本文介紹了載人航天工程的概況，闡述了以載人航天器為平臺的對地觀測遙感技術的發展，重點分析了載人航天平臺遙感的技術優勢，從高分辨率、高光譜和熱紅外、合成孔徑雷達和激光雷達等 5 個方面簡介林業應用情況;以高光譜數據為例，介紹了基于我國天宮一號載人航天平臺遙感數據的林業應用情況;并對國內外空間站計劃的林業應用潛力進行了展望。

林業遙感的發展是由森林資源分布的特點、林業科技和遙感技術的發展所決定的。森林分布的廣泛性、復雜性和動態性，決定了林業資源調查工作的艱巨性和復雜性。遙感技術的大范圍、多尺度和動態性特點使其十分適合于在林業上應用，林業遙感是資源環境遙感領域中最活躍的方向之一。經過近半個世紀的發展，遙感技術已經應用到森林資源調查、濕地監測、荒漠化監測、生態工程監測、森林災害監測等業務中，并開發出許多遙感專題應用系統。近年來，隨著傳感器技術、航空航天技術和數據通訊技術的不斷發展，衛星遙感技術進入一個動態、快速、多平臺、多時相、高分辨率地提供對地觀測數據的新階段，其應用領域及應用深度不斷擴大和延伸，空間技術在森林資源監測、災害監測、預警和評估應用領域日益突出， 應用空間技術進行森林資源監測和災害管理已經成為國際關注的焦點。另一方面星載遙感提供的數據源越來越豐富，在波譜覆蓋范圍、空間分辨率、時間分辨率等方面都有了很大提高，已經越來越多地服務于林業生產，以林業為主要用戶的專業衛星也在不斷發展中。

星載遙感技術很多都經過了載人航天平臺試驗與探索階段。典型的載人航天平臺包括空間站(俄羅斯、美國等國家和國際組織)、美國航天飛機、中國神舟系列飛船和天宮一號等。載人航天平臺的遙感載荷具有多姿態、變參數、多角度和靈活機動等特點，開展對載人航天平臺遙感載荷的林業應用，對于促進遙感發展，更好地服務于林業生產具有重要意義。載人航天平臺(尤其是空間站)具有可裝載大型觀測設備、有人值守、可靈活設置觀測條件等優點， 能在近地軌道長期運行，可以作為對地觀測的“觀測 臺”。由于科技發展水平和國際局勢的限制，我國未能參與到國際空間站的工作中，我國自主的空間站建 設剛剛起步。下面介紹和分析國內外載人航天工程的林業遙感應用情況以及“天宮一號”試驗平臺的高光譜數據林業應用潛力，并對國內外空間站計劃的林業應用潛力進行展望。

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載人航天平臺遙感技術發展歷程

載人航天應用伴隨著載人航天器的發展而發展。 從無人照料的應用衛星到各種載人航天平臺，航天技術歷經了一個又一個重要里程碑，對地球觀測科學產生了巨大的影響。非載人航天器盡管可以利用機器人和人工智能科學技術來完成一些空間操作，但某些特定的任務還必須靠人來完成。人可以在空間站上完成那些比較復雜的、非重復性的工作，這些工作需要人的經驗、應變能力和直覺的判斷能力?？臻g站不僅作為觀測窗口，而且由于人的參與還作為一個天基平臺直接開展數據的搜集、分析和整理。 1971年原蘇聯發射了世界上第 1 個載人空間站 “禮炮 1 號”，其后還相繼發射了禮炮 2 號至禮炮 7 號以及和平號空間站。1973 年美國發射了其唯一的 “天空實驗室”(Skylab) 空間站。1998年由美國和俄 羅斯牽頭，歐洲航天局、日本、加拿大和巴西參加的六 方 16 國合作研制的“國際空間站”( ISS) 正式開工 建造，于 2011 年底全部建成?！皣H空間站”是目前 唯一在軌建造的空間站，其工作壽命預計可達10 ～ 15年。

