1 SAR衛(wèi)星遙感：商業(yè)航天新藍海
合成孔徑雷達衛(wèi)星（Synthetic Aperture Radar, SAR, 下稱SAR衛(wèi)星）是一種主動式微波高分辨率對地觀測系統(tǒng)，具有全天時全天候觀測特性以及一定的地表穿透能力。由于SAR數據包含相位、極化、振幅、多頻等微波諸要素，使得SAR數據在災害應急、地形測繪、海洋監(jiān)測、農作物物候監(jiān)測以及國防軍事等方面具有獨特的應用優(yōu)勢，越來越受到世界各國的重視。
▲光學遙感衛(wèi)星與SAR衛(wèi)星對比
隨著商業(yè)航天時代到來，大量國內外初創(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。據報道，芬蘭明星雷達衛(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衛(wèi)星星座運營商；美國代表企業(yè)Capella Space總共獲得了8000萬美元的融資，已成功發(fā)射5顆SAR衛(wèi)星(見公眾號“36氪Pro研究”：商業(yè)小衛(wèi)星藍海：穿云透雨的雷達衛(wèi)星，中美商業(yè)航天競爭新焦點)，頗受美軍方青睞?？傮w來說，歐美企業(yè)引領新航天浪潮。相比于全球市場，中國SAR衛(wèi)星市場無論是上游衛(wèi)星運營，還是下游應用服務，都處于早期藍海階段。當前主要面臨三大痛點：
· 急需SAR數據支撐
· 急需SAR數據處理軟件
· 急需SAR應用云服務
經過市場調研，目前我國民用在軌運行SAR衛(wèi)星包括高分三號、海絲一號、齊魯一號等，數量十分有限，且不具備全球高精度立體測圖的能力，形變監(jiān)測等業(yè)務也無法有效開展。
國內大多數用戶更多的是下載歐空局開放共享的中低分辨率哨兵一號SAR數據，以及花費高價購置國外商用SAR數據，民用SAR數據嚴重稀缺。鑒于此，航天宏圖作為國內領先的衛(wèi)星運營與衛(wèi)星服務商，結合自身優(yōu)勢，提出建造國內首個分布式干涉SAR星座--航天宏圖一號SAR衛(wèi)星星座，采用1主3輔編隊飛行構型，建成后將有效緩解國內SAR數據資源稀缺現狀。
下游應用服務對SAR衛(wèi)星數據需求旺盛，但處理門檻較高、專業(yè)人員較少等問題，也困擾著下游應用的發(fā)展。目前主流處理SAR數據的軟件平臺大多為國外人員開發(fā)，其界面設計，功能使用更多的考慮外國人使用習慣，對初學者及國人不太友好。為此，航天宏圖開發(fā)了PIE-SAR軟件，旨在打造新一代，面向業(yè)務生產的國產自主可控SAR數據處理軟件平臺，讓SAR數據處理變簡單。
構建先進的國產PIE-Engine SAR云服務平臺
谷歌地球引擎（Google Earth Engine, GEE）引領全球海量遙感多源數據并行處理。為了打破GEE在此領域的壟斷地位，方便國人海量SAR遙感數據處理。航天宏圖開發(fā)了基于容器云技術構建的專業(yè)PaaS/SaaS遙感云計算服務平臺-PIE-Engine SAR。時空計算云服務采用微服務架構，利用分布式集群部署，可以實時、高效在線處理分析多源SAR遙感數據。
PIE-SAR是一款針對國內外主流星載SAR傳感器的數據處理分析軟件，提供圖形化操作界面。軟件采用工作流、組件插件式、多層和多模塊結構的設計思路，研制了星載SAR數據相關處理算法。針對不同行業(yè)用戶，提供專題應用。
PIE-SAR產品基于完全松耦合的底層架構設計，具有彈性可伸縮的體系結構，支持熱插拔式負載均衡，支持功能模塊可無縫擴展；產品研發(fā)采用標準C++技術，完全自主可控代碼，實現Windows、Linux以及國產操作系統(tǒng)的跨平臺支持。
