- 【光明日報】航空遙感：重裝上陣 跨越山海
- 來源：光明日報 發表于 2023/8/30
往期回顧
第 408 期
(2023-08-22)
珠穆朗瑪峰遙感圖像。圖片由空天院提供
八一冰川遙感圖像。圖片由空天院提供
圖片由空天院提供
遙感如今已經成為人們比較熟悉的科學技術，但很多人不太清楚，遙感也分為航空遙感和航天遙感。簡單地說，航空遙感是用飛機，航天遙感則是用衛星。它們是對地觀測系統的兩大支柱，兩者不可替代、相互補充。其中，航空遙感具有機動靈活、觀測量豐富、觀測載荷種類多、響應時間短等優勢，是區域高分辨率獲取數據的重要來源，也是眾多載荷走向航天的必由之路。
航空遙感，方興未艾，不可替代
航空遙感，不僅能“看”到，還能幫助科學家們“透視”——2023年3月至5月期間，作為我國第二次青藏高原綜合科學考察研究和民用P波段合成孔徑雷達（SAR）衛星科學論證計劃的重要組成部分，中國科學院等相關院所在青海省八一冰川地區組織實施聯合航空遙感科學實驗，對解決冰川厚度遙感監測難題、突破冰儲量估算瓶頸、引領下一代冰凍圈遙感技術具有重大意義。
這一實驗即基于由中國科學院空天信息創新研究院（空天院）所屬中國科學院航空遙感中心建設與運行的國家重大科技基礎設施——航空遙感系統開展。
航空遙感系統，就是把多種對地觀測載荷單/同時集成在一架飛機上，通過航空飛行來實現對地觀測。與所有的遙感系統相似，航空遙感系統也包括飛行平臺、載荷（遙感器）、接收、處理和應用各子系統所組成。其中，航空遙感飛行平臺即航空遙感飛機，載荷則包括可搭載于航空遙感飛機上的多種類型的光學與微波載荷，以及一系列地面定標設備。此外，航空遙感系統還包括儲存、處理多源數據融合的綜合處理和管理系統，可存儲、處理和分析海量航空遙感數據。
與衛星遙感相比，航空遙感具有分辨率高、觀測量豐富、載荷配置靈活、響應時間短等獨特優勢，是區域高分辨率多源遙感數據的最重要來源。例如，航空遙感可以根據特定任務的需求進行靈活配置和定制，可以選擇適當的載荷、平臺和飛行參數，以滿足特定區域、時間和任務的需求，這種靈活性使航空遙感在特定研究和應用領域具有較大優勢。又如，相對于衛星遙感，可以根據需要在特定時間段內進行多頻次觀測，這對于環境監測、災害評估和農作物生長監測等應用非常有價值。
當然，航空遙感也有自身局限性，例如單架次成本高、覆蓋范圍有限、無法實現全球連續監測等。因此，航空遙感和衛星遙感常需搭配使用，需要綜合考慮研究或應用的需求、可用的資源和預算以及目標區域的特點，選擇適合的遙感數據獲取方式。
兩代系統，從引進到自主研發
目前，空天院擁有4架遙感飛機，均可適裝不同類型的載荷開展各類對地觀測與試驗。它們也構成了我國兩代航空遙感系統的建設典范。
其中，我國第一代航空遙感系統的飛行平臺為獎狀遙感飛機，于1986年引進，為美國塞斯納公司citation 550 II型小型公務飛機，最大升限13000米，最大航程3300千米，最高航速746千米/小時，可以保障科研人員在萬米高空、青藏高原、南海深處、沙漠腹地等環境開展科學試驗。兩架獎狀遙感飛機投入運行后，航空遙感中心組織了國內20多家科研單位聯合攻關，經過多年努力，以遙感飛機為高空平臺，集成了包括可見光、近紅外、熱紅外和微波波段等在內的多套傳感器，從而構成中國第一套也是當時最先進和規模最大的航空遙感系統，該系統于1993年獲中國科學院科學技術進步獎特等獎。
進入新世紀后，隨著我國經濟社會高速發展，建設具有多載荷裝載能力和協同作業能力的大型航空遙感平臺、實現多種類傳感器同時、同一區域的聯合觀測，成為國家之急需。2010年，國家發展改革委批復立項、空天院建設和運行的航空遙感系統國家重大科技基礎設施項目開工建設，主要建設內容包括新舟60高性能航空遙感飛行平臺、先進的信息獲取系統、數據處理與管理系統等。2021年7月，基于新舟60遙感飛行平臺的新一代航空遙感系統建成并通過國家驗收。這是我國第一個綜合性的國家航空遙感系統，技術復雜、研制難度大、創新性強，屬國內開創性工作，打破了國外對我國遙感設備和飛行平臺的技術封鎖，突破了遙感平臺、對地觀測載荷、數據綜合處理等關鍵技術，實現了我國大型航空遙感平臺和系統從無到有的跨越，是我國目前綜合能力最強的航空遙感平臺和科學實驗平臺，其綜合性能與美國、德國等先進航空遙感系統相當，整體技術居國內領先、國際先進水平。
“空中變形金剛”，改裝與迭代突破
航空飛行平臺是航空遙感系統的重要組成部分，為觀測者提供了宏觀和廣闊的視角。改裝水平則是體現其技術水平的關鍵之一。
改裝后的獎狀遙感飛機能夠同時提供密封、非密封環境，可以分別裝載多/高光譜、激光雷達、熱紅外、微波、大氣等多種傳感器。