自2000年11月國際空間站正式運行以來，作為 “乘員對地觀測(CEO)”實驗項目的一部分，空間站 上航天員利用手持膠片或手持數碼相機拍攝了超過60萬張圖像，包括地球表面、海洋、大氣層圖像以及月球圖像。盡管影像數量如此之大，但從遙感專業角度看國際空間站此前并非真正意義上的對地觀測平臺。直到最近幾年，國際空間站外部和內部都設計了很多適合于安裝遙感傳感器的位置，這些對地觀測窗口提供了很強的綜合對地觀測能力，一些新的設施和精密傳感器系統被陸續部署，國際空間站才成為真正的對地觀測平臺。

目前，國際空間站上已經安裝了許多可見光、微波、熱紅外及高光譜傳感器，如農業觀測相機( ISSAC 或 AgCam)、海岸帶高光譜成像儀(HICO)、環境研究 可視化系統(SEＲVIＲ)等，其中適合林業應用的光學 遙感載荷的指標如表 1 所示。目前，國際空間站在災 害監測方面已經取得了很大的成果，為災害管理提供了高精度、快速的災害信息。

表1國際空間站上已裝備或即將裝備的適合林業應用的光學遙感載荷

國際空間站利用可裝載大型觀測設備、有人值守 及可選擇觀測條件等優點，開展新型觀測儀器和觀測方法的驗證。它可以根據觀測需要在不同艙段安裝有效載荷，載荷數量遠高于衛星平臺;可以在空間站平臺上同時搭載光學傳感器、微波傳感器等多種有效載荷。這從根本上保證了多載荷對地觀測結果嚴格意義上的時間一致性，對于綜合分析由多源遙感數據 得到的地表植被、地形、水文等方面的信息，有效建立分析模型、驗證分析結果、反演不同時相多源遙感數據分析模型具有十分重要的意義。在空間站運行過程中，可由載人運輸飛船和貨運飛船向空間站運送部分實驗設備，并可以進行必要的航天員維護、維修、更換和擴展，以確保長時間序列觀測過程中數據質量的一致性。

1992年9月21日，中國政府決定實施載人航天工程，并確定了三步走的發展戰略。第 1 步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗。第 2 步，在第 1 艘載人飛船發射成功后，突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術，并利用載人飛船技術改裝、發射一個空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題。第 3 步，建造載人空間站，解決較大規模的長期有人照料的空間應用問題。開展較大規模和較高水平的空間科學應用是我國載人空間站工程目標之一，我國將在 2020年前后建成自己的載人空間站，并開展一定規模的空間應用。目前，該實驗室的技術方案已經完善，研制工作正在順利進行，將解決一定規模、短期有人照料的空間應用問題。將來隨著空間實驗室體積 的增大、可靠性的提高，它將逐步發展成為空間站的 核心艙或實驗艙，增加太空實驗的項目和種類，為建成空間站奠定基礎。

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載人航天平臺遙感在林業上的應用

1、高分辨率遙感

國際空間站的宇航員們利用手持相機拍攝了地球的許多圖像，這些影像對及時發現敏感地區信息、 監測資源環境變化、尤其是在應對災害及突發事件中發揮了重要作用。2009 年 9 月 24 日國際空間站上 的宇航員拍攝到位于美國著名的黃石國家公園的火災。宇航員第 1 次拍攝到這場大火的時間是在第 2 天，當時火場面積達 101 hm2 ;到了10月1日，火場面積已迅速增長到了 3 764 hm2。由于拍攝到的照片傾角比較大，非常具有立體感。當時國際空間站位于黃石公園的火場東北方約1200 km，正飛越加拿大溫尼伯湖。3天后美國 Aqua 衛星上搭載的中分辨率光譜儀(MODIS)才拍攝到了這場大火的衛星影像，與國 際空間站拍攝到的大傾角圖片一起互為補充，使人們更好地了解到這場野火的位置、規模和發展趨勢等。

