对地观测与试验。它们也构成了我国两代航空遥感系统的建设典范。


其中,我国第一代航空遥感系统的飞行平台为奖状遥感飞机,于1986年引进,为美国塞斯纳公司citation 550 ii型小型公务飞机,最大升限13000米,最大航程3300千米,最高航速746千米/小时,可以保障科研人员在万米高空、青藏高原、南海深处、沙漠腹地等环境开展科学试验。两架奖状遥感飞机投入运行后,航空遥感中心组织了国内20多家科研单位联合攻关,经过多年努力,以遥感飞机为高空平台,集成了包括可见光、近红外、热红外和微波波段等在内的多套传感器,从而构成中国第一套也是当时最先进和规模最大的航空遥感系统,该系统于1993年获中国科学院科学技术进步奖特等奖。


进入新世纪后,随着我国经济社会高速发展,建设具有多载荷装载能力和协同作业能力的大型航空遥感平台、实现多种类传感器同时、同一区域的联合观测,成为国家之急需。2010年,国家发展改革委批复立项、空天院建设和运行的航空遥感系统国家重大科技基础设施项目开工建设,主要建设内容包括新舟60高性能航空遥感飞行平台、先进的信息获取系统、数据处理与管理系统等。2021年7月,基于新舟60遥感飞行平台的新一代航空遥感系统建成并通过国家验收。这是我国第一个综合性的国家航空遥感系统,技术复杂、研制难度大、创新性强,属国内开创性工作,打破了国外对我国遥感设备和飞行平台的技术封锁,突破了遥感平台、对地观测载荷、数据综合处理等关键技术,实现了我国大型航空遥感平台和系统从无到有的跨越,是我国目前综合能力最强的航空遥感平台和科学实验平台,其综合性能与美国、德国等先进航空遥感系统相当,整体技术居国内领先、国际先进水平。


“空中变形金刚”,改装与迭代突破

航空飞行平台是航空遥感系统的重要组成部分,为观测者提供了宏观和广阔的视角。改装水平则是体现其技术水平的关键之一。


改装后的奖状遥感飞机能够同时提供密封、非密封环境,可以分别装载多/高光谱、激光雷达、热红外、微波、大气等多种传感器


其中,奖状遥感飞机1号机开设的是光学窗口,这既要求改装窗口具有足够大的尺寸,又要确保窗口玻璃具有优良、稳定的光波透过率。除对地观测,还可能同步采集机舱外部空气,因此需在机身上再开设大气联通采样窗口;另外还有些设备必须安装在非密封环境。为了满足这些需求,工程人员在1号机机身上开设了包含1处非密封舱在内的7处试验窗口。奖状遥感飞机2号机除具有与1号机基本相同的大部分光学改装窗口外,同时可在机舱内外同时装载微波遥感设备,包括机腹可挂载不超过100千克的机外设备。在机舱外挂载设备会改变飞机的气动外形,对飞机飞行安全产生直接影响,是件非常敏感的重大事件,也体现了航空遥感系统建设的工程和关键技术水平。


新建成的新一代国家级航空遥感系统中,新舟60遥感飞机由中航西飞民用飞机有限责任公司研制、生产,具有中国自主知识产权,也是在国内外航线上唯一批量投入商业运行的国产涡桨支线客机。该机型装载能力强、综合性能优、可改装条件好,是大型航空遥感系统的理想飞行平台。


针对项目要求,研究人员提出了“一机七种适航构型”技术方案,并突破了飞机多外挂物气动布局、舱外多挂点和机体连续大开口飞机结构设计、复杂任务设备集成试飞与适航审定等关键技术,于2016年12月实现首飞,2018年12月、2019年12月先后完成2架飞机的交付。经过试运行,最终支持全系统完成了综合集成、指标验证、验收测试等,建成了具有7种适航构型、18个对地观测窗口的先进遥感飞机,填补了国内具有长航程、多功能、多观测窗口的中大型航空遥感飞机研制空白以及一系列国内民机研制的技术空白,成为国内综合能力最强的航空遥感平台和科学实验平台。新舟60遥感飞机也因“一机七构型”的改造被称为“空中变形金刚”,可以满足光学、微波、激光、红外等多达5-6种载荷同时安装,数据协同获取、记录、处理、传输等环节同步工作及多名操作人员同时工作的空间要求。


空中实验室,深度应用,未来可期

无论是基于奖状遥感飞机的第一代航空遥感系统,还是基于新舟60的新一代国家航空遥感系统,在不同时期均发挥了重要作用,并在科学研究、农业农村、生态环境、自然资源、国土测绘和应急减灾等行业和领域得到了深入广泛的应用。


已运行近40年、基于奖状遥感飞机的航空遥感系统,充分发挥其平台高空、高原飞行上的性能优势,完成了国家交付的资源探测、对地科学试验、应急救援等各类型重大任务,飞行足迹西抵帕米尔高原、东到黑河流域、北至阿尔泰山和漠河、南达南海三沙,除台湾、澳门外,遍布全国各省市自治区。应急救援方面,多次冲在应急救援第一线,曾连续对1989年湖北荆江洪水、1990年淮河洪水、1991年太湖地区洪灾、1998年长江流域特大洪水、2003年淮河流域特大洪水等进行应急飞行,并深度参与了2008年汶川地震、2010年玉树地震、2013年芦山地震的应急监测。在科学研究方面,曾先后8次进入西藏高原飞行作业,完成珠穆朗玛峰、唐古拉山地区、雅鲁藏布江、拉萨河、年楚河流域及拉萨市等遥感飞行,为全球气候变化研究提供了大批宝贵的科学数据。它们也是我国空间科学研究的主力平台之一,对研制新型航空、航天仪器的各项性能指标进行逐项验证与试验,为空间信息技术发展作出了重要贡献。


基于新舟60遥感飞机的新一代航空遥感系统投入运行两年以来,促进了我国遥感设备的技术创新、遥感应用的领域拓展,以及遥感产业的转型升级,取得了多个“国内首次”的应用成效。其中,在农业方面,为“高标准基本农田建设”“黑土地保护性耕作行动计划”等国家重要工程提供了高分辨率航空遥感数据,这也是国内首次基于遥感手段实现秸秆覆盖保护性耕种监测,首次实现了对机井、林网等高标准农田骨干设施监测。应急减灾方面,首次综合利用同区域光学和sar数据实现了房屋等承灾体高精度识别,实现了水体与洪涝灾害隐患高精度提取和调查。国土资源方面,2021年开展自然资源全要素监测,基于多维度sar数据形成了区域自然资源全要素监测应用技术流程,面积精度和最小监测图斑实现了数量级提升。在基础研究方面,通过共享应用航空遥感数据集,有效提升了基于航空遥感数据算法模型的精度和鲁棒性,有力地支撑了遥感先进算法模型的重构和优化。


未来,空天院将基于航空遥感系统国家级空中实验室,进一步面向国家重大需求和遥感科技基础前沿重大科学观测需求,突破有人机和无人机等多航空平台组网、多种类新型探测载荷分布式协同探测等重大关键技术,实现立体、透视、精准和智能观测与应用能力,积极推动航空遥感技术发展和体系化建设,不断引领我国航空遥感技术与应用的阶跃发展。


(作者:潘洁、朱金彪、杨宏,分别系空天院正高级工程师,正高级工程师、高级工程师;李儒、赵海涛对此文亦有贡献。)


(原载于《光明日报》 2023-08-17 16版)

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