用好遙感大數據,助力上海大發展

● 文|上海航天第804所 劉宇宏 姚崇斌 葉曦

用好遙感大數據,助力上海大發展

● 文|上海航天第804所 劉宇宏 姚崇斌 葉曦

隨著高分一號衛星的發射，掀起了新一輪的衛星遙感數據應用熱潮。如何有效地管理和利用好衛星遙感數據是目前迫切需要解決的問題。本文綜合了多方面的研究成果，提出了依托“上海遙感數據處理與應用服務中心”，構建基于集群架構城市遙感大數據綜合管理框架和基于多源信息融合的遙感數據服務示范系統，期冀能夠對衛星遙感的應用起到推波助瀾的作用。

一、引言

隨著上海城市建設的快速發展，以衛星遙感、衛星導航和衛星通信為代表的衛星應用正悄然融入城市建設和大眾生活的各個方面，衛星遙感數據在城市監測、管理和輔助決策等方面的作用越來越重要。但是目前上海市空間高分辨率遙感數據主要來源于航空遙感系統和國外高分辨率遙感衛星，數據類型單一，難以實現規模化、定量化生產和應用；數據與應用標準化、規范性滯后，數據比較分散、共享程度低，導致重復建設、資源浪費；缺乏商業化信息數據分發服務手段與渠道，行業應用不深入，服務面較窄。因此，為了有效地運用好衛星遙感數據，使其在上海市城市建設和人民生活中發揮應有的作用，需要建立上海衛星遙感數據中心，并針對衛星遙感數據的非結構化異構大數據等特點，對遙感大數據進行集中處理與綜合管理，并在此基礎上，面向不同的應用需求，開發和提供相應的智能化遙感信息服務。

二、我國天基對地觀測系統的發展

我國已經發展了風云氣象衛星系列、資源衛星系列、海洋衛星系列以及環境與災害監測衛星星座，并正在實施高分辨率對地觀測國家重大專項（簡稱“高分專項”）。該專項是國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中確定的16個重大專項之一，通過建設基于衛星、平流層飛艇和飛機的高分辨率先進觀測系統，并與其他觀測手段結合，形成我國全天候、全天時、全球覆蓋的對地觀測能力。

2013年4月26日，高分一號（GF-1）對地觀測衛星發射成功，該衛星具有高分辨率、多光譜、大幅寬等特點，在分辨率和幅寬的綜合指標上達到了目前國內外民用光學遙感衛星的領先水平。星載的六臺相機既可以分開單獨對覆蓋區域監測成像，也能根據需要統一提供對地監測服務，從而可以滿足不同用戶的需求。在未來的4～5年內，計劃將繼續研制和發射7～9顆對地觀測衛星。到2020年，建成我國自主的陸地、大氣、海洋先進對地觀測系統，具備亞米級空間分辨率、納米級光譜分辨率、小時級中分辨率觀測等多種新型載荷能力。同時整合并完善地面資源，建立數據與應用專項中心，為現代農業、防災減災、資源環境、公共安全等重大領域提供服務和決策支持，確保掌握信息資源自主權，促進形成空間信息產業鏈。

三、衛星遙感數據全生命周期處理

衛星遙感產業的核心內容是數據，數據的生命周期主要包括衛星遙感數據的生成、采集、處理、存儲、管理和分發（圖1）。目前，空間遙感呈現出高空間分辨率、高光譜、高重訪度等發展趨勢，形成了遙感數據的數據種類多、數據量大、數據結構復雜等特點，遙感數據的應用也由傳統數據銷售模式向智能化信息服務模式發展。數據和應用的這些特征賦予了遙感數據更廣闊的應用前景和更強的生命力，但是也給遙感數據生命周期的各個環節帶來了全新的挑戰。

>>>圖1 衛星遙感數據全生命周期處理流程圖

高分衛星載荷具備覆蓋可見光、紅外、多光譜、高光譜、微波等觀測手段，具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率觀測等特點。地面測控系統是實現衛星業務測控和觀測任務規劃系統的重要組成部分，任何一顆衛星都需要測控系統保證衛星系統的正常運行。觀測任務規劃系統可以依據用戶需求，進行成像計劃任務的制定與執行。在正常遙感數據獲取的基礎上，提供局部特殊區域和用戶的需求，比如災害監測、指定時段和地區的數據獲取等。目前上海市還沒有建立相應的衛星地面測控站，因此，建議組織相關單位進行充分的調研，以重建或組合的模式建立上海市長期衛星測控的中心或地面站。

地面接收系統按照遙感衛星的觀測任務規劃，根據軌道預報在衛星過境時跟蹤衛星，接收記錄遙感數據。目前在上海地區已經建立多個衛星地面接收站，為了保證遙感數據的有效運營，建議建立以地面測控站為中心的地面接收網絡，形成有效的地面接收網絡系統。

遙感數據處理與應用服務中心在已有中國資源衛星應用中心處理數據或者原始數據的基礎上，建立遙感數據處理軟硬件架構，采用分布式存儲與處理的體系結構，打造集資源調度、數據管理、專業處理和綜合應用于一體的通用服務平臺；采用數據、功能組件和服務平臺相結合的模式，根據應用需求，通過服務平臺對功能組件進行透明的分布式部署、組合和使用，實現對衛星遙感數據的標定、預處理、分級產品處理和面向應用的多源數據融合、分析與挖掘，生成共性的數據與產品，生成符合用戶需求的專題數據與產品和應用解決方案；提供規范化、標準化的數據應用接口形式，實現面向不同用戶遙感數據產品的分發服務。