2010年4月美國宇航局在國際空間站“命運”號 實驗艙的下部安裝了一套舷窗觀測研究設施 (WOＲF)。WOＲF的直徑為 5.08 m(對地的光學觀 測窗口直徑51cm)，提供了79. 1°的可調視場，為遙感傳感器提供了更好的對地觀測平臺，使國際空間站的宇航員們可以移除保護罩以獲取地球更加清晰的 影像數據?，F在 WOＲF 上安裝了農業觀測相機 (ISSAC 或 AgCam) 和環境研究可視化系統 ( SEＲ- VIＲ)等多種多光譜相機載荷。

AgCam 可在可見光和近紅外波段以中高空間分 辨率成像，拍攝圖像可以在 2 天內提供給所需人員， 為改善土地利用和環境管理提供幫助。AgCam 主 要目的是收集多譜段數據支持農業活動及相關研究。該相機分辨率為20 m，利用 2 臺帶有濾鏡的數碼相 機分別收集可見光中的綠光、紅光及近紅外波長(3 個波段)范圍的光譜信息，然后可以將這些圖像合成 為多譜段圖像。它能夠區別不同種類的農作物并檢 測農作物區域覆蓋變化以及農作物的健康狀況，這對 于農業研究和農業生產監測具有非常重要的意義，對 于森林植被的觀測也有很大的潛力。

2013年1月16日正式啟用了ISEＲV( ISS 環境 研究可視化系統)。該系統由一套望遠鏡和一臺數 碼攝像系統共同構成，空間分辨率優于 3 m，具備靈活的目標捕獲能力。ISEＲV系統將用于監測和評估 環境災害、氣候變化、熱帶雨林的破壞以及世界各地不同地點的空氣質量。

2、高光譜遙感和熱紅外遙感

神舟3號飛船搭載的中分辨率成像光譜儀( SZ－3 /CMODIS)是我國新一代環境遙感衛星的試驗儀器，2002年3月25日神舟3號飛船進入太空，中分辨率成像光譜儀在3月底開始對地觀測，9月底完成全部在軌試驗觀測任務。CMODIS 運行在(343 ± 5) km 高空，星下點地面分辨率為500 m，重復覆蓋周期為2天，軌道測量覆蓋寬度為 650～700 km，有34個波段，波長范圍為 0. 4 ～ 12. 5 μm，包括20個可見光 通道 (0. 403 ～ 0. 803 μm)、10個近紅外通道 (0. 823 ～ 1. 023 μm)、1 個短波紅外通道 ( 2. 15 ～ 2. 25 μm)和3個熱紅外通道(8. 4 ～ 8. 9 μm，10. 3 ～ 11. 4 μm，11. 5 ～ 12. 5 μm)。CMODIS以新一代氣象衛星傳感器發展為背景，瞄準大氣、海洋，同時考慮陸地植被觀測。中國科學院遙感應用研究所以神舟飛船中分辨率成像光譜儀和多模態微波遙感器應用研究為目標，圍繞生態環境變化快速調查與監測、土 壤水分和融雪徑流監測、大型地質環境與成礦背景遙感探測、數據處理和系統集成等 4 個方面開展研究， 形成了由數據獲取與處理技術、陸地地表應用、土地利用及農作物監測、地質應用與巖性填圖、水文應用、 數據庫與電子圖集等 6 個子系統組成的神舟飛船陸地遙感應用系統。

2009年9月在國際空間站“希望”號實驗艙外安 裝了海岸帶高光譜成像儀(HICO)。該計劃由美國海軍研究實驗室(NＲL) 發起，是第一個針對海岸帶和 珊瑚礁區域進行觀測的星載傳感器。HICO 傳感器能夠獲取可見光及近紅外波長的高質量信息，主要任務是收集沿海海域的水質、海底類型、水深以及近海岸植被類型等情況。該儀器的波段范圍為 380 ～ 960 nm，光譜分辨率為 5. 7 nm，空間分辨率為 90 m。HI- CO 具有很高的信噪比，對信號較弱的海岸帶附近場景可以很好地量化成像。作為創新性儀器，HICO 將 為未來空間高光譜探測器的應用而進行多種探索研究。

