1?SAR衛(wèi)星遙感：商業(yè)航天新藍(lán)海

合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星（Synthetic Aperture Radar, SAR, 下稱SAR衛(wèi)星）是一種主動(dòng)式微波高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，具有全天時(shí)全天候觀測(cè)特性以及一定的地表穿透能力。由于SAR數(shù)據(jù)包含相位、極化、振幅、多頻等微波諸要素，使得SAR數(shù)據(jù)在災(zāi)害應(yīng)急、地形測(cè)繪、海洋監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物物候監(jiān)測(cè)以及國(guó)防軍事等方面具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。

▲光學(xué)遙感衛(wèi)星與SAR衛(wèi)星對(duì)比

隨著商業(yè)航天時(shí)代到來(lái)，大量國(guó)內(nèi)外初創(chuàng)公司涌入商業(yè)SAR賽道，SAR衛(wèi)星向小衛(wèi)星、低成本的方向發(fā)展。據(jù)報(bào)道，芬蘭明星雷達(dá)衛(wèi)星創(chuàng)企ICEYE籌集了1.52億美元的資金，在2020年9月完成了8700萬(wàn)美元的C輪融資，已成功發(fā)射14顆SAR衛(wèi)星，是目前世界上最大雷達(dá)衛(wèi)星星座運(yùn)營(yíng)商；美國(guó)代表企業(yè)Capella Space總共獲得了8000萬(wàn)美元的融資，已成功發(fā)射5顆SAR衛(wèi)星(見(jiàn)公眾號(hào)“36氪Pro研究”：商業(yè)小衛(wèi)星藍(lán)海：穿云透雨的雷達(dá)衛(wèi)星，中美商業(yè)航天競(jìng)爭(zhēng)新焦點(diǎn))，頗受美軍方青睞?？傮w來(lái)說(shuō)，歐美企業(yè)引領(lǐng)新航天浪潮。相比于全球市場(chǎng)，中國(guó)SAR衛(wèi)星市場(chǎng)無(wú)論是上游衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)，還是下游應(yīng)用服務(wù)，都處于早期藍(lán)海階段。當(dāng)前主要面臨三大痛點(diǎn)：

? 急需SAR數(shù)據(jù)支撐

??急需SAR數(shù)據(jù)處理軟件

? 急需SAR應(yīng)用云服務(wù)

航天宏圖一號(hào)SAR衛(wèi)星星座

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，目前我國(guó)民用在軌運(yùn)行SAR衛(wèi)星包括高分三號(hào)、海絲一號(hào)、齊魯一號(hào)等，數(shù)量十分有限，且不具備全球高精度立體測(cè)圖的能力，形變監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)也無(wú)法有效開(kāi)展。

國(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶更多的是下載歐空局開(kāi)放共享的中低分辨率哨兵一號(hào)SAR數(shù)據(jù)，以及花費(fèi)高價(jià)購(gòu)置國(guó)外商用SAR數(shù)據(jù)，民用SAR數(shù)據(jù)嚴(yán)重稀缺。鑒于此，航天宏圖作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)與衛(wèi)星服務(wù)商，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，提出建造國(guó)內(nèi)首個(gè)分布式干涉SAR星座--航天宏圖一號(hào)SAR衛(wèi)星星座，采用1主3輔編隊(duì)飛行構(gòu)型，建成后將有效緩解國(guó)內(nèi)SAR數(shù)據(jù)資源稀缺現(xiàn)狀。

▲航天宏圖一號(hào)SAR衛(wèi)星星座示例圖

開(kāi)發(fā)適合中國(guó)人使用的PIE-SAR軟件

下游應(yīng)用服務(wù)對(duì)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)需求旺盛，但處理門(mén)檻較高、專業(yè)人員較少等問(wèn)題，也困擾著下游應(yīng)用的發(fā)展。目前主流處理SAR數(shù)據(jù)的軟件平臺(tái)大多為國(guó)外人員開(kāi)發(fā)，其界面設(shè)計(jì)，功能使用更多的考慮外國(guó)人使用習(xí)慣，對(duì)初學(xué)者及國(guó)人不太友好。為此，航天宏圖開(kāi)發(fā)了PIE-SAR軟件，旨在打造新一代，面向業(yè)務(wù)生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)自主可控SAR數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)，讓SAR數(shù)據(jù)處理變簡(jiǎn)單。