提供靈活的桌面形式的人機交互SAR數據處理；并依托PIE-Engine遙感云服務平臺，根據應用需求，支持SAR影像處理流程編排、并行調度、任務管控，實現大規(guī)模SAR影像數據產品的快速自動化生產。
▲依托PIE-Engine實現SAR DOM并行生產
可視化交互界面，符合國人用戶習慣，操作簡單，非專業(yè)用戶可輕松使用。
· 地形復雜區(qū)SAR影像高精度無控定位技術
利用SAR模擬、幅度配準、SAR軌道改正技術，有效解決復雜山區(qū)既無法獲得準確的軌道狀態(tài)向量信息，同時又沒有額外的地面控制點的SAR定位難題。
· RD生成RPC技術
采用與地形無關的方式，利用嚴密的距離-多普勒模型（Range-Doppler，RD）構建虛擬控制點格網來進行RFM建模，實現了一種RFM模型參數的快速無偏解算新方法，能夠取得相對于RD模型很高的擬合精度，在幾何定位功能上實現了對RD模型的有效替代，同時大大提高了計算效率。
· 先進的多模態(tài)配準技術
實現異源、異時相、異分辨率影像間的高效高精度自動匹配。光學與SAR影像自動匹配，平原地區(qū)匹配精度1-2個像素，山區(qū)2-4個像素。
· SAR差分干涉技術的高精度DSM提取技術
可有效削弱解纏相位和外部DEM中隨機誤差對DSM提取結果的影響，實現4米標準差的DSM成果提取。
· 哨兵TOPS模式SAR數據精配準技術
通過解析哨兵TOPS格式數據文件、數據ramp估計與補償、EAP校正、基于DEM的精軌初始配準、Burst重疊區(qū)相位解纏、增強譜分集法（ESD）精配準等處理實現哨兵1號TOPS模式數據的配準精度達到千分之一像素。
· 時序形變監(jiān)測技術
研發(fā)星載SAR數據的影像配準、干涉對選取、批量差分干涉相位提取、小基線時序形變解算、永久散射體點提取、三角網絡構建、形變信息提取、時序結果分析等算法，形成 PS-InSAR及SBAS-InSAR時序形變監(jiān)測技術，實現毫米級的地表形變監(jiān)測。
數據解析方面，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）、以及近年來的GF-3、Sentinel-1、TH-02A/B、海絲一號、ICEYE等數據，將其解析成PIE-SAR軟件底層的通用數據格式。面對后續(xù)發(fā)射的SAR衛(wèi)星，PIE-SAR軟件會在第一時間對獲取的數據進行解析，支撐相關處理及應用。
2.3.2 大區(qū)域SAR DOM產品自動化處理解決方案
基于自動匹配、點位測量、區(qū)域網平差、正射校正、質量評價、無縫鑲嵌等功能，提供大區(qū)域SAR DOM產品自動化處理解決方案，實現大范圍SAR數據的聯(lián)合定位與應用。
針對公司項目任務及相關客戶需求，依托國產高分三號數據，在平地、丘陵、山地、高山地、沙漠弱紋理等地區(qū)進行了SAR平差及DOM生產試驗，正射校正精度在2個像素左右，滿足應用需求。
提供InSAR干涉對配準、干涉圖生成、平地相位去除、干涉圖濾波、軌道精化、相位解纏、相高轉換等通用的InSAR處理功能，實現自動化、批量DSM成果生產。并支持利用SAR影像模擬、SAR幅度配準、相位補償等SAR差分干涉測量技術，實現復雜山區(qū)的高精度DSM提取。
服務于多云、多霧、多雪區(qū)等區(qū)域的測繪制圖及應急監(jiān)測，并為我國已經發(fā)射的天繪-02A/B星，GF-3等進行InSAR地形測繪，提供軟件支撐；支持航天宏圖一號SAR衛(wèi)星進行全球高精度DSM、DEM產品生產。
2.3.4 支持D-InSAR及時序SAR形變監(jiān)測
支持差分干涉處理提取礦區(qū)及地震形變場，支持大區(qū)域形變監(jiān)測，服務于應急、減災等行業(yè)。
便捷的時序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數據的影像配準、干涉對選取、批量差分干涉相位提取、小基線時序形變解算、永久散射體點提取、三角網絡構建、形變信息提取、時序結果分析等功能，實現毫米級的地表形變監(jiān)測。
