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唐新明:给地球拍摄3D大片

2020-12-29 14:46:28    来源: 中国自然资源报    作者:乔思伟

在高分辨率测绘卫星建设中,自然资源部国土卫星遥感应用中心总工程师唐新明带领他的团队突破航天摄影测量的一系列核心技术瓶颈,建立了高精度光学卫星立体测图理论和技术体系,推动了我国航天测绘的关键技术创新。以资源三号、高分七号为标志的中国卫星测绘技术的重大突破和融合应用,正持续推动着自然资源领域的效率变革。

自然资源部国土卫星遥感应用中心总工程师唐新明,是资源三号卫星工程应用系统总设计师、高分专项应用系统副总设计师。他和他的团队在摄影测量与航天测绘方面的探索突破,使我国卫星测绘能力实现两次阶梯式跨越,精度和质量达到国际前列。

“测绘卫星要在新型基础测绘、自然资源调查监测、国土空间规划、生态修复、地质矿产及海洋开发保护等方面发挥重要作用,破解传统光学遥感卫星难以解决的自然资源管理难题。”唐新明说,这是当代测绘人的初心和使命。

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2016年8月,唐新明(右二)率领团队在内蒙古进行资源三号02星第一次激光在轨检校。资料图片

从1∶5万到1∶1万精确测量大地

民用高分辨率测绘卫星就位之前,我国卫星影像定位精度和影像质量不高。其定位误差有时甚至超过1公里,常常需要数十个甚至上百个控制点,才能进行较高精度的平面纠正。为此,我国不得不花巨资长期、大量采购国外卫星数据进行测图。

“国产高精度卫星数据获取与处理技术,一度是制约我国测绘和地理信息发展的最大瓶颈。”唐新明说,卫星测图是当代测绘科技发展的必然趋势,是测绘事业发展乃至国家安全的迫切需求,要以国家需要为科研导向,将测绘科学与航天等其他科学结合,突破成规开拓创新。

2008年,资源三号卫星工程正式立项,唐新明团队立足航天摄影测量的技术前沿,突破了高分辨率立体测图卫星从总体技术指标设计到几何检校以及立体测图等一系列技术难题。资源三号卫星影像比原来国产资源卫星的直接定位精度提高了近百倍,产品可全面满足1∶5万和1∶2.5万立体测图精度要求,终结了我国遥感卫星难以测图的历史。“国产卫星测绘实现了‘从无到好’的技术跨越,是我国测绘行业技术进步的划时代标志。”当时测绘业界如此评价。

资源三号数据的应用,实现了我国1∶5万测绘从依赖国外卫星到使用国产卫星的根本性变革,使国外同类卫星产品的价格在国内下降一半以上,据此测算,多年来为国内应用机构节省上百亿元人民币。

2020年,随着高分七号的入列,我国卫星立体测图比例尺跨入1∶1万,精度达到亚米级。在自然资源卫星遥感云服务平台上,高分七号拍摄的一幅幅影像有着油画般的立体感,影像分辨率达到0.65米,建筑物在地图上不再只是一个方格,而是一个个“三维模型”,获取的地物信息和1∶5万比例尺相比,内容更丰富、表达更细腻。

“我们利用高分七号卫星绘制珠穆朗玛峰地区的1∶1万比例尺地图,及时为2020珠峰高程测量登顶提供了地形参考。”唐新明说。

关键核心技术实现自主可控

高精度几何检校是卫星能否测图的前提,这是国外不公开的核心技术。

以前,资源一号无控制点定位精度是1公里,资源二号无控制点定位精度达到200米,而当时国外同类卫星无控制点定位精度在10米以内。资源三号卫星工程攻关时,唐新明团队提出了天地一体化几何检校技术和几何检校场建设方案,研制了高分辨率光学遥感卫星的几何检校系统,创新建立了国内最高精度的成像几何模型,实现了测绘卫星的高精度事后定姿和定轨,影像直接定位精度达10米以内。

高分七号的创新在资源三号基础上更上层楼,经过8年努力,实现了1∶1万立体测图技术的全面突破。“高分七号,在高分系列中也是测图精度要求最高、技术难度极大的科研型卫星。”唐新明团队根据卫星和载荷,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。

聚焦测绘功能特殊性,高分七号首次采用“双线阵相机立体测图+双波束激光测高”的复合体制。两台线阵推扫成像相机前后形成夹角,模拟动物双眼立体视觉功能,叠加激光测高仪进行改善。在无地面控制点条件下,高分七号卫星的平面精度达到7.2米, 高程精度达到1.2米,在少量控制点的情况下,卫星测绘的平面和高程均可达到0.5米。“激光测高精度在检校区域达到0.1米,这是一个了不起的成就,与国外先进的激光测高卫星精度相当。”唐新明介绍。

“三调”中对坡耕地的调查,利用高分七号立体测图可将坡度计算得非常精确,走向、分布立体式呈现,一目了然。此外,在农作物种植面积计算、地物要素识别、退耕还林还草、自然保护区管理方面,高分七号同样可以大显身手。

3D大片的应用推动效率变革

近年来,资源三号星座有力保证了我国高分辨率立体测绘数据长期稳定获取,已经在自然资源、生态环境、交通水利、防灾减灾等十几个行业进行着工程化、业务化应用,完成5亿平方公里的影像和地形等三维立体数据,应用单位2000多家,相关产品为全国300多个省市县节点提供了软件和数据一体化解决方案。

“科技创新从来没有像今天这样深刻影响着测绘领域,从来没有像今天这样深刻影响着自然资源事业。”唐新明说,现代测绘作为履行自然资源“两统一”核心职能的基础,以“鼎新”带动“革故”,创新每上一个台阶,就会产生裂变式的效能,为治理体系和治理能力现代化作出贡献。

高分辨率航天测绘,业界形象地比作给地球拍摄3D大片,当下的重头戏就是建设实景三维中国,以更好地服务经济社会发展、生态文明建设。同时,相关测绘技术广泛应用,与自然资源调查监测、国土空间规划技术融合,正不断优化自然资源管理“兵力”配置,自然资源督察执法中各专项整治有了“天眼”加持,才能切实做到早发现、早制止、严查处,提高管理效能。

高分辨率卫星测绘还将推动地信产业发展,如以高分七号影像做底图对路况进行精准计算,可用于高精度的导航电子地图制作和更新。利用三维影像支撑开展各专项规划,水库、道路等基础设施有了立体数据,工程测算更加高效……国民经济各领域的应用,将深刻改变社会生活。

唐新明介绍,卫星测绘极大增强了我国独立获取与处理全地表范围的高精度影像的能力。同时,我国正在为“一带一路”沿线国家提供有力的空间信息支撑,资源三号数据和部分高分卫星2米分辨率影像已向40多个国家常态化提供,产品将进一步为世界地理信息资源建设服务。

“当然,新时代基础的测绘技术和应用还要直面许多问题。”唐新明说,如在卫星测图规模化应用中,还需继续优化标准体系、数据集成,持续扩大社会化服务领域,让国内、国际有关产业持续发生“化学反应”。而这也正是唐新明和他的团队今后努力的方向。

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