3、合成孔徑雷達遙感

以美國航天飛機為代表的載人航天平臺對合成 孔徑雷達(SAＲ)遙感技術的發展做出了很多引領性的貢獻。多頻率、多極化、干涉處理、極化干涉處理等一系列 SAＲ 關鍵技術都是基于航天飛機搭載的SAＲ傳感器的數據實現的，也促進了 SAＲ數據林業應用 的發展。

1981年11月12日NASA發射了第一個航天飛 機成像雷達系統SIＲ-A，利用哥倫比亞號航天飛機送上太空，該任務為期 3 天，共獲取地球表面 100 萬 km2 的雷達圖像。SIＲ-A 是一部 HH 極化 L 波段 SAＲ，回波信號由機上的光學記錄器記錄，經過光學相關儀器處理后得到雷達圖像膠片。1985 年 Wu 利用 SIＲ-A 的 SAＲ 數據發現，雷達數據和陸地衛星圖像對森林研究各有特點。1989 年 Werle 利用 SIＲ-A 雷達數 據分析了中國東北的防風林。

1984 年10 月5 日美國 NASA 利用挑戰者號航天 飛機將 SIＲ-B 送上太空，任務為期 1 周。SIＲ-B 也是一部 HH 極化 L 波段 SAＲ，首次采用數字處理系統， 比 SIＲ-A 的數據提供了更大的動態范圍，數據傳輸和 分析更加方便、精確。雙帶寬傾斜天線使視角可在 15° ～ 60°區間變化，能夠自動按照 1°步長傾斜，可提供觀測期間連續幾天對特殊目標的多入射角圖像，完成了后向散射與入射角之間關系的定量化研究。

SIＲ-B 的多入射角數字化數據使地物特性的定 量研究成為可能，并為理論模型提供驗證的數 據。因為數據傳輸天線出了問題，SIＲ-B 沒能按 預定計劃獲取數據。NASA 原計劃在 1987 年前后再 進行一次飛行，后因航天飛機挑戰者號于 1986 年 1 月 28 號 失 事 而 取 消，直 到 1994 年 才 進 行 SIＲ-C 項目。

SIＲ-C /X-SAＲ 成像雷達系統是在SIＲ-A 和 SIＲ- B 之后第 3 個裝載在航天飛機上的雷達系統，于1994 年 4 月(9—20 日) 和 10 月(9 月 30—10 月 11 日)開展了 2 個為期 10 天的成像飛行，每次獲取 50 h 約 5 000 萬 km2 的雷達圖像數據。SIＲ-C /X-SAＲ 雷 達觀測系統包括了美國研制的 L 和 C 波段 SAＲ 及德 國和意大利研制的 X 波段 SAＲ 3 個雷達傳感器。L 和 C 波段 SAＲ 為全極化雷達，而 X 波段 SAＲ 僅有 VV 極化。該系統是運行在地球軌道高度上的第 1 部多波段同時成像雷達，第 1 部高分辨率全極化 (HH，HV，VH 和 VV) 同時成像的雷達，第 1 部在 2 個季節成像的多參數航天雷達，并可以實現雷達入射角從 17°至 63°的多角度觀測。

SIＲ-C 數據在林業和其他方面的應用研究有很 多。許多研究發現，長波長(L 波段)交叉極化 (HV) 信號與森林生物量有最好的相關性。在 SIＲ-C / X-SAＲ 飛行的最后 3 天，獲取了重復軌道的相干雷 達數據。這是僅有的一次獲得多波段(L，C 和 X)、多軌道(僅隔 1 天)的相干雷達數據的空間飛行，提供了研究地表的新手段。1998 年 Pierce 等利用多季相的SIＲ-C /X-SAＲ 圖像進行了美國北部森林和土 地覆蓋的分類。1997 年 Saatchi 等利用 SIＲ-C 圖像完成了對亞馬孫熱帶雨林的森林砍伐和當地的土地覆蓋制圖。1997 年 Corina 等研究了 SIＲ-C L 和 C 波段數據與熱帶雨林恢復的關系。1998 年 Ber- gen 等利用 SIＲ-C 數據估計了北方森林的地上、地下 生物量和年凈初級生產量。1997 年 Ｒanson 和 Sun 利用 SIＲ-C 圖像對美國緬因州山區的森林進行了分類和生物量估算研究。

