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水利遥感卫星应用星座构建与应用研究
Construction and application research of water resources remote sensing satellite constellation
钱峰¹，付静¹，陈德清¹，崔倩¹，李晶¹，熊龙海²，王赛¹，杨燈¹
（1.水利部信息中心，100053，北京；2.水利部珠江水利委员会珠江水利科学研究院，510610，广州）
摘要：卫星遥感是构建数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系的重要组成部分，是进行“天基”监测感知的主要路径，是数字孪生平台数据底板建设的重要手段。按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，总结了卫星遥感技术在水利行业的应用现状及成效，分析认为现有遥感卫星存在卫星数据资源有待拓展、卫星数据综合协同高效运用能力有待提升、面向水利特色需求的卫星严重不足等问题和短板，提出了水利遥感卫星应用星座的概念及框架，从空间段、地面段、应用段3个方面阐述了星座构建的实施路径，包括卫星资源拓展、协同调度优化、管理系统构建、业务产品生产和服务能力提升等内容，为水利遥感卫星应用星座构建提供理论参考与实践指导。通过推动水利遥感卫星应用星座在实际水利业务中的广泛应用，提升实时监测与预警能力，增强应急响应与协同作业的高效性，促进数据共享与业务协同。
关键词：水利遥感；应用星座；数字孪生水利；遥感技术；实施路径
作者简介： 钱峰，副主任，正高级工程师，主要研究方向为水利信息化。
通信作者： 陈德清，正高级工程师，主要研究方向为水利信息化。E-mail：chendq@mwr.gov.cn
基金项目： 国家重点研发计划项目（2022YFC3002901）。
DOI： 10.3969/j.issn.1000-1123.2025.01.003
推进数字孪生水利建设是发展水利新质生产力和推动水利高质量发展、保障我国水安全的重要路径。卫星遥感是构建“天空地水工”一体化监测感知体系的重要组成部分，是数字孪生水利数据底板的重要支撑。2024年7月，水利部出台《数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动方案（2024—2026年）》，明确提出要加快构建“水利遥感卫星应用星座”。
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卫星遥感技术在水利行业应用现状
近年来，水利部利用卫星遥感技术覆盖范围广、观测频次高、监测要素多等优势，不断探索和深化其在多个水利重要业务领域的应用，取得明显成效。
在水旱灾害防御方面， 2013年以来，多次利用卫星遥感技术在洪水发生期间开展洪水淹没范围、工程险情、堰塞湖、蓄滞洪区等应急监测，为防汛会商和调度决策提供有力支撑。2023年海河“23·7”流域性特大洪水期间，国产系列卫星连续56天跟踪监测东淀等蓄滞洪区洪水情势，有效验证了二维水动力学模型计算预测的洪水演进结果；2024年湖南省岳阳市华容县团洲垸洞庭湖堤防决口期间，首次以小时级频次开展淹没区监测，为防汛会商提供了有力数据支持。
在水资源管理与调配方面， 卫星遥感技术能够提供及时、准确的水资源信息，支持水资源管理决策。
在农业灌溉用水监测方面， 利用多源卫星遥感影像与地面数据协同，提出田间尺度实际灌溉面积监测方法，为农业灌溉用水的合理分配和高效利用提供科学依据。例如，2022年以来在新疆、内蒙古等地开展实际灌溉面积监测，支撑农业灌溉用水量监管和违规取用水问题线索发现。
在河湖监管方面， 2019年以来，通过人工智能识别结合人工研判遥感影像，解译全国3.96万条（个、座）河湖库管理范围内133万余个地物遥感图斑并开展全覆盖核查，支撑清理整治河湖库“四乱”（乱占、乱采、乱堆、乱建）问题约20万个。
在水土保持监测监管方面， 利用2m陆域全覆盖遥感影像支撑全国水土流失年度动态监测和生产建设项目水土保持遥感监管，及时发现并依法依规查处有关违法违规行为。
在数字孪生水利建设方面， 支持多卫星、多时相、高分辨率遥感影像产品的生产，以及试点区数字高程模型的建立，有力支撑了数据底板构建。
在水利工程安全监测方面， 利用高分辨率卫星影像，结合光谱、纹理及形状特征分析与智能分类算法，综合监测水利工程施工区域的地表环境变化。通过人工解译与专家评估，分析大坝、溢洪道等关键水工建筑物形态，及时发现施工滞后问题。