其中，獎狀遙感飛機1號機開設的是光學窗口，這既要求改裝窗口具有足夠大的尺寸，又要確保窗口玻璃具有優良、穩定的光波透過率。除對地觀測，還可能同步采集機艙外部空氣，因此需在機身上再開設大氣聯通采樣窗口；另外還有些設備必須安裝在非密封環境。為了滿足這些需求，工程人員在1號機機身上開設了包含1處非密封艙在內的7處試驗窗口。獎狀遙感飛機2號機除具有與1號機基本相同的大部分光學改裝窗口外，同時可在機艙內外同時裝載微波遙感設備，包括機腹可掛載不超過100千克的機外設備。在機艙外掛載設備會改變飛機的氣動外形，對飛機飛行安全產生直接影響，是件非常敏感的重大事件，也體現了航空遙感系統建設的工程和關鍵技術水平。
新建成的新一代國家級航空遙感系統中，新舟60遙感飛機由中航西飛民用飛機有限責任公司研制、生產，具有中國自主知識產權，也是在國內外航線上唯一批量投入商業運行的國產渦槳支線客機。該機型裝載能力強、綜合性能優、可改裝條件好，是大型航空遙感系統的理想飛行平臺。
針對項目要求，研究人員提出了“一機七種適航構型”技術方案，并突破了飛機多外掛物氣動布局、艙外多掛點和機體連續大開口飛機結構設計、復雜任務設備集成試飛與適航審定等關鍵技術，于2016年12月實現首飛，2018年12月、2019年12月先后完成2架飛機的交付。經過試運行，最終支持全系統完成了綜合集成、指標驗證、驗收測試等，建成了具有7種適航構型、18個對地觀測窗口的先進遙感飛機，填補了國內具有長航程、多功能、多觀測窗口的中大型航空遙感飛機研制空白以及一系列國內民機研制的技術空白，成為國內綜合能力最強的航空遙感平臺和科學實驗平臺。新舟60遙感飛機也因“一機七構型”的改造被稱為“空中變形金剛”，可以滿足光學、微波、激光、紅外等多達5-6種載荷同時安裝，數據協同獲取、記錄、處理、傳輸等環節同步工作及多名操作人員同時工作的空間要求。
空中實驗室，深度應用，未來可期
無論是基于獎狀遙感飛機的第一代航空遙感系統，還是基于新舟60的新一代國家航空遙感系統，在不同時期均發揮了重要作用，并在科學研究、農業農村、生態環境、自然資源、國土測繪和應急減災等行業和領域得到了深入廣泛的應用。
已運行近40年、基于獎狀遙感飛機的航空遙感系統，充分發揮其平臺高空、高原飛行上的性能優勢，完成了國家交付的資源探測、對地科學試驗、應急救援等各類型重大任務，飛行足跡西抵帕米爾高原、東到黑河流域、北至阿爾泰山和漠河、南達南海三沙，除臺灣、澳門外，遍布全國各省市自治區。應急救援方面，多次沖在應急救援第一線，曾連續對1989年湖北荊江洪水、1990年淮河洪水、1991年太湖地區洪災、1998年長江流域特大洪水、2003年淮河流域特大洪水等進行應急飛行，并深度參與了2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2013年蘆山地震的應急監測。在科學研究方面，曾先后8次進入西藏高原飛行作業，完成珠穆朗瑪峰、唐古拉山地區、雅魯藏布江、拉薩河、年楚河流域及拉薩市等遙感飛行，為全球氣候變化研究提供了大批寶貴的科學數據。它們也是我國空間科學研究的主力平臺之一，對研制新型航空、航天儀器的各項性能指標進行逐項驗證與試驗，為空間信息技術發展作出了重要貢獻。
基于新舟60遙感飛機的新一代航空遙感系統投入運行兩年以來，促進了我國遙感設備的技術創新、遙感應用的領域拓展，以及遙感產業的轉型升級，取得了多個“國內首次”的應用成效。其中，在農業方面，為“高標準基本農田建設”“黑土地保護性耕作行動計劃”等國家重要工程提供了高分辨率航空遙感數據，這也是國內首次基于遙感手段實現秸稈覆蓋保護性耕種監測，首次實現了對機井、林網等高標準農田骨干設施監測。應急減災方面，首次綜合利用同區域光學和SAR數據實現了房屋等承災體高精度識別，實現了水體與洪澇災害隱患高精度提取和調查。國土資源方面，2021年開展自然資源全要素監測，基于多維度SAR數據形成了區域自然資源全要素監測應用技術流程，面積精度和最小監測圖斑實現了數量級提升。在基礎研究方面，通過共享應用航空遙感數據集，有效提升了基于航空遙感數據算法模型的精度和魯棒性，有力地支撐了遙感先進算法模型的重構和優化。
未來，空天院將基于航空遙感系統國家級空中實驗室，進一步面向國家重大需求和遙感科技基礎前沿重大科學觀測需求，突破有人機和無人機等多航空平臺組網、多種類新型探測載荷分布式協同探測等重大關鍵技術，實現立體、透視、精準和智能觀測與應用能力，積極推動航空遙感技術發展和體系化建設，不斷引領我國航空遙感技術與應用的階躍發展。
（作者：潘潔、朱金彪、楊宏，分別系空天院正高級工程師，正高級工程師、高級工程師；李儒、趙海濤對此文亦有貢獻。）
（原載于《光明日報》 2023-08-17 16版）
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