航天飛機雷達地形制圖計劃 SＲTM 是美國太空 總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)、德國空間局等單位的合作項目。2000 年 2 月 11 日美國 發射的“奮進”號航天飛機上搭載 SＲTM 系統，共計進行了 222 小時 23 分鐘的數據采集工作，獲取了北緯 60°至南緯 60°之間總面積超過1. 19 億 km2 的相干雷達影像數據，覆蓋地球 80% 以上的陸地表面。 SＲTM 是 SIＲ-C /X-SAＲ 的改進，基線由 60 m 長的可 伸縮天線結構組成，此結構伸出軌道飛行器的貨艙， 伸出端帶有 C 波段與 X 波段雷達的第 2 根接收天 線。由 SＲTM 得到的地形數據具有以下特點:1) 良好的一致性。SＲTM 計劃首次提供了從一種數據源得到的格式一致的 DEM 產品，克服了世界上之前存 在的從多種數據源鑲嵌的全球高程模型的缺點。2) 減少疊掩和陰影效應。由于采用上升和下降軌道雷達 波對山體的照射，解決了雷達遙感中存在的山坡疊掩效應而損失信息的問題。3)高分辨率。SＲTM 將當時 已有的全球 DEM 的水平分辨率從 1 km 提高到 30 m， 垂直分辨率從 100 m 提高到10 m(C 波段)及 6 m(X 波段)。SＲTM地形數據可以作為普通地形數據來應用，但實際上在有植被覆蓋的地區它提供的高度不是真正的地表高度，而是雷達散射相位中心的高度。散射相位中心高度介于地表和植被頂端之間，包括植被空間結構的信息，可以用來估計植被高度和生物量。

4、激光雷達遙感

美國航空航天局在星載激光雷達的研制和應用 上一直處于引領地位，航天飛機平臺提供了很好的支撐。1996年1月和1997年8 月先后進行了航天飛機搭載激光雷達(SLA)試驗即 SLA － 01 和 SLA － 02，獲取了高精度全球控制點信息?；诤教祜w機飛行試驗激光雷達高度儀的成果和經驗，NASA于2003年發射了第 1 顆激光雷達衛星，即搭載在 ICESat(冰體、 云量和陸地高度監測衛星)上的激光測高儀 GLAS。

SLA 激光雷達高度儀首次實現了星載平臺的激光波形記錄，可以記錄 100 m 光斑內垂直間隔1. 5m的地物回波波形?；诩す饣夭úㄐ?，可以更精確地分析地形及地表物體特征。2000 年和 2003年Sun等利用 SLA 的波形分析了地形及植被信息，并驗證了干涉雷達處理的DEM。

日本正計劃在國際空間站上搭載植被環境觀測激光雷達(LOVE)，激光雷達傳感器包括測高工作模式和米散射工作模式 2 種。其中測高模式采用2×2的探測單元配置，單個探測單元的地面分辨率為25～30 m，主要用于植被高度和生物量的測量。米散射工 作模式主要用于大氣觀測(包括云和氣溶膠)，垂直分辨率為 100 m，水平分辨率為1 km。

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“天宮一號”高光譜遙感數據在林業上的應用

2011年9月29日我國在酒泉衛星發射中心成功發射了天宮一號目標飛行器，搭載的高光譜成像儀是目前我國空間分辨率和光譜綜合指標最高的空間成像光譜儀，可以實現高光譜分辨率的地物特征成像探測，獲取了大量珍貴的森林實驗觀測數據。下面從森林資源監測、沙化土地分類和林火探測等3個方面進行介紹。

1、森林資源監測

利用獲取的天宮一號高光譜成像儀數據，研究了不同地區(溫帶、熱帶)森林覆蓋制圖與變化檢測的自動化識別方法，結果表明，天宮一號高光譜成像儀數據在成像時間、空間分辨率和光譜分辨率等方面具有獨特的優勢，在森林覆蓋制圖與變化檢測方面有廣闊的應用前景。

