海南高分衛(wèi)星應用與發(fā)展

文|黃拔 王雷 楊天梁 崔貝

1.海南省地球觀測重點實驗室/中國科學院空天信息研究院海南研究院

2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院

3.三亞中科遙感研究所

一、引言

于某個領(lǐng)域的典型應用案例分析，例如在城市精細化管理[1]、疾病預防[2]、城市消防[3]、自然資源管理[4]等領(lǐng)域。針對省域應用發(fā)展重點分析的研究還比較少。本文基于海南省高分應用推廣情況及存在的問題進行了分析，并提出了海南高分應用發(fā)展重點方向。

二、海南省高分應用推廣舉措

海南高分數(shù)據(jù)與應用中心組織開展了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、高分數(shù)據(jù)應用規(guī)劃論證、技術(shù)培訓、宣傳普及、交流合作、應用技術(shù)研發(fā)和用戶服務系統(tǒng)開發(fā)、樞紐平臺建設(shè)及運維等大量工作。

1）建設(shè)海南高分數(shù)據(jù)與應用中心相關(guān)運維和存儲設(shè)施，建成海南高分數(shù)據(jù)與應用中心樞紐平臺網(wǎng)站和海南高分數(shù)據(jù)與應用中心數(shù)據(jù)服務門戶，具備數(shù)據(jù)整合、信息提取、快速處理和分發(fā)的能力，為各類用戶提供覆蓋海南及周邊海域高分數(shù)據(jù)查詢和下載服務，為海南高分數(shù)據(jù)應用提供技術(shù)支撐。

2）推動“高分+”承載應用，組織省級培訓班，大力推廣高分數(shù)據(jù)應用。為進一步推動高分數(shù)據(jù)在海南省的推廣應用工作，為政府、科研機構(gòu)、企業(yè)之間搭建相關(guān)成果交流轉(zhuǎn)化渠道，促進海南省高分數(shù)據(jù)應用的深度發(fā)展，海南高分數(shù)據(jù)與應用中心組織舉辦了海南省域高分數(shù)據(jù)推廣應用活動、“中國航天日”系列活動等，為海南省高分數(shù)據(jù)推廣應用和成果轉(zhuǎn)化提供了重要的交流平臺，對推動高分數(shù)據(jù)在海南省更多領(lǐng)域、更多行業(yè)應用起到了積極的促進作用。

3）形成了海南高分數(shù)據(jù)應用“三個清單”（產(chǎn)品清單、服務清單、標準規(guī)范清單），為相關(guān)企事業(yè)單位提供高分數(shù)據(jù)服務和解決方案。

4）依托海南熱帶海洋大學、海南大學、中科院等機構(gòu)，開展面向海南提供空間信息領(lǐng)域的教育培訓服務，引進優(yōu)秀畢業(yè)生，為海南提供大量高水平的空間信息領(lǐng)域科研與工程型人才，從而為整個海南省空間信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。

三、海南省高分應用情況

1.總體應用情況

海南高分衛(wèi)星應用領(lǐng)域包括自然資源、林業(yè)、生態(tài)環(huán)保、農(nóng)業(yè)、住建、交通、海洋等。

在自然資源領(lǐng)域，為海南省土地利用動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、自然保護區(qū)動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、國土資源執(zhí)法巡查、建設(shè)用地動態(tài)監(jiān)管、城市綠化率分析、三維“一張圖”展示及礦山年度動態(tài)監(jiān)測等業(yè)務提供了數(shù)據(jù)支撐。為海南省申報熱帶雨林國家公園提供了客觀、實時、準確的區(qū)域現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；為東西兩翼中心城市建設(shè)和城鎮(zhèn)改造提供了參考。

在林業(yè)方面，在全省各林區(qū)林場、自然保護區(qū)以及各市縣單位重點生態(tài)區(qū)域范圍內(nèi)開展了人工林資源專項調(diào)查工作，旨在通過調(diào)查，徹底摸清全省林區(qū)、林場、保護區(qū)以及重點生態(tài)區(qū)域的人工林分布情況，為海南省林業(yè)發(fā)展、低效林改造、生態(tài)保護和修復作鋪墊。

在海洋行業(yè)，開展海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋赤潮監(jiān)測等應用，為海南及周邊海域提供數(shù)據(jù)和決策支持。監(jiān)測了?？谌缫鈲u填海造陸的進展，為?？谑泻Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心掌握如意島填海進展提供了數(shù)據(jù)支持。

