基于新一代數字地球的智慧產業應用

● 文|航天科工海鷹集團有限公司衛星運營事業部 蘇曉玉 袁鴻翼 趙露

一、引言

黨的十九大提出了建設創新型國家、數字中國、智慧社會的戰略目標。人民的美好生活需要推動新的科技革命并牽引新的產業變格。當前，我國已初步形成數字化、網絡化、智能化、云化為支撐的新型社會活動生態，智慧城市、智慧農業、智慧林業、智慧人防等產業領域正在成為推動產業升級的新引擎。作為戰略性、高科技、國家級創新企業，中國航天科工集團有限公司緊跟新一輪科技革命和產業變革發展態勢，堅持走中國特色的軍民融合發展之路，率先提出智慧產業概念，全面服務社會治理，促進大眾民生改善，推動產業升級創新。

基于新一代數字地球衛星運營服務體系，充分利用“大數據、云計算”等先進技術，將通信、導航、遙感等衛星資源與天基互聯網、天基物聯網信息資源有機融合，支撐智慧產業體系建設，面向農業、林業、人防、城建、應急、海洋等領域，構建智慧產業數據體系、技術體系與產品體系，為政府、行業、社會公眾等提供基于天空地立體觀測體系的綜合信息服務解決方案和系統集成建設，發展具有航天特色的智慧產業。

二、新一代數字地球定義

“數字地球”（Digital Earth）是美國1998年提出的概念，是指通過航天航空對地觀測技術、地理空間信息技術、計算機網絡通信技術等與地球科學高度綜合集成，實現模擬地球發展變化、開展數據共享、支持決策應用等重大目標。

新一代數字地球將實現傳統數字地球空間向時空的轉變、信息技術（IT）向數據技術（DT）的轉變，以及數據信息向智能決策的轉變，集成通信、導航、遙感綜合應用與多網融合和智能服務，全面面向服務化、定制化、智能化應用的時代。新一代數字地球包括空間維、技術維、應用維3個維度，由六大要素組成，天地組網、時空基準是基礎，感知認知、實時共享是服務，智慧互聯、智能決策是應用。

1.三個維度

空間維：“數字地球”的數據采集方式向縱深延伸，從地球表面擴展到了空間、海洋，包括深空、深海、兩極等地球各個圈層，發展成為包含陸、海、空、天等多維度空間信息，以及各類地球上人、事、物活動數據組成的由數據、算法和模型構建的虛擬地球。

技術維：以“云計算、大數據、人工智能、物聯網、移動互聯網”等新技術驅動的一種新的數字地球發展形態。

應用維：將數字地球的創新成果全面深度融合應用于軍事、社會、經濟各領域之中，提升全社會的創新力和生產力，形成更廣泛的以數字地球為基礎設施和實現工具的軍事和經濟發展新形態。

2.六大要素

天地組網：無時不達、無處不通的網絡是新一代數字地球服務發展的基礎。通過天地組網，實現了地球上任何一點的共享訪問，實現了一點入網，全網可達通聯；一點入網，全網可見服務。

時空基準：通過北斗衛星導航系統提供全球連續統一的導航、定位、授時。同時通過各種星基、地基增強系統提供地球上任何一點分米級、厘米級、毫米級高精度位置服務。

感知認知：通過多種感知手段獲取地球地、海、空、天多維空間信息，使得對地球看得清，通過認知手段使得對地球認得準、辨得明。感知認知實現了“不僅看得見，而且認得準 ” 。

實時共享：通過綜合軍民商等多種遙感資源，實現遙感數據綜合觀測、快速傳輸、快速處理、快速分發和共享服務，信息的采集將更加實時化，達到所見即所得的近乎實時的“直播地球”服務。

智慧物聯：新一代數字地球為物聯網應用提供了應用支撐，使得地球上人、事、物互聯互通，使得人類以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到智慧的狀態，從而構建更加智慧的地球。