在大江大河大湖生态保护与治理方面， 2018年以来，利用卫星遥感技术开展华北地区实施生态补水河湖的有水河长、水面面积监测，支撑京杭大运河全线贯通、永定河与西辽河水量调度以及母亲河复苏成效监测。
在高原冰湖监测方面， 在高海拔地区，冰湖的稳定性和安全性对周边居民及生态环境至关重要。通过卫星遥感的高光谱成像技术，可以精确测量冰湖表面的反射率、温度及冰层厚度，结合时间序列分析，预测冰湖溃决风险，为灾害预警提供科学依据。
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存在的问题和短板
现有遥感卫星在部分水利业务领域应用取得较好成效，但与发展水利新质生产力的高科技、高效能、高质量要求相比，与数字孪生水利“2+N”智能业务应用需求相比，在卫星资源、监测要素、传输存储处理效能、时效性、协同性、智能化等方面仍存在突出问题和短板，主要体现在以下3个方面。
1.卫星数据资源有待拓展
一是亟须拓展亚米级光学遥感影像资源获取渠道。 该类数据主要用于支撑河湖、水土保持、水利工程等业务对象的精细化监测监管。现有亚米级公益性卫星无法实现全国陆域年度覆盖，更难以满足季度或月度变化监测需求。
二是亟须增加高分辨率立体测图类卫星数据资源。 该类数据主要用于地形数据生产，支撑数字孪生水利可视化场景构建。目前仅1颗公益类卫星（高分七号）能够用于立体测绘，覆盖能力有限，难以满足业务需求。
三是重力卫星数据在地下水储量变化监测中业务化程度不高。 目前国外重力卫星数据时效性低，国产重力卫星数据获取渠道尚未打通，受限于数据源与产品反演精度，重力卫星数据仅在华北和西北部分地区用于开展地下水储量变化监测研究，尚未在地下水监测中实现业务化应用。
四是应急条件下可调度利用的合成孔径雷达（SAR）卫星资源不足， 当发生大范围、多点位灾害时，现有公益性卫星资源覆盖能力、观测频次均受限。
2.卫星数据综合协同高效运用能力有待提升
一是缺乏卫星任务规划与资源调度机制 。在应急和常规情况下，多处于数据被动接收状态，未能根据业务需求主动规划卫星任务。
二是缺乏部级/行业层面的资源需求统一出口及高级别战略合作。 现有水利需求较为零散，行业需求的优先级需得到更高层次的重视与提升。
3.面向水利特色需求的卫星严重不足
水利业务涉及广泛而复杂的自然与社会系统，包括水文循环、水动力模拟、洪水预警、干旱监测、水资源管理、河湖水域岸线空间管控、水利工程监管、水土保持监管等多个方面。这些业务对卫星数据的需求各有其针对性，如洪水预警需要实时、高分辨率的降雨和地表水体变化数据；干旱监测则需要长时间序列的土壤湿度和植被生长状况数据。然而，现有公益性卫星大多针对通用性遥感观测任务，很难全面满足水利业务开展所需参数的波段、频次等专有需求。
为解决上述问题，深入推进遥感卫星在水利业务中的应用，亟须构建水利遥感卫星应用星座。
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水利遥感卫星应用星座概念及框架
1.概念
水利部信息中心卫星遥感应用中心团队经过对国内外遥感卫星星座的调查研究，结合业务应用需求分析和实践，提出了水利遥感卫星应用星座的概念。水利遥感卫星应用星座是指以水利业务需求和应用为驱动，通过对多来源卫星、多类传感器、多级轨道高度、多时空分辨率组合的遥感卫星进行有机组织调度，实现对单（多）目标或区域进行一次或连续观测，融合海量遥感数据快速处理、水利对象智能提取、地表参量高精度反演等技术，加工生产形成系列专题产品和服务能力的一体化集成设施和服务体系。
2.框架
水利遥感卫星应用星座由空间段的卫星资源、地面段的地面接收和处理，以及应用段的产品生产和服务组成。空间段的卫星资源由国家公益卫星、应急监测卫星、水利专业卫星和商业遥感卫星等4类卫星资源组成。地面段的地面接收和处理是指在现有地面接收和处理系统基础上，通过中继通信卫星、便携式接收站、流式传输、星上处理等技术路径，完善提升形成的面向水利应用需求定制开发的高时效、快速响应地面接收和处理系统。应用段的产品生产和服务是指通过强化专题产品设计、提升模型算法精度、规范生产流程等，开发建设的遥感业务产品生产和服务系统平台。
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▲ 水利遥感卫星应用星座框架
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水利遥感卫星应用星座构建实施路径