在城市管理方面，基于高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，開展了三亞市“雙城雙修”遙感監(jiān)測，完成了海棠灣、三亞灣、市區(qū)公園、山體修復及新漁港建設(shè)等多項工程的監(jiān)測，客觀、清晰、精確地呈現(xiàn)了“雙城雙修”工作前后及過程中三亞市的逐步變遷，也為此項工作的持續(xù)開展和相關(guān)工作的深入進行提供了科學依據(jù)。在違法建筑執(zhí)法中，利用高分影像進行多時相影像的比對，得出不同時段監(jiān)測區(qū)域的建設(shè)情況，為海南省違法建筑監(jiān)測提高了工作效率，并保證了數(shù)據(jù)的真實性。

在農(nóng)業(yè)行業(yè)，利用高分衛(wèi)星影像提取了海南省種植業(yè)用地的空間分布狀況，為海南省農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測與綜合利用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

海南省高分應用產(chǎn)品體系，涉及國家重大戰(zhàn)略規(guī)劃、資源調(diào)查與監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測與評價、城市精細化管理、農(nóng)業(yè)、海洋等6 個業(yè)務應用領(lǐng)域的14項專題產(chǎn)品（如圖1 所示）。

圖1 海南省高分應用產(chǎn)品體系圖

2.行業(yè)應用案例

（1）海洋行業(yè)應用

赤潮是水體中藻類短期內(nèi)大量聚集或爆發(fā)性增殖引起的一種海洋現(xiàn)象，它不僅破壞海洋漁業(yè)生產(chǎn)、惡化海洋環(huán)境、影響濱海旅游業(yè)，而且還會影響人類健康[5]。2021 年2 月底至3 月初，三亞附近海域出現(xiàn)大規(guī)模赤潮現(xiàn)象，通過高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對本次赤潮發(fā)生、發(fā)展和消亡過程中生物光學參數(shù)、赤潮物種、赤潮面積、赤潮強度等信息進行監(jiān)測。對比分析2021 年2 月20 日和2021 年2 月23 日的高分衛(wèi)星影像，發(fā)現(xiàn)三亞附近海域內(nèi)疑似出現(xiàn)了赤潮現(xiàn)象，通過遙感影像可以明顯看到2 月23 日圖中海面出現(xiàn)了大量紅色條帶（紅色區(qū)域），疑似為赤潮現(xiàn)象。從2021 年2 月26 日的影像可以發(fā)現(xiàn)赤潮向三亞海域遷移擴散，赤潮現(xiàn)象進一步發(fā)展。從2021 年3 月1 日的影像可以發(fā)現(xiàn)赤潮在三亞海域基本消失。還存留的赤潮藻類基本已靠岸、上岸。本次赤潮的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程如圖2 所示。

圖2 三亞附近海域赤潮高分遙感監(jiān)測圖

2021 年3 月4 日對影像中赤潮藻類靠岸地點進行實地考察。發(fā)現(xiàn)海面基本無赤潮現(xiàn)象，岸上殘留有大量上岸藻類。

（2）住房和城市建設(shè)應用

基于高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展違法建筑監(jiān)測，通過對遙感影像進行正射校正、幾何校正、勻光勻色、裁剪等處理，得到監(jiān)測區(qū)域正射影像，提供項目施工情況分析報告，為相關(guān)部門開展違建清查工作提供技術(shù)與決策參考。例如海南省某區(qū)域建筑物高分遙感違建監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)域（紅色區(qū)域，見圖3）存在13 處施工現(xiàn)象或已經(jīng)完成房屋主體建設(shè)，2019 年11 月23 日影像顯示未見施工情況，2021 年1 月15日影像可見存在施工痕跡，工棚已經(jīng)搭建，2021 年6 月30 日影像可見施工痕跡，房屋尚未封頂。

圖3 違法建筑高分遙感監(jiān)測專題圖

通過使用高分影像作為底圖，與不同時間段的影像數(shù)據(jù)作疊加分析，通過對比可以得出不同時段該地區(qū)房屋的建設(shè)情況，來判斷是否為違法用地[6]。高分遙感影像對海南省違法用地監(jiān)測提供了強有力的影像支撐，提高了監(jiān)測的工作效率，并保證了數(shù)據(jù)的真實性，縮短了工作時間。