構(gòu)建先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)PIE-Engine SAR云服務(wù)平臺(tái)

谷歌地球引擎（Google Earth Engine, GEE）引領(lǐng)全球海量遙感多源數(shù)據(jù)并行處理。為了打破GEE在此領(lǐng)域的壟斷地位，方便國(guó)人海量SAR遙感數(shù)據(jù)處理。航天宏圖開(kāi)發(fā)了基于容器云技術(shù)構(gòu)建的專業(yè)PaaS/SaaS遙感云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)-PIE-Engine SAR。時(shí)空計(jì)算云服務(wù)采用微服務(wù)架構(gòu)，利用分布式集群部署，可以實(shí)時(shí)、高效在線處理分析多源SAR遙感數(shù)據(jù)。

2PIE-SAR讓SAR處理變簡(jiǎn)單

2.1 PIE-SAR定位及特色

PIE-SAR是一款針對(duì)國(guó)內(nèi)外主流星載SAR傳感器的數(shù)據(jù)處理分析軟件，提供圖形化操作界面。軟件采用工作流、組件插件式、多層和多模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，研制了星載SAR數(shù)據(jù)相關(guān)處理算法。針對(duì)不同行業(yè)用戶，提供專題應(yīng)用。

??國(guó)產(chǎn)、自主可控

PIE-SAR產(chǎn)品基于完全松耦合的底層架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有彈性可伸縮的體系結(jié)構(gòu)，支持熱插拔式負(fù)載均衡，支持功能模塊可無(wú)縫擴(kuò)展；產(chǎn)品研發(fā)采用標(biāo)準(zhǔn)C++技術(shù)，完全自主可控代碼，實(shí)現(xiàn)Windows、Linux以及國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的跨平臺(tái)支持。

??支持桌面及云端并行處理

提供靈活的桌面形式的人機(jī)交互SAR數(shù)據(jù)處理；并依托PIE-Engine遙感云服務(wù)平臺(tái)，根據(jù)應(yīng)用需求，支持SAR影像處理流程編排、并行調(diào)度、任務(wù)管控，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模SAR影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品的快速自動(dòng)化生產(chǎn)。

▲依托PIE-Engine實(shí)現(xiàn)InSAR并行處理

▲依托PIE-Engine實(shí)現(xiàn)SAR DOM并行生產(chǎn)

??可視化界面、交互簡(jiǎn)單、處理門(mén)檻低

可視化交互界面，符合國(guó)人用戶習(xí)慣，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)用戶可輕松使用。

▲PIE-SAR軟件界面

2.2?PIE-SAR關(guān)鍵技術(shù)

??地形復(fù)雜區(qū)SAR影像高精度無(wú)控定位技術(shù)

利用SAR模擬、幅度配準(zhǔn)、SAR軌道改正技術(shù)，有效解決復(fù)雜山區(qū)既無(wú)法獲得準(zhǔn)確的軌道狀態(tài)向量信息，同時(shí)又沒(méi)有額外的地面控制點(diǎn)的SAR定位難題。

??RD生成RPC技術(shù)

采用與地形無(wú)關(guān)的方式，利用嚴(yán)密的距離-多普勒模型（Range-Doppler，RD）構(gòu)建虛擬控制點(diǎn)格網(wǎng)來(lái)進(jìn)行RFM建模，實(shí)現(xiàn)了一種RFM模型參數(shù)的快速無(wú)偏解算新方法，能夠取得相對(duì)于RD模型很高的擬合精度，在幾何定位功能上實(shí)現(xiàn)了對(duì)RD模型的有效替代，同時(shí)大大提高了計(jì)算效率。