智能決策：新一代數字地球就是全面深度融合于軍事、社會、經濟各領域之中，提升全社會的創新力和生產力，助力各行各業智能化應用，極大提高資源利用效率和生產水平。

三、基于新一代數字地球的智慧產業建設內容

1.智慧產業內涵

智慧產業是指數字化、網絡化、信息化、自動化程度較高的產業，是智力密集型、技術密集型產業，而不再是勞動密集型的產業。智慧產業是以現實物理世界為基礎，以數據、信息、知識資源為支撐，利用信息處理技術對各種事物進行深入的智慧分析提煉而實現具有較為完善的感知、認知、學習、成長、創新、決策、調控能力和行為意識的新型產業體系。

智慧產業是新一代數字地球服務體系與傳統產業、產品制造業和服務業全方位深度融合所形成的產業和應用生態，智慧產業是新一代數字地球面向傳統產業領域應用，是“云計算、大數據、人工智能”等新技術推動應用的新發展形態，是“新一代數字地球”天地組網、時空基準、感知認知、實時地球、智慧物聯、智能決策在各產業領域的應用體現。

2.智慧產業的數據體系

基于天空地立體觀測體系，進行天地組網，建立統一的時空基準，實現全球、全天候、全天時、全方位的數據獲取與傳輸，對實時、海量、多源數據進行有效存儲，并對數據進行清洗、分類、分析，面向產業應用，提供數據服務，形成從“數據獲取-數據傳輸-數據存儲-數據處理-數據分析-數據服務”的數據體系。圍繞智慧產業發展過程中的數據產品、數據工程、數據標準規范和數據安全保密等方面進行體系建設。

3.智慧產業的技術體系

為推動智慧產業發展，基于新一代數字地球與智慧產業的技術體系建立“四橫兩縱”的智慧產業技術架構，實現對海量多源數據全生命周期的組織管理、共享服務和綜合應用，解決產業發展過程中數據的大吞吐量、高并發性、方便兼容的問題。“四橫”指資源層、數據層、服務層和應用層。“兩縱”指政策法規與標準規范體系和安全保障體系（圖1）。

圖1 智慧產業技術架構圖

應用層主要由應用支撐層與面向服務的應用層組成。應用支撐層支持移動端、桌面端、瀏覽器端和嵌入端等多種終端模式。面向服務的應用層將面向智慧農業、智慧林業、智慧交通、智慧海洋等智慧領域提供應用服務。

服務層采用SOA架構設計，基于遙感大數據服務云平臺、高精度位置服務云平臺、天基通信服務云平臺提供統一標準的網絡服務，實現數據服務、信息服務、軟件服務、知識服務，為業務系統提供支撐保證了系統的靈活性，未來新增的業務系統可非常方便地獲取或訪問系統數據，又屏蔽底端業務的復雜性。

數據層主要實現對導航數據、通信數據、遙感數據進行組織、管理、挖掘和分析功能。利用統一時空基準、統一網格編碼方式，按照瓦片金字塔方式進行組織管理，利用元數據空間快速索引，提供上層應用與服務各類空間信息資源的高效訪問。

資源層主要包括通信、導航、遙感衛星群、地面測運控站及信關站、地面應用中心等天基感知資源和地面系統，以及支持系統運行的計算存儲、資源調度、通信網絡等軟硬件基礎設施。為了保證系統的強大的計算能力、靈活性及可擴展性，該系統底層采用云管理平臺支撐。

兩縱主要由政策法規與標準規范體系和安全保障體系組成，通過梳理智慧產業中數據指標體系，建立智慧產業的數據標準、技術標準和管理標準；在安全保障體系方面，建立涵蓋物理安全、網絡安全、應用安全、數據安全、管理安全的數據安全服務體系。