（3）農(nóng)業(yè)行業(yè)應用

農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測充分利用遙感技術(shù)并耦合地理信息系統(tǒng)技術(shù)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)，針對監(jiān)測區(qū)域典型的農(nóng)田土地利用特點，開展特色水果、常年瓜菜和設(shè)施大棚的遙感監(jiān)測，構(gòu)建適宜于本地的經(jīng)濟作物和設(shè)施大棚遙感精細監(jiān)測體系，及時準確掌握本區(qū)域內(nèi)水果、瓜菜及設(shè)施大棚空間分布情況，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)提供重要的技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。

在遙感解譯過程中，由于不同作物間具有相似的光譜特征，即“異物同譜”現(xiàn)象；而同一作物在不同環(huán)境下呈現(xiàn)出不同的光譜特征，具有“同物異譜”[7]現(xiàn)象。因監(jiān)測區(qū)域作物種類多、作物種植隨機性和零散性，導致“同物異譜”“異物同譜”現(xiàn)象更為嚴重，因此獲取并構(gòu)建豐富的地物遙感解譯標志非常必要，也是開展遙感識別的前提和基礎(chǔ)。通過實際調(diào)查等多種方式，獲得本地大量作物不同生長期的樣本數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)開展不同作物在高分辨率影像上的光譜特征、紋理特征和形狀特征，以及這些特征在時序上的變化特點，明確不同作物特有的典型遙感識別特征，構(gòu)建經(jīng)濟作物和設(shè)施大棚樣本庫和遙感解譯標志庫。

因監(jiān)測區(qū)域作物種類繁多且一年四季均適宜種植作物，導致實際田間作物種植時間不一致（尤其瓜菜），不同作物在不同生長期所表現(xiàn)出的影像特征不同，因此僅基于單一時期遙感數(shù)據(jù)開展多種作物識別及提取易造成錯分或漏分。該監(jiān)測案例在充分吸收借鑒國內(nèi)外遙感地物分類的基礎(chǔ)上，利用多時相多源遙感數(shù)據(jù)（高分一號、高分二號、高分六號等），基于不同作物遙感解譯標志，結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）等數(shù)據(jù)，利用隨機森林算法、支持向量機、最大似然法、決策樹分類等方法，構(gòu)建基于時序信息的遙感精細識別方法，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域不同經(jīng)濟作物和設(shè)施大棚的準確識別和提取。圖4 為三亞市2021 年下半年水果種植空間分布遙感監(jiān)測圖。

圖4 水果種植空間分布高分遙感監(jiān)測圖

利用上述構(gòu)建的分類方法開展監(jiān)測區(qū)域經(jīng)濟作物及設(shè)施大棚遙感識別，并基于大量真實樣本開展精度驗證。在驗證精度不達標時，重新修訂改進分類算法，直至精度達標，最終獲得監(jiān)測區(qū)域目標經(jīng)濟作物及設(shè)施大棚種植面積及空間分布情況，為當?shù)剞r(nóng)業(yè)局等部門決策提供依據(jù)。

（4）其他應用

圍繞高分遙感數(shù)據(jù)看海南自貿(mào)港的發(fā)展與變化，推出《遙感海南》欄目，從海洋、環(huán)保、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市等大眾感興趣的角度出發(fā)，通過圖片、視頻等多手段、多渠道方式用高分遙感影像直觀展示高分應用成果和海南的發(fā)展，提高公眾對遙感的了解與興趣。

目前《遙感海南》欄目已發(fā)布了多期，主題包括城市復蘇：疫情過后的復工復產(chǎn)[8]；海南自拍：2020 年4 月13 日海南全島建設(shè)自由貿(mào)易試驗區(qū)兩周年，對外發(fā)布一組最新的海南部分城鎮(zhèn)高分遙感衛(wèi)星影像圖；視頻系列：一眼看海南、3D 解剖海南等，通過視頻從數(shù)十萬米的高空看海南的江河山脈及旅游景點；農(nóng)業(yè)遙感、重點園區(qū)影像比對、江東的變化、追尋海南紅色記憶等。

四、存在的問題

目前海南高分應用體系處于從“試驗應用型”向“業(yè)務服務型”轉(zhuǎn)變的發(fā)展階段，相關(guān)的企業(yè)數(shù)量少且產(chǎn)值規(guī)模小，還存在一定的不足，主要體現(xiàn)在：

