“高分七号”来了1：1万地形图全覆盖还远吗？——访高分专项应用系统副总设计师、自然资源部国土卫星遥…

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本文内容摘自《中国测绘》2020年第10期

如果说资源三号卫星是“当红花旦”，那么高分七号卫星将是“当家小生”。2020年8月20日，中国首颗民用亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星——高分七号正式投入使用。该卫星通过立体相机和激光测高仪复合测绘的模式，实现1∶1万比例尺航天立体测图，这是我国在成功实现资源三号卫星1∶5万立体测图后的又一个重要突破。

高分七号卫星于2019年11月3日成功发射。高分专项应用系统副总设计师、自然资源部国土卫星遥感应用中心总工程师唐新明表示，高分七号大幅提升了我国卫星对地观测与立体测绘的水平，这是一次中国测绘技术划时代的跨越。卫星获取的数据将在新型基础测绘、国土空间规划、资源调查监测、国土空间生态修复、地质矿产管理、海洋开发保护等方面发挥重要作用，破解或者补充目前传统光学遥感卫星难以解决的自然资源管理难题。

在自然资源卫星遥感云服务平台上，可以看到高分七号卫星拍摄的一幅幅油画般影像，画面有着超强的立体感，充分体现了高分七号卫星特有的立体测绘性能。随着高分七号卫星测绘影像产品、1∶1万基本测绘产品及专题产品生产能力的形成，卫星数据将在自然资源卫星遥感影像云服务平台基础上，依托自然资源体系省级国土卫星应用技术中心，形成面向自然资源系统的遥感应用体系。

据测算，高分七号卫星每年可获取全球1000万平方千米的有效数据，其中我国陆域有效覆盖面积将达到300万平方千米，连片覆盖100万平方千米。这些数据不仅为国内用户提供高质量服务，还可为“一带一路”沿线国家提供有力的空间信息支撑，对服务经济社会发展、服务于国家生态文明建设，以及国家治理体系和治理能力现代化，提升我国航天国际影响力具有重要意义。

高分七号拍回了“3D”美图，唐新明正在检测影像上的立体效果

那么，高分七号卫星“高”在哪里？又有哪些过人之处？什么时候可以实现1∶1万地形图全覆盖？高分七号卫星有了哪些应用？又将如何惠及世界人民？就此记者近日采访了高分七号卫星的设计者之一唐新明。

记者：人们将测绘卫星比喻成一把精确测量大地的尺子。意思是说，如果把以往其他通用遥感卫星比作米尺，那么高分七号就是一把精度可以达到0.1毫米的游标卡尺，能够高精度地测量地物平面位置和高度。请您介绍一下这颗高精度卫星“高”在哪里？

唐新明：高分七号卫星是国家高分辨率对地观测系统重大专项的重要组成部分，是我国首颗民用亚米级高分辨率光学立体测绘卫星。作为一颗测绘卫星，高分七号的主要任务是为地球做精细的表面详查并绘制成立体地图，我国以往卫星的测绘精度是1:5万比例尺，高分七号能实现1∶1万比例尺的立体测图。

为了“测绘功能”的特殊性，高分七号相机的设计不同于其它高分辨率相机，首次提出双线阵相机立体测图配以双波束激光测高的复合测绘体制，以实现1∶1万立体测图以及更大比例尺基础地理信息产品的更新。目前，高分七号卫星影像的无控定位精度7.2m，在激光高程控制点的辅助下，高分七号的高程精度可达到1.2m。而之前我国的立体测图卫星的无控定位精度在10～20m左右。

高分七号所谓的测图，也就是大众所说的能给地球拍摄“3D”大片，绘制立体图像。不知道你看没看过高分七号拍回的立体图像，影像分辨率达到0.65m，像油画般，地面的物体都看得非常清楚，机场停机坪上飞机清晰可见，连影子都看得清清楚楚。建筑物在地图上不再只是一个方格，而是一个个三维“模型”，不仅能够看到地面物体的色彩、大小，还能辨识高度，获取的地物高度信息和1∶5万比例尺相比，内容更丰富、表达更细腻。

高分七号配置的双线阵相机和激光测高仪，测高精度和定位精度是我国目前最高的，不仅能够拍出高清晰度的地表图片，还能明确图中每一个像素点的横竖坐标位置。因此，高分七号能够高效地绘制地面地形模型，甚至是城市三维模型，用途非常广泛。

记者：您是高分七号的主设计者之一，高分七号就像您养大的“孩子”，一定倾注了大量心血吧？请您介绍一下高分七号都攻克了哪些技术难点？取得了什么创新成果？

唐新明：高分七号卫星是高分系列卫星中测图精度要求最高、技术难度极大的科研型卫星。我们根据高分七号卫星和载荷，针对卫星姿态处理、双线阵相机检校、激光测高技术等，开展关键技术攻关，基本形成了高分七号卫星应用关键技术体系。