4.智慧產業的產品體系

（1）時空大數據平臺

基于統一的時空基準框架，集成位置感知數據、多媒體感知數據、遙感感知數據，實現在“天、空、地”三個層面上的數據采集與集成能力，將4D空間數據、基礎空間數據、音視頻等時空多媒體數據與農、林、環保、城建等業務數據進行無縫融合，完成多源時空大數據的資源統一匯集、高效存儲與管理、智能空間分析與可視化、精準的空間統計與挖掘，為智慧產業時空大數據的服務和應用提供數據保障。

（2）共享云服務平臺

共享云服務平臺基于SOA架構理念設計，提供統一標準的網絡服務，為業務系統提供支撐，提供統一資源標準規范，滿足智慧產業領域各類用戶對信息的共性和個性需求，具備通用性和可擴展性，推動智慧產業各類信息資源有序共享和互聯互通互操作。遵循地理空間聯盟（OGC）的服務標準，提供包括WMS（Web地圖服務）、WFS（Web要素服務）、WFS-G（地名地址服務）等，以及影像數據服務、三維數據服務、時態數據服務、知識服務、功能服務及基礎設施服務。

（3）多種終端綜合應用平臺

采用“云+端”的時空大數據服務模式，提供桌面端、瀏覽器端、移動端及嵌入端等多類終端信息應用支撐平臺，為智慧產業不同領域提供時空大數據可視化、快速的空間分析、精準的空間統計與挖掘等功能應用。

四、基于新一代數字地球的智慧產業應用

1.智慧農業

在智慧農業方面，以新一代數字地球為基礎，依托部署在農業生產現場的各種傳感節點和無線通信網絡，建立智慧農業大數據平臺，集信息采集、信息發布、動態監測、分析決策與空間信息管理為一體，可直觀、形象、動態顯示農業數據資源的空間分布狀況，對農業農村信息進行綜合管理和地圖展示。智慧農業大數據平臺實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能分析、專家在線指導，為農業生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策，最終實現農業的現代化和可持續發展的新興產業。通過發展智慧農業，使土地得到科學利用，節省時間和資源，提高工作效率，最大限度降低成本。

2.智慧林業

在智慧林業方面，基于新一代數字地球的“天地組網”“感知認知”，在林區實現無線寬帶網絡無縫覆蓋，加強各種智能傳感設備在林區布設，建立智慧林業大數據平臺，實現森林資源數據的整合及二三維一體化管理。疊加營造林管理、公益林區劃界定、森林采伐管理、森林有害生物防治、林地保護管理、林業重點工程管理、濕地公園管理、沙化治理管理、古樹名木管理等所有林業業務數據，建立“林業一張圖”，實現公共基礎數據、林業基礎數據、林業專題數據與林業綜合數據多屬性、多層次的整合。 基于“林業一張圖”，借助網絡對外發布地圖成果，以二維數據和三維數據的方式實現“林業一張圖”集成展示，統一管理多源、海量的數據，全方位服務于森林資源管理的各個環節，實現多期影像數據的圖層對比，為森林資源管理部門和林業各部門提供資源業務信息服務，為領導決策提供支持服務以及為各個業務人員提供數據和應用支撐服務。

3.智慧人防

在智慧人防方面，基于新一代數字地球，建立人防大數據管理系統和電子沙盤系統，在統一時空基準、統一地圖投影、統一地理格網框架下，對基礎空間數據、人防綜合信息數據、人防軍標符號庫、人防工程信息數據等進行整合及統一管理，并采用二三維GIS技術、虛擬顯示技術，實現人防工程、工程內部設備設施、感知與監控設備等業務數據基于高分辨率地理影像的集成展示與查詢、定位等功能，同時可接入實時監測、視頻數據，從而實現人防工程可視化、實景化展示，對疏散地域的地理環境和重要目標具體位置與周邊環境進行統籌分析等，為人民防空行動與實施提供態勢感知、破壞評估、輔助決策支持，提高城市人防在防空襲、防災害、防事故、防恐怖襲擊方面的能力，使其戰時發揮戰備效益，平時積極發揮經濟效益和社會效益。