1）發(fā)展基礎(chǔ)薄弱：海南地區(qū)經(jīng)濟體量較小，與高分應用相關(guān)的產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模較小、產(chǎn)能較低，產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域存在著很大的發(fā)展局限性。

2）分析和應用服務能力不足：根據(jù)海南高分應用實際情況，需要優(yōu)化現(xiàn)有的海南高分數(shù)據(jù)與應用中心樞紐平臺，與省內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開展高分應用的單位合作，總結(jié)和形成面向各領(lǐng)域的高分應用共性關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品解決方案，瞄準海南省的自然資源監(jiān)管、生態(tài)資源監(jiān)測、海洋資源開發(fā)等重大任務，推動“高分+”承載應用，形成大數(shù)據(jù)挖掘分析應用的能力。

3）對于高分領(lǐng)域的各項應用宣傳不足，各類相關(guān)的培訓較少，很多單位和部門有遙感數(shù)據(jù)相關(guān)的需求，卻缺乏海南地區(qū)合適的高分應用合作對象。

結(jié)合上述提出的問題，在下一階段海南高分衛(wèi)星應用中，應充分利用海南的政策優(yōu)勢，完善海南高分產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施機制，加強宣傳推廣，推動高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在海南的應用。

五、海南省高分應用發(fā)展重點分析

隨著高分數(shù)據(jù)源不斷豐富，涵蓋不同空間分辨率、不同覆蓋寬度、不同譜段、不同重訪周期的高分數(shù)據(jù)體系已基本形成。在海南自由貿(mào)易港的建設(shè)發(fā)展進程中，要充分發(fā)揮好經(jīng)濟特區(qū)、生態(tài)環(huán)境和政策優(yōu)勢等方面的比較優(yōu)勢，加快實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，不斷增強省內(nèi)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化的內(nèi)生動力，形成全省加快高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)尤其是高分衛(wèi)星遙感應用領(lǐng)域發(fā)展的新熱潮，為打造空間科技創(chuàng)新戰(zhàn)略高地、服務海南自由貿(mào)易港建設(shè)等國家重大戰(zhàn)略提供有力支撐。

1）支撐鄉(xiāng)村振興等國家發(fā)展戰(zhàn)略，面向重大工程實施或重大政策執(zhí)行情況的監(jiān)測與決策提供支撐。在農(nóng)業(yè)資源要素調(diào)查、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測、農(nóng)業(yè)災害監(jiān)測與損失評估、農(nóng)業(yè)項目管理和重大農(nóng)業(yè)政策執(zhí)行情況監(jiān)測等農(nóng)業(yè)主體業(yè)務中實現(xiàn)高分遙感數(shù)據(jù)規(guī)模化應用，開展農(nóng)業(yè)災害、“兩區(qū)”劃定、經(jīng)濟作物及農(nóng)業(yè)設(shè)施、典型熱帶作物重大病蟲害、水稻病蟲害遙感監(jiān)測、撂荒地等遙感監(jiān)測評價工作。為摸清全省農(nóng)業(yè)要素“家底”、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)過程科學監(jiān)管、推進農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理體系建設(shè)提供有效的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2）服務海南自由貿(mào)易港建設(shè)，重點應用在航運及港口監(jiān)測[9]、城市便利、風險防控等方面，著力支撐海南打造成為我國全面深化改革開放試驗區(qū)、國家生態(tài)文明試驗區(qū)、國際旅游消費中心、國家重大戰(zhàn)略服務保障區(qū)。

在海南自由貿(mào)易港建設(shè)總體方案中提出建立更加自由開放的航運制度，對航道岸線、洲灘淤積、港口、船只等專題信息進行定期監(jiān)測的需求也日漸增加。利用高分數(shù)據(jù)對港口及船舶進行監(jiān)測，形成船舶、港口碼頭監(jiān)測專題產(chǎn)品，一方面服務于航道交通量計算、海上交通事故的監(jiān)測等，航道部門可以掌握特定區(qū)域的船舶通航情況，統(tǒng)計特定時間的船舶流量，分析船舶密度、習慣航線等；另一方面，通過碼頭、港口邊界線的自動提取，航道部門可以掌握新建碼頭的水域占用情況，掌握碼頭后方堆場使用情況，為水工建筑是否違法占用航道提供依據(jù)。