水利遥感卫星应用星座构建应按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，统一布局规划，分步实施建设，具体的实施路径如下。
1.水利遥感卫星应用星座空间段实施路径
大力拓展卫星资源，持续丰富水利遥感卫星应用星座卫星资源种类和数量，提升协同调度能力。
一是最大程度利用国家公益卫星免费影像资源， 加大23颗在轨国家公益卫星数据利用力度，积极参与卫星调度，强化沟通协调，及时提出水利监测需求，重点实现16m分辨率光学影像按旬覆盖、2m分辨率光学影像按季（气象条件好的区域可按月）覆盖、7颗SAR卫星指定地区每天1～2次覆盖。
二是进一步挖掘应急监测卫星的应用潜力， 积极主动协调沟通卫星资源单位，完善水利应急事件监测响应机制，提升快速响应、高频覆盖能力，力争达到对重大水利应急事件的亚米级、小时级观测响应能力。
三是积极推动水利专业卫星发展，开展顶层设计， 通过“十五五”国家规划、企业合作等多种方式，打造纵向由“水利一号”至N号、横向由01星到XX星组成的水利特色专业卫星矩阵。针对降雨、地表水分布、土壤水、蒸散发、水位、流速、水质、工程安全、地下水蓄变量、下垫面特性、河湖管理范围内地物、地表扰动等水利要素，重点解决无资料地面观测空白区和地面测站无法大范围连续观测等难题。针对我国主要河流大部分东西走向、与传统轨道方向不一致造成的观测困难，探索倾斜轨道卫星建设。
四是充分利用商业遥感卫星资源， 持续探索推进商业遥感卫星星座公益性服务模式，发挥商业遥感卫星影像精度高、卫星数量多、服务机制灵活等优势，提升资源高效利用能力。
2.水利遥感卫星应用星座地面段实施路径
研究通过中继通信卫星、便携式接收站、流式传输、星上处理等技术路径，突破地面接收处理时效性瓶颈，重点围绕卫星调度响应、采集数据下传、地面传输处理速度卡点，优化数据获取和处理流程，力争近期实现小时级、远期实现分钟级的应急快速响应能力。
3.水利遥感卫星应用星座应用段实施路径
构建高效星座管理系统，提升多源遥感卫星资源的综合协同能力。通过星座管理系统实现对星地资源的一体化管理，对现有卫星资源进行深度整合与运行优化，避免卫星资源重复建设。同时，针对水利行业的观测需求，充分考量在轨卫星特性，包括但不限于其空间分辨率、光谱分辨率等关键参数，开展观测任务协同规划，编排卫星任务，最大程度满足水利要素遥感观测需求。着力提升遥感业务产品生产和服务能力，深化水利要素遥感成像机理规律认知，强化业务需求分析和专题产品设计，提升模型算法精度，规范生产流程，实现系统业务化运行，推动数据成果的全面共享服务。
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应用场景方面
构建水利遥感卫星应用星座并推动其在关键应用场景中具体运用、在实际水利业务中广泛应用，以有效提升水利业务效益。
1.提升实时监测与预警能力
水利遥感卫星应用星座凭借其高空间分辨率与快速重访能力，实现对水体动态变化的实时监测。通过连续观测水位、流量、水质等关键水文参数，星座能够及时发现潜在的洪涝、干旱等自然灾害风险，为建立预警与应急响应机制提供及时、准确的数据支撑。这一能力在提升水资源管理的预见性与应对自然灾害的时效性方面具有显著优势。
2.增强应急响应与协同作业的高效性
在突发涉水事件发生时，水利遥感卫星应用星座能够迅速提供准确的监测数据，为应急响应与灾害救援提供有力支持。通过与地面监测站、无人机等设备的协同作业，星座能够辅助“天空地水工”一体化立体监测感知网络构建，提升应急响应的时效性与准确性。这种高效的协同作业模式，对于提高水利部门的应急响应能力与灾害管理水平具有重要意义。
3.促进数据共享与业务协同
水利遥感卫星应用星座能够与其他水利业务系统实现数据共享与业务协同，共同构建水利信息化体系。通过数据推送、服务集成、模型调用等多种方式，星座能够将监测数据与分析结果集成到水利部数字孪生平台、国家防汛会商调度系统等业务系统中，实现数据与产品的跨系统共享与协同应用，提升水利业务系统的整体效能与智能化水平。
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结语
水利遥感卫星应用星座的构建对于推动水利高质量发展、保障我国水安全具有重要意义。通过大力拓展卫星资源、提升协同调度能力、构建星座管理系统、优化数据获取和处理流程，以及增强遥感业务产品生产和服务能力，可有效满足水利业务对卫星数据的多样化需求。未来，应进一步深化水利遥感卫星应用星座构建关键技术研究，推动其在实际水利业务中的广泛应用。随着数字孪生水利建设的不断推进，水利遥感卫星应用星座的构建将为实现水利行业的全面感知、智能分析和精准决策提供有力支撑，助力水利高质量发展。