??先進(jìn)的多模態(tài)配準(zhǔn)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)異源、異時(shí)相、異分辨率影像間的高效高精度自動(dòng)匹配。光學(xué)與SAR影像自動(dòng)匹配，平原地區(qū)匹配精度1-2個(gè)像素，山區(qū)2-4個(gè)像素。

??SAR差分干涉技術(shù)的高精度DSM提取技術(shù)

可有效削弱解纏相位和外部DEM中隨機(jī)誤差對(duì)DSM提取結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)4米標(biāo)準(zhǔn)差的DSM成果提取。

??哨兵TOPS模式SAR數(shù)據(jù)精配準(zhǔn)技術(shù)

通過(guò)解析哨兵TOPS格式數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)ramp估計(jì)與補(bǔ)償、EAP校正、基于DEM的精軌初始配準(zhǔn)、Burst重疊區(qū)相位解纏、增強(qiáng)譜分集法（ESD）精配準(zhǔn)等處理實(shí)現(xiàn)哨兵1號(hào)TOPS模式數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度達(dá)到千分之一像素。

??時(shí)序形變監(jiān)測(cè)技術(shù)

研發(fā)星載SAR數(shù)據(jù)的影像配準(zhǔn)、干涉對(duì)選取、批量差分干涉相位提取、小基線時(shí)序形變解算、永久散射體點(diǎn)提取、三角網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、形變信息提取、時(shí)序結(jié)果分析等算法，形成 PS-InSAR及SBAS-InSAR時(shí)序形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的地表形變監(jiān)測(cè)。

2.3?PIE-SAR能力介紹

2.3.1 星載SAR數(shù)據(jù)快速支撐能力

數(shù)據(jù)解析方面，已支持星載SAR一代（ERS1/2、ENVISAT ASAR、ALOS-1 PALSAR）、二代（TerraSAR-X、COSMO-SkyMed、Radarsat-2、ALOS-2 PALSAR）、以及近年來(lái)的GF-3、Sentinel-1、TH-02A/B、海絲一號(hào)、ICEYE等數(shù)據(jù)，將其解析成PIE-SAR軟件底層的通用數(shù)據(jù)格式。面對(duì)后續(xù)發(fā)射的SAR衛(wèi)星，PIE-SAR軟件會(huì)在第一時(shí)間對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，支撐相關(guān)處理及應(yīng)用。

2.3.2 大區(qū)域SAR DOM產(chǎn)品自動(dòng)化處理解決方案

基于自動(dòng)匹配、點(diǎn)位測(cè)量、區(qū)域網(wǎng)平差、正射校正、質(zhì)量評(píng)價(jià)、無(wú)縫鑲嵌等功能，提供大區(qū)域SAR DOM產(chǎn)品自動(dòng)化處理解決方案，實(shí)現(xiàn)大范圍SAR數(shù)據(jù)的聯(lián)合定位與應(yīng)用。

針對(duì)公司項(xiàng)目任務(wù)及相關(guān)客戶需求，依托國(guó)產(chǎn)高分三號(hào)數(shù)據(jù)，在平地、丘陵、山地、高山地、沙漠弱紋理等地區(qū)進(jìn)行了SAR平差及DOM生產(chǎn)試驗(yàn)，正射校正精度在2個(gè)像素左右，滿足應(yīng)用需求。

▲SAR平差及校正

2.3.3 一鍵式InSAR處理提取DSM

提供InSAR干涉對(duì)配準(zhǔn)、干涉圖生成、平地相位去除、干涉圖濾波、軌道精化、相位解纏、相高轉(zhuǎn)換等通用的InSAR處理功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、批量DSM成果生產(chǎn)。并支持利用SAR影像模擬、SAR幅度配準(zhǔn)、相位補(bǔ)償?shù)萐AR差分干涉測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜山區(qū)的高精度DSM提取。