四、城市遙感大數據綜合管理框架

衛星遙感數據具有非結構化異構大數據的特點，使得數據接入、集中存儲和處理變得困難，空間索引維護代價也變得更高，計算量也大幅增加。但同時，遙感數據具有任務可分解、數據可分解、功能可分解和運算粒度可分解等特點，從而使其非常適合于分塊存儲和并行處理。因此，采用分布式集群環境來解決衛星遙感數據的海量存儲和超大計算是有效的和可行的（圖2）。

>>>圖2 基于集群架構的衛星遙感大數據綜合管理框圖

（1）基于混合式多集群的大數據存儲與管理策略

非結構化衛星遙感原始數據的存儲設備需要具有大容量、高帶寬、線性可擴展、易管理、高性價比和自動支持分級存儲等特性。從目前的地區高分應用情況看，對存儲容量的需求會高達PB（petabytes）級，因此，采用分布式存儲和基于高速網的SAN（Storage AreaNetwork）共享存儲相結合的多集群分層文件和數據存儲系統。

存儲虛擬化是目前提高存儲效率、提升存儲環境的整體性能和可用性水平的最重要、最有效的技術手段，它將資源的邏輯映像與物理存儲分開，將來自內部和外部存儲系統中的結構化和非結構數據全部整合到一個單一的存儲平臺上。因此，需要進一步研究混合式多集群環境下的存儲虛擬化實現技術。

（2）基于任務映射和歸約的大數據計算與分析方法

高性能計算集群負責實現原始數據的加工處理，由統一的作業調度系統進行資源管理和任務分配。在數據加工處理過程中，首先需要將一個復雜的遙感產品的生產過程，按照其邏輯結構和先后順序，拆解為相對獨立的關鍵步驟，然后建立相互獨立的生產單元，以獨立處理的子任務形式，交由不同計算結點來完成。

（3）城市空間大數據的全方位綜合防御體系

面對海量數據，數據的保護和災難恢復也越來越重要，而原有的數據保護方法已經無法滿足當前的需求。構建融技術、管理和運維支撐于一體的動態可控的信息安全全方位綜合防御體系，分別從基礎設施保護、信息傳輸、數據安全和內容安全上提高對信息安全的管理、防范、控制、應急處理和對抗等能力。

五、城市遙感的融合應用服務模式

在衛星遙感數據應用中，一方面需要將國內外衛星遙感數據與地面觀測數據進行結合應用，另一方面需要結合導航、通信與遙感開發融合的衛星應用系統，從而更好地發揮衛星遙感數據的作用。此外，衛星遙感的應用應該擺脫對政府業務的高度依賴，加大發展商業用戶市場。因此，建議以建立城市環境和地物精細監測、預警及救援系統為突破口，推動上海衛星遙感數據在服務民生方面的應用。同時，融合衛星遙感等多源數據，建立上海城市空間立體地理信息承載平臺，作為上海城市衛星應用的基礎支持。

（1）面向智慧環保的城市監測與災害預警服務系統

運用衛星遙感、航空遙感和地面監測數據，重點對上海城市霧霾、熱島、水污染等方面進行監測、分析和評估，生成預警信息并及時發布，為防災、減災提供應急服務（圖3）。將衛星通信作為常規災情報送網絡的備份，保證災情的及時傳達。

>>>圖3 面向智慧環保的城市監測與災害預警服務系統基本組成框圖

（2）面向公共安全的城市監測與應急救援服務系統

利用導航衛星地面增強網、城市遙感圖像和其他傳感器提供的監測數據，對上海城市重點區域的地面沉降、建筑物形變、違章建筑等進行實時監測、分析和評估，對存在的安全隱患進行預警信息和應急決策支持。在應對突發救援事件時，通過應急救援綜合信息服務平臺實現對救援車輛的實時監控，并根據現場情況，借助于多種通信手段建立起應急指揮中心與救援現場之間的雙向通信聯系（圖4）。

>>>圖4 面向公共安全的城市監測與應急救援服務系統基本組成框圖

（3）城市空間立體地理信息承載平臺

借助衛星遙感數據和多源數據融合技術，以統一的時空關系為框架，以信息可視化技術為手段，構建具有多源、多層次、多時空特色的上海市城市空間四維立體數字地理信息承載平臺，實現城市地理（含地面和地下）及重要建筑物內部空間信息的采集、存儲、管理、共享服務、信息理解和應用支撐等功能，在此基礎上可進一步形成數字城市地圖。

六、結束語

需求牽引應用，應用改變生活。隨著我國天基對地觀測系統及與之配套的地面基礎設施的建設和完善，衛星遙感多空間分辨率和多時間分辨率的城市地物和環境感知能力，將在上海“智慧城市”和四個“引領工程”的建設和發展中起到越來越重要的作用，城市遙感大數據的綜合處理與應用將為居住在上海的人們創造更加美好的城市生活。

[1]王珊，王會舉，覃雄派，等﹒架構大數據：挑戰、現狀與展望[J]﹒計算機學報，2011，34（10）﹒

[2]史園莉﹒遙感數據集群處理系統架構設計與實現[D]﹒北京：中國測繪科學研究院，2010﹒

[3]曹風兵﹒基于Hadoop的云計算模型研究與應用[D]﹒重慶：重慶大學，2011﹒

[4]黃濱，徐勇，呂巖﹒基于Hadoop云存儲系統在設計院的應用研究[J]﹒信息安全與技術，2012（9）﹒