高分七号卫星研制过程中，遇到了很多技术难题。首先遇到的是设计难题。以相机为例，高分七号采用双线阵相机，顾名思义，就是两台线阵推扫成像相机，位置一前一后，前视26度和后视5度形成31度夹角，就是模仿了人类双眼看立体的功能。实际上，后视5度的相机还有一个功能，就是兼顾制作正射影像，这样就实现了平面和立体测图的双重功能。

由于前后视夹角不大，基高比只有0.67。由于基高比小，卫星立体测图的高程精度就难以保证。为了弥补这个不足，研发团队提出采用增加卫星激光测高仪的办法进行改善。据了解，高分七号可能是目前全球采用“两线阵相机+激光测高仪”方式实现1∶1万立体测图的唯一一颗卫星。从测试结果看，效果还不错。

卫星测绘对平面和高程精度要求都比较高，目前我国测绘卫星的设计一般是以丘陵地区的平面和高程精度为主要考核指标。在天地一体化设计时，我们除了进行理论分析和公式推导之外，还开展了仿真模拟。在具体设计过程中，我们开发了一套遥感卫星仿真模拟系统，包括模拟各种拍摄角度、多种分辨率拍摄的效果。例如，我们针对高分七号，模拟了0.8m分辨率、前视5度后视26度的多张卫星影像，并采用刘先林院士自主研发的JX4系统来测图，测完再去外业验证，看看设计的指标对不对、精度是多少等等。在卫星上天之前，我们要把所有的仿真设计工作做好。

卫星和平台的制造有很多环节，航天五院以及所属单位、中科院技物所等单位的研发人员也是一项项攻关。一是相机要零畸变；二是要做到相机的状态稳定；三是卫星平台的稳定；四是激光测高的稳定获取等等。经过中国航天科技集团、中国空间技术研究院、中科院上海技术物理研究所以及相关部门的精心研制，卫星和载荷的主要技术指标全部满足研制总要求，个别关键指标比设计提高了5倍左右，降低了后续的处理难度。

火箭气势磅礴地把卫星托举上天，但是如果卫星上安装的仪器设备零件出现了变形和移位，也将给卫星的高精度测图带来难题。这就需要通过地面几何检校来校准。事实上，卫星在地面的数据处理，大概有80%的难点都在这块——高精度几何检校。卫星距地球的距离为505千米，相当于从北京到济南的距离，卫星上1"的变化在地面就带来2.5米的误差，而10"、20"的变化是非常正常的。由于距离非常远，采用常规的摄影测量方法常常导致几何参数难以正确的分解，从而无法用于其它区域的影像校正，几何检校的难度极大。

最后一步就是合成。就是要让卫星达到要求的1∶1万测图精度。特别想强调的是，这只是光学几何检校，后面还有激光检校。

记者：激光检校技术也同样这么复杂吗？

唐新明：有些复杂。激光测高的目的是用于获取高精度的高程控制点。但激光测高仪本身也需要检校。高分七号卫星上安装了一台激光测高仪，每隔2.5千米会自动打一个点，我们把它作为高程控制点。后面还有道工序叫区域网平差，把这个点配置光线影像上，进行区域网平差，把立体影像的高程校准。

唐新明（后排右一）在内蒙古自治区苏尼特右旗检校场做激光检校

这两天我们正在内蒙古苏尼特右旗开展资源三号和高分七号两颗卫星的检校。

在检测现场，我们先在一个比较大的范围铺设一个激光探测器阵列。在卫星过境时，激光测高仪发出激光。激光打到地上是一个圆光斑，就像手电筒光柱打出去形成光斑一样。只要我们对卫星预测准确，地上铺设的探测器就能探测到。探测器一亮，就可以知道卫星的位置，反算推算出卫星探测器所在位置高度，由此可以求出精确高度。目前，激光测高精度在检校区域已经达到10cm，这实际上是了不起的一个成就。

随后，就可以用这个点做控制进行测图。1∶1万测图在丘陵地区的精度要求是1.5m，我们在平原地区对控制点的精度做到了10cm，丘陵大概是50cm。我们用激光高程控制点对立体影像进行校正，改善高程精度。目前，高分七号卫星条带影像的高程精度已经达到1.2m，这是在无任何地面控制的状态下实现的。假如地面有少量控制点，大概平面精度是0.6m，高程精度在0.5m左右；在无地面控制时，平面精度是7.2m，高程精度是1.2m。总体上，我们比较圆满地实现了卫星的设计指标。