高分數(shù)據(jù)在城市便利的應用具體包括城市規(guī)劃精細化管理、風景名勝區(qū)精細化管理、城市環(huán)境治理、城市園林綠化精細化管理等。城市要實施精細化管理，需要細化城市地下、地面、地上空間的相關(guān)管網(wǎng)、道路、橋梁、建筑物等目標的管理。隨著時間的推移，城市也在不斷地發(fā)生變化。高分辨率遙感數(shù)據(jù)可清晰、客觀地顯示和挖掘城市地理空間相關(guān)要素信息，實現(xiàn)對城市大區(qū)域的定期觀測，有助于把握城市的全貌和歷史變遷。

高分數(shù)據(jù)應用可以對全省整體感知，增強物與物、人與物之間的聯(lián)系，全面、精確、實時地掌握各類風險動態(tài)，提前預防、控制可能發(fā)生的危險事故和突發(fā)事件，在危機事件發(fā)生后，能夠做到信息共享與協(xié)調(diào)聯(lián)動，實現(xiàn)人與技術(shù)的充分融合。針對地質(zhì)災害、氣象災害、海洋災害、森林火災等，利用高分遙感數(shù)據(jù)開展致災要素、承災體、歷史災害和綜合減災能力等風險要素的調(diào)查與評估，構(gòu)建天空地海多源立體監(jiān)測體系助力災害風險評估，解決高分辨率和高精度災害重點隱患調(diào)查的難題。

3）支撐海南海洋強省建設(shè)，由于海南特殊的地理位置和豐富的資源，開展海南省海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋赤潮監(jiān)測、海洋溢油監(jiān)測等衛(wèi)星應用，并形成針對高分數(shù)據(jù)以及監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)專題成果，為海南及周邊海域的生態(tài)文明、旅游、國家重大戰(zhàn)略服務保障提供數(shù)據(jù)、技術(shù)、服務和決策支持。

4）不斷豐富高分應用成果，大力拓展高分應用新領(lǐng)域，擴大高分應用廣度與深度，使高分數(shù)據(jù)進入國民經(jīng)濟各領(lǐng)域。重點包括資源調(diào)查與監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境保護和治理、執(zhí)法監(jiān)督、森林火情監(jiān)測預警等。

5）高分應用服務公眾用戶，面向公眾開展科普實踐活動，積極傳播航天、遙感科技知識，激發(fā)公眾尤其是青少年對科技創(chuàng)新的熱情，讓更多人直觀感受與了解海上絲綢之路、數(shù)字海南等。

六、結(jié)束語

海南高分遙感的應用成果成效顯著，已經(jīng)進入自然資源、住建、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)保、海洋等部門的業(yè)務主體，滿足了用戶在城鄉(xiāng)建設(shè)監(jiān)測評價、農(nóng)業(yè)調(diào)查統(tǒng)計、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋監(jiān)測等方面的數(shù)據(jù)需求，成為政府治理能力和治理體系不可或缺的重要支撐。

2021 年4 月7 日，國家發(fā)改委、商務部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于支持海南自由貿(mào)易港建設(shè)放寬市場準入若干特別措施的意見》提出，推動衛(wèi)星遙感、北斗導航、衛(wèi)星通信、量子衛(wèi)星、芯片設(shè)計、運載火箭、測控等商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈落地海南。與國內(nèi)其他省市相比較，海南高分數(shù)據(jù)與應用中心在開展高分遙感區(qū)域示范工程，實施空間信息資源戰(zhàn)略方面，具有信息化基礎(chǔ)建設(shè)優(yōu)勢、空間地理應用行業(yè)優(yōu)勢和相關(guān)行業(yè)應用優(yōu)勢。

海南高分衛(wèi)星應用將重點服務海南自貿(mào)港建設(shè)，進一步擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，提升用戶數(shù)量，充分利用海南自貿(mào)港建設(shè)的各項政策優(yōu)勢和迫切需求，形成具有海南特色的高分應用產(chǎn)品體系，向相關(guān)部門提供各類高分應用解決方案，讓高分應用切實推廣到海南發(fā)展的各個領(lǐng)域，支撐各級政府的治理能力現(xiàn)代化。

致謝：高分辨率對地觀測系統(tǒng)海南數(shù)據(jù)與應用中心和海南省地球觀測重點實驗室對本論文的監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了支撐，在此表示衷心的感謝！