服務(wù)于多云、多霧、多雪區(qū)等區(qū)域的測(cè)繪制圖及應(yīng)急監(jiān)測(cè)，并為我國(guó)已經(jīng)發(fā)射的天繪-02A/B星，GF-3等進(jìn)行InSAR地形測(cè)繪，提供軟件支撐；支持航天宏圖一號(hào)SAR衛(wèi)星進(jìn)行全球高精度DSM、DEM產(chǎn)品生產(chǎn)。

▲InSAR技術(shù)提取DSM

2.3.4 支持D-InSAR及時(shí)序SAR形變監(jiān)測(cè)

支持差分干涉處理提取礦區(qū)及地震形變場(chǎng)，支持大區(qū)域形變監(jiān)測(cè)，服務(wù)于應(yīng)急、減災(zāi)等行業(yè)。

▲D-InSAR技術(shù)提取形變場(chǎng)

便捷的時(shí)序SAR流程化處理與分析：提供Sentinel-1 A/B TOPS、TerraSAR-X、COSMO-SkyMed等多種星載SAR數(shù)據(jù)的影像配準(zhǔn)、干涉對(duì)選取、批量差分干涉相位提取、小基線時(shí)序形變解算、永久散射體點(diǎn)提取、三角網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、形變信息提取、時(shí)序結(jié)果分析等功能，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的地表形變監(jiān)測(cè)。

可應(yīng)用于城市地下水抽取沉降監(jiān)測(cè)，城市建設(shè)（建筑物建設(shè)完成后的穩(wěn)定沉降）沉降監(jiān)測(cè)，線狀地物沉降監(jiān)測(cè)（鐵路、公路、地鐵（監(jiān)測(cè)地表形變）），礦區(qū)緩慢沉降監(jiān)測(cè)（開(kāi)采前期與后期，廢棄期）、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)等，廣泛應(yīng)用于水利、電力、交通、應(yīng)急減災(zāi)等行業(yè)。

▲時(shí)序SAR形變監(jiān)測(cè)

2.3.1 極化SAR散射機(jī)理分析

支持極化合成、極化矩陣轉(zhuǎn)換、極化濾波、極化分解、極化特征提取、極化分割、極化分類等極化SAR數(shù)據(jù)的全流程處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)極化數(shù)據(jù)散射機(jī)理信息的深入分析。

▲極化SAR分析處理能力

2.3.2 行業(yè)專題應(yīng)用

PIE-SAR軟件瞄準(zhǔn)解決實(shí)際而重大應(yīng)用需求，注重實(shí)際需求與科學(xué)研究的行業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，以及挖掘SAR蘊(yùn)含的多維度信息如幅度、極化、相位相干性、多時(shí)相以及協(xié)同光學(xué)影像特有優(yōu)勢(shì)，讓SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)價(jià)值最大化。下面是利用PIE-SAR軟件制作的相關(guān)行業(yè)應(yīng)用案例。

??水體識(shí)別

復(fù)雜風(fēng)況與大尺度場(chǎng)景下水體識(shí)別對(duì)于洪水災(zāi)區(qū)分析，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)以及水資源（水庫(kù)，湖泊，濕地等）管理具有重要決策作用。

基于PIE-SAR的水體提取解決方案，已支撐20余家用戶，包括水利部、減災(zāi)部、各地高分中心等單位。為洪澇災(zāi)害水體提取快速提取，洪水漲勢(shì)以及淹沒(méi)情況的快速掌握，防汛抗洪工作的及時(shí)開(kāi)展提供了必要、有效的技術(shù)支持。自動(dòng)化提取精度達(dá)85%。

▲蘇北地區(qū)水體監(jiān)測(cè)

▲長(zhǎng)江中下游水體分布圖

??海洋目標(biāo)監(jiān)測(cè)

? ? ? ???海岸線監(jiān)測(cè)