Abstract: Satellite remote sensing is a critical component for constructing an integrated monitoring and perception system in digital twin water resources, encompassing “sky-space-earth-water-project”. It serves as the primary pathway for “space-based” monitoring and perception and is a fundamental means for building the data foundation of digital twin platforms. Following the principles of “demand-driven, application-oriented, digitally empowered, and capability-enhancing”, this study summarizes the current applications and achievements of satellite remote sensing technology in the water sector. The analysis reveals existing limitations, such as the need to expand satellite data resources, enhance the efficiency of integrated satellite data utilization, and address the insufficient number of satellites tailored to water resource demands. The concept and framework of a water resources remote sensing satellite constellation are proposed. Implementation paths are discussed across three segments—space, ground, and application—including satellite resource expansion, collaborative scheduling optimization, management system construction, business product production, and service capability enhancement. This research provides theoretical references and practical guidance for building such constellations. Promoting the widespread application of water resources remote sensing satellite constellations in water-related operations will improve real-time monitoring and early warning capabilities, enhance the efficiency of emergency response and collaborative operations, and foster data sharing and business collaboration in the water sector.
Keywords: water resources remote sensing; satellite constellation; digital twin water resources; remote sensing technology; implementation paths
本文引用格式：
钱峰，付静，陈德清，等.水利遥感卫星应用星座构建与应用研究[J].中国水利，2025（1）：15-20.
封面｜ 资料图片
责编｜ 熊璠
校对｜ 李博远
审核｜王慧
监制｜ 轩玮
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