可應用于城市地下水抽取沉降監(jiān)測，城市建設（建筑物建設完成后的穩(wěn)定沉降）沉降監(jiān)測，線狀地物沉降監(jiān)測（鐵路、公路、地鐵（監(jiān)測地表形變）），礦區(qū)緩慢沉降監(jiān)測（開采前期與后期，廢棄期）、滑坡等地質災害的監(jiān)測等，廣泛應用于水利、電力、交通、應急減災等行業(yè)。
支持極化合成、極化矩陣轉換、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數據的全流程處理，實現對極化數據散射機理信息的深入分析。
PIE-SAR軟件瞄準解決實際而重大應用需求，注重實際需求與科學研究的行業(yè)應用開發(fā)，以及挖掘SAR蘊含的多維度信息如幅度、極化、相位相干性、多時相以及協(xié)同光學影像特有優(yōu)勢，讓SAR衛(wèi)星數據價值最大化。下面是利用PIE-SAR軟件制作的相關行業(yè)應用案例。
· 水體識別
復雜風況與大尺度場景下水體識別對于洪水災區(qū)分析，臺風災害監(jiān)測以及水資源（水庫，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、減災部、各地高分中心等單位。為洪澇災害水體提取快速提取，洪水漲勢以及淹沒情況的快速掌握，防汛抗洪工作的及時開展提供了必要、有效的技術支持。自動化提取精度達85%。
由于海岸帶活躍且脆弱，快速準確的監(jiān)測海岸線的動態(tài)變化對于海域的使用管理具有十分重要的意義。海岸線自動提取技術可用于海岸線變遷監(jiān)測、海岸帶濱海濕地監(jiān)測、海島監(jiān)測、圍填海監(jiān)測等。
艦船檢測有助于海事部門掌握海域動態(tài)，追蹤港口繁忙度，分析預測貿易趨勢變化對宏觀經濟走勢的影響。
下圖為今年青島爆發(fā)的綠潮災害監(jiān)測結果，為有關部門開展?jié)G苔綠潮聯(lián)防聯(lián)控工作提供支撐。
我們提供多種輸入方式（如單/雙/全極化，是否協(xié)同光學NDVI，以及單時相/多時相）的土壤水反演解決方案。對于農業(yè)抗旱具有重要作用。
森林是重要碳匯，消除非法毀林，有助于提高政府有關部門執(zhí)法督察科技水平，有效保護森林資源，實現巴黎目標。
下圖為選取委內瑞拉某地因亂礦導致的大規(guī)?？撤ド诒鳶AR時序監(jiān)測結果，監(jiān)測結果為森林不同砍伐時間編碼。
樹高是森林垂直結構的重要參數，與森林生物量和碳循環(huán)密切相關。PIE-SAR軟件利用多層感知神經網絡，可實現基于哨兵-1號數據的大尺度樹高估計，支撐森林資源經營管理等業(yè)務應用。
利用多時相哨兵SAR數據監(jiān)測新疆天山某地冰川濕雪范圍，掌握其時空變化信息對融雪徑流預報、區(qū)域氣候變化研究等有重要意義，也為政府部門應對氣候變化提供重要參考。
商業(yè)SAR市場已成為目前國際商業(yè)航天競爭的新焦點。面對當前國內市場SAR衛(wèi)星數據短缺，國產數據處理軟件平臺較少等現狀，航天宏圖一方面致力于構建航天宏圖一號分布式干涉SAR衛(wèi)星星座，夯實國產SAR數據底座；另一方面著力培育新一代國產SAR數據處理云服務生態(tài)，降低用戶數據處理門檻。隨著航天宏圖一號SAR衛(wèi)星星座的建成，我們將不斷加強與各行業(yè)需求的深度融合，基于自身數據與軟件服務平臺優(yōu)勢積極參與國家重大研發(fā)計劃申報，提升高校、科研院所與我司的產學研轉化水平，真正發(fā)揮SAR數據價值最大化，為客戶提供領先的一站式、全流程SAR應用服務。
感謝國家衛(wèi)星海洋應用中心、ESA提供的高分三號，哨兵一號數據。