由于海岸帶活躍且脆弱，快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)海岸線的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于海域的使用管理具有十分重要的意義。海岸線自動(dòng)提取技術(shù)可用于海岸線變遷監(jiān)測(cè)、海岸帶濱海濕地監(jiān)測(cè)、海島監(jiān)測(cè)、圍填海監(jiān)測(cè)等。

▲海岸線變化監(jiān)測(cè)

? ? ? ???艦船檢測(cè)

艦船檢測(cè)有助于海事部門(mén)掌握海域動(dòng)態(tài)，追蹤港口繁忙度，分析預(yù)測(cè)貿(mào)易趨勢(shì)變化對(duì)宏觀經(jīng)濟(jì)走勢(shì)的影響。

▲艦船檢測(cè)

? ? ? ???綠潮監(jiān)測(cè)

下圖為今年青島爆發(fā)的綠潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)結(jié)果，為有關(guān)部門(mén)開(kāi)展?jié)G苔綠潮聯(lián)防聯(lián)控工作提供支撐。

▲青島綠潮監(jiān)測(cè)

??土壤水反演

我們提供多種輸入方式（如單/雙/全極化，是否協(xié)同光學(xué)NDVI，以及單時(shí)相/多時(shí)相）的土壤水反演解決方案。對(duì)于農(nóng)業(yè)抗旱具有重要作用。

▲樹(shù)高估計(jì)

??非法毀林

森林是重要碳匯，消除非法毀林，有助于提高政府有關(guān)部門(mén)執(zhí)法督察科技水平，有效保護(hù)森林資源，實(shí)現(xiàn)巴黎目標(biāo)。

下圖為選取委內(nèi)瑞拉某地因亂礦導(dǎo)致的大規(guī)?？撤ド诒鳶AR時(shí)序監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)結(jié)果為森林不同砍伐時(shí)間編碼。

▲委內(nèi)瑞拉非法毀林

??樹(shù)高估計(jì)

樹(shù)高是森林垂直結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，與森林生物量和碳循環(huán)密切相關(guān)。PIE-SAR軟件利用多層感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)基于哨兵-1號(hào)數(shù)據(jù)的大尺度樹(shù)高估計(jì)，支撐森林資源經(jīng)營(yíng)管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

▲樹(shù)高估計(jì)

??濕雪監(jiān)測(cè)?

利用多時(shí)相哨兵SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)新疆天山某地冰川濕雪范圍，掌握其時(shí)空變化信息對(duì)融雪徑流預(yù)報(bào)、區(qū)域氣候變化研究等有重要意義，也為政府部門(mén)應(yīng)對(duì)氣候變化提供重要參考。

▲新疆天山某地冰川濕雪監(jiān)測(cè)

3 結(jié)語(yǔ)

商業(yè)SAR市場(chǎng)已成為目前國(guó)際商業(yè)航天競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)。面對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)短缺，國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)處理軟件平臺(tái)較少等現(xiàn)狀，航天宏圖一方面致力于構(gòu)建航天宏圖一號(hào)分布式干涉SAR衛(wèi)星星座，夯實(shí)國(guó)產(chǎn)SAR數(shù)據(jù)底座；另一方面著力培育新一代國(guó)產(chǎn)SAR數(shù)據(jù)處理云服務(wù)生態(tài)，降低用戶數(shù)據(jù)處理門(mén)檻。隨著航天宏圖一號(hào)SAR衛(wèi)星星座的建成，我們將不斷加強(qiáng)與各行業(yè)需求的深度融合，基于自身數(shù)據(jù)與軟件服務(wù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)積極參與國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃申報(bào)，提升高校、科研院所與我司的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化水平，真正發(fā)揮SAR數(shù)據(jù)價(jià)值最大化，為客戶提供領(lǐng)先的一站式、全流程SAR應(yīng)用服務(wù)。

感謝國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心、ESA提供的高分三號(hào)，哨兵一號(hào)數(shù)據(jù)。