记者：中国重庆市有一座“黄柳湾立交桥”，它被网友戏称为“一座让导航失灵的立交桥”，大桥上下一共5层，上桥后可以去往8个方向。经常有司机会在上面迷路，不知道选哪条路，哪个出口。由于导航地图中大多是平面图，上了高架后有些导航软件就会“迷糊”，无法判断汽车到底行驶在哪一层？今后，有了高分七号卫星的立体图后，导航就不会再失灵了吧？

唐新明：有了“高分七号”影像图做底图，导航会更加精确，在这样多层的公路桥上就可以区别应该往哪条公路上行驶，让你“看得清”路，因为，高分七号提供的是高精度的立体影像。

卫星遥感技术正在得到大量应用，这种立体遥感卫星影像更是有着实实在在的用处。比如利用三维影像，可以开展区域设计，看看哪里能建设水库，哪里修建大坝等等。

目前，全国正在开展第三次国土资源调查，而其中坡耕地的调查，若利用高分七号立体测图，可以把耕地的坡度计算得非常精确，耕地的坡度、走向、分布全部可以立体式呈现，直观形象、一目了然。除了耕地，林地、草地、建设用地等等的坡度全都可以计算，可服务于退耕还林、还草，以及湿地保护、自然保护区管理等多种应用。

立体测绘的用途其实非常广泛。比如，设计小区的时候必须考虑建筑物密度、高度，从而保证采光。以前需要复杂的设计手段。如果在三维地图上进行设计，就可以便捷地仿真现实情况，进行建筑高度和密度设计。再如未来的无人驾驶技术，需要对路况进行精准的计算和导航。什么时候上桥、爬坡，都需要精准的立体导航。再比如基础设施建设，有了立体数据，就可以算土方量，根据土方量测算出需要多少大型运输车等。此外，还可以用于废弃物堆放的计算，垃圾填埋清理等生态环境保护。

高分七号卫星在轨测试期间，对土地覆盖、地物要素识别、农作物种植面积计算、公路建设施工监测等方面的应用进行了验证。为助力今年5月的珠穆朗玛峰高程测量工作，陕西测绘地理信息局利用刚刚获取的高分七号卫星，绘制了珠峰地区的1∶1万比例尺地图，为登山队成功登顶提供了地形参考；在公路建设施工监测方面，卫星针对交通高边坡的设计及建设情况，利用多期影像对高边坡建设进展、边坡填挖方量等进行了识别和解译。下一阶段，卫星还将在全球地理信息获取和1∶1万测图等方面开展进一步的研究与应用。

随着高分七号的到来，这样的卫星遥感技术将有更广阔的用武之地，卫星遥感正成为国民经济各领域、各部门重要的数据和技术支撑，正改变着人们以往的工作模式，改变着人们的生活方式。用“上帝的视角”去发现，在太空中俯瞰大地，不仅站得高、望得远、看得清，而且还看得更明白。

记者：正如您所说，无论对国防安全还是经济社会发展，卫星遥感技术的作用日益凸显，这也改变了中国相关领域从国外大量购买卫星影像的被动局面，显现出很好的社会效益。

唐新明：以前我们没有测绘卫星，经济建设又离不开，只好依赖国外进口。我给您算个账：以现价测算，购买国外卫星数据170元/平方千米，它的影像分辨率比高分七号要高，为0.31m，高分七号是0.65m，但立体测图能力却没有高分七号强。若购买1000万平方千米遥感卫星数据，大概需要17亿元，相当于高分七号的建设成本，但这也只是覆盖了一遍国土的数据。现在我们已经具备了全球测图能力，全球陆地是1.49亿平方千米，您算算能省多少钱？更关键的是技术，钱可以买数据，技术是买不来的。重要的核心技术，一定要掌握在我们自己手中。

再以资源三号为例，2012年发射的“资源三号”卫星是我国首颗高精度民用立体测绘卫星，8年来已提供了超过2.5亿平方千米的数据，如果对标国外卫星，购买数据的价格大概为40元/平方千米，如果这么算的话，已经有100多亿元的收入。就是因为过去我们没有资源三号卫星，只能到国外购买。记得当年西部测图200万平方千米仅买数据就花了1亿元。再回到现实，1∶1万地形图目前实现了国土面积65%覆盖，剩下的35%空白区如果还要花钱购买国外卫星数据，花的钱可要比当年1∶5万比例尺地形图多得多，仍按大数1000万平方千米计算，仅此一项要花费近6亿元。

以资源三号卫星和高分七号卫星为标志的中国卫星测绘技术的重大突破，有效缓解了航天遥感影像数据获取的瓶颈。几十年来，我国卫星遥感技术从跟跑到并跑，数据应用也从依赖进口到自力更生，进而出口至发达国家和地区。我国的陆地遥感卫星体系正在建立，包括光学遥感卫星、高光谱卫星、干涉雷达卫星、激光测高卫星、重力测量卫星等等。