利用2012年3月5日15時獲取的云南省麗江 市的數據進行了森林分類的實驗，在數據幾何精糾正后，對高光譜可見光近紅外和短波紅外圖像進行監督分類。分類結果表明，對土地類型1級分類類型可以比較容易地區分;對森林可以區分到 2 級類型(常綠林、落葉林和疏林)，這是多光譜遙感圖像很難達到的，研究結果可以滿足森林資源監測的一般需要。

通過對2012年5月11日獲取的云南省景洪市 西南部的天宮一號高光譜成像儀可見近紅外數據與 短波紅外數據的處理與分析，計算了反映植被特征的10種植被指數，與地面實測林業樣地的生物量結合建立了生物量估測模型，模型的決定系數為0. 83，均方根誤差為 29. 9 t /hm2，說明天宮一號高光譜數據對森林生物量的估測能力很強。

2、沙化土地分類制圖

土地沙化是我國荒漠化的主要表現特征，合理分 類沙化土地對掌握土地沙化發展規律以及采取合理 的治理措施具有重要的指導意義。不同類型沙化土地因其植被覆蓋、土壤質地和養分特征等的差異，地表反射特征也各異，在遙感影像的不同波段其亮度特征分異也很大，從而使沙化土地的遙感識別信息提取和分類成為可能。由于高光譜遙感影像可以提供近實測的地表光譜特征數據，其在沙化土地信息提取上具更強的能力。

利用獲取的“天宮一號”影像數據，研究了不同類型區沙化土地高光譜分類技術，獲得了一些初步結果。對民勤東北部天宮一號高光譜數據進行處理，得 到對應的沙化土地分類專題圖。天宮一號高光譜數據對不同固定程度的沙地、戈壁等具有很好的區分能力。

3、林火監測

天宮一號上搭載的高光譜全色、可見近紅外和短波紅外等傳感器，可同時為用戶提供同一位置100多個通道的觀測數據，通過綜合這些波段特性，分析火情信息在這些波段的反應，尋求森林火災監測及火燒跡地提取的最適宜波段范圍，對于未來設計更適合森林火災監測業務需求的傳感器、更好地滿足我國森林防火預警撲救需求、切實保護我國生態環境和森林資源等具有十分重要的作用。

通過對同步試驗的火場在天宮一號所搭載傳感器上的不同反應分析表明，明火、燜燒、煙和火燒跡地等4種與燃燒狀態密切相關的信息在天宮一號高光譜數據中的敏感譜段存在差異，正在燃燒中的小火可在天宮一號所搭載的高光譜短波紅外傳感器的中波范圍內(約 2. 1μm)檢測出來，即天宮一號搭載的高光譜短波紅外數據具有探測面積小于其空間分辨率 的火的能力;而在高光譜短波近紅外和全色影像中并不明顯;高光譜可見近紅外傳感器可有效探測出煙和火燒跡地等信息。因此，專題信息提取并不是空間分辨率越高越好，光譜信息也非常重要。另外，通過天宮一號數據不同波段間的信息組合，可有效提取專題信息。

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結論及發展趨勢

隨著國際空間站的全面建成和我國空間站計劃 的實施，在未來的對地觀測發展中，以空間站為對地 觀測平臺將在新技術研究與示范中發揮重要作用，應積極開展與林業應用有關的概念研究和關鍵技術攻 關工作。要充分利用國內外載人航天工程獲取的林區觀測數據，研究林業遙感的前沿技術。以我國大力發展載人航天工程的契機，積極參與空間站遙感器的調研、需求分析、參數選擇、項目預研、定標試驗、同步試驗等工作，及時獲得空間站遙感器對地觀測數據和相關參數數據，更好地促進林業遙感基礎研究和應用研究的開展，為進一步發展和應用好適合于林業的業 務化衛星做技術準備。

*注：本文來源：http://www.msadc.cn/main/researchDetail?id=1372785831231623169