记者：我们已经具备1：1万测图能力。那么，1：1万比例尺地形图实现全覆盖是否可期？还需要等多长时间？

唐新明：我没有算过，按照目前现有的卫星来看，大概要七八年时间才能实现全覆盖。目前我们1：1万比例尺测图在精度上、技术上都已经没有问题，只等影像数据到来，问题是现在影像覆盖区域太少了，卫星影像的幅宽是20千米，从北向南一个条带一个条带获取，加上云雾的影响，难以连接成片，形成区域。

一般只有连成片区才能测图。理想状态是第一年能覆盖50%，第二年覆盖70%，第三年覆盖到80%，但是越往后全覆盖能力越弱，某些困难区域很难补。而如果只要覆盖90%的话，估计三年就够了。

我们也做过测算，一年可以覆盖300万平方千米，全国960万平方千米国土面积照此推算，三四年就能覆盖完成，问题就是连不成片，就难以测图。

今年自然资源部给我们下达了5万平方千米影像获取任务，希望能较好地完成。

记者：习近平主席9月22日在联合国大会一般性辩论上宣布，中国将设立联合国全球地理信息知识与创新中心，这不仅是世界人民的福音，也是我们地理信息领域的一件大事，您是怎么看的？

唐新明：这个事很有前瞻性，也恰逢其时。就自然资源部来说，我们卫星中心现在已经给全球38个国家推送资源三号卫星数据以及部分高分卫星2m分辨率影像，主要是免费向非盈利公益组织提供本国的数据。

目前，中国有高分七号、资源三号，还有一些其它高分遥感卫星，我们用这些卫星可以制作很多地理信息基础产品，为“一带一路”国家，为世界地理信息资源建设，为其他国家国民经济建设提供基础地理信息服务。也就是说，除了为我们自己服务，还可以为别的国家提供服务。我们有卫星，有技术，有能力帮助其他国家进行遥感应用，包括城市建设、国土资源调查、生态环境建设、矿产资源开发等等，农林水土城环灾测都能用得上。

其实，我们正在响应习总书记的号召，践行总书记的承诺。在科技部的支持下，卫星中心正在与老挝进行国际合作，用资源三号影像对老挝全境进行了测绘，完成老挝1∶5万的数字正射影像、数字高程模型生产，双方建立起密切的联系。去年，老挝发生水灾，我们的合作单位用无人机把溃坝的航空影像获取之后，把图送给他们，他们一下就知道了溃坝整体情况，表示非常感谢。实际上，我们的地理信息技术和能力，可以为很多国家提供帮助，体现我们的大国风采，为全球提供服务，让全世界人民享受中国的地理信息给他们带来的便利和美好生活。

记者：您希望未来我国测绘卫星、遥感卫星可以发展到什么程度？能测“扇贝”吗？

唐新明：先说精度和分辨率吧，我们正在规划5种陆地遥感卫星，希望光学卫星能做到1：5000甚至1：2000的精度，能看到车的天窗，看到窗户里摆放的鲜花，看到城市里的井盖，看到大楼的台阶；希望雷达卫星可以实现毫米级甚至亚毫米级的形变测量，让城市地铁施工、大坝形变、大桥形变都能测准。目前我们国家还没有一颗这样的差分干涉雷达卫星；希望激光测高卫星可以进行浅水地形测量，但目前的技术，我们还测不了水下扇贝。

全球地理信息资源建设、实景三维中国等许多工程都要用到立体测图，用到高分七号卫星。目前我们还有些压力，一是要全力保障卫星可用，保障卫星的精度。二是，高分七号的高精度影像处理还没有实现全部自动化，目前正在加紧测试和攻关，估计年底前可以完成。第三，国家准备再发射立体测绘卫星，不然一颗卫星的覆盖能力的确有限，我们还希望能多发几颗立体卫星，因为建设全球的知识和创新中心也离不开遥感影像。测绘遥感卫星是一个国家技术水平的发展标志。卫星测绘需要航天人和测绘人一起共同奋斗。经过8年的努力，高分七号从前期研究到在轨交付，中国实现了1∶1万立体测图技术的全面突破，高分七号的成功凝聚着航天工作者和测绘工作者集体的智慧，是中国航天事业和测绘事业的两个里程碑。在这里，感谢国家国防科工局、中国航天科技集团、中国科学院、教育部等多个部门以及部队、机关、院校和相关单位对高分七号卫星的大力支持，希望高分七号运行顺利，也祝愿我国的卫星测绘事业更加灿烂辉煌。

文 / 本刊特邀记者 徐红

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