4.智慧城建

在智慧城建方面，基于新一代數字地球，以綜合管廊、軌道交通、管線、海綿城市、地質水文環境等地下空間業務應用為建設重點突破口，搭建“統一標準、統一架構、統一應用”的城建空間數據服務平臺，實現城建領域空間信息的集中統一管理、信息共享、數據分析與挖掘，為全面、準確地掌握城市基礎設施建設的現狀、規劃、建設等提供空間數據網絡應用服務，為政府宏觀決策提供準確翔實的數據，為城市規劃管理和城市建設提供信息服務，為地下管網管廊的應急維修處置、地下軌道交通的合理規劃與建設、地下人防工程的維修與維護等城市基礎設施建設建立從數據到信息到知識的服務。

5.智慧應急

在智慧應急方面，基于新一代數字地球，根據應急管理部新的組織架構特點、業務融合模式，建設新一代智慧應急平臺，提供從數據整合、業務整合、系統整合、協同整合的一體化解決方案。智慧應急平臺采用“一張圖”模式，建立基于地理信息系統的城市風險“一張圖”，對基礎地理信息和專業部門的風險隱患、防護目標、隊伍、物資等數據進行空間化整合，結合云計算、物聯網、大數據、北斗導航等先進技術，提升應急系統的智能輔助水平，提升應急管理效率。創建智慧應急平臺“一張網”，由已自建的政務專網、集群通信網、基于租用運營商光纖通道或者通信網絡之上構建的虛擬政務專網、衛星應急專網、可臨時現場開通的移動應急通信網組成。確保在全國范圍內任何地方出現應急事故，均能實現各級指揮中心與現場的音視頻及數據通信，實現對應急事件的高效指揮。

6.智慧海洋

基于新一代數字地球，圍繞“海洋強國”的體系方針，以“創新、協調、綠色、開放、共享”為設計理念，建設我國智慧海洋業務整合系統。將新一代全面感知技術與海洋裝備相結合，實現管轄海空域的多維信息感知、立體監測，為綜合管控和應急決策提供數據基礎。在空中、海面、水底形成整套立體感知網，全面掌握實時探測信息、環境信息等，并對數據信息進行建庫存檔。采用各類寬帶有線、無線網絡技術實現智慧海洋中物與物、人與物、人與人的全面互聯、互通、互動，構建空天、海面、海底一體的廣域通信網絡，有機整合各類感知手段獲取的海洋信息，并實現信息資源的可靠傳輸、全面及時的共享、信息的雙邊交換，為用戶提供跨網透明傳輸、自適應格式轉換等。運用云計算、高性能并行計算、機器學習等技術，打造一套面向海洋公共信息服務和海洋行業專用信息服務的一體化信息服務平臺，實現海量海洋信息數據的共享、建模分析、態勢預測，為政府、軍事、政治、經濟、民眾用戶等提供個性化定制的服務平臺，服務于科學高效的決策支持和智能化應急響應機制。

五、關鍵技術

1.時空大數據綜合可視化技術

面對海量的多源數據，已經無法通過人工分析的方法得以深刻理解并進一步形成正確的概念和看法，通過可視化技術可以幫助用戶直觀地展示和理解空間大數據。數據可視化技術憑借計算機的巨大處理能力及計算機圖像和圖形學基本算法以及可視化算法把海量的數據轉換為靜態或動態圖像或圖形呈現在人們的面前，并允許通過交互手段控制數據的抽取和畫面的顯示，為人們分析、理解數據、形成概念、查詢信息提供了強有力的手段。

2.時空大數據智能挖掘及應用技術

針對智慧產業領域數據分析多為人工操作、數據分析依賴判讀人員的主觀意識等問題，研究從海量多源數據中實現互信息和縱信息的智能化挖掘和自動化分析方法，通過對多源數據信息提取、自動分析，快速獲取有用的互信息和縱信息，提取有用信息，并通過可視化方式及時推送給用戶。

3.時空大數據高效組織管理與應用技術

針對數據量巨大的多源異構時空數據，研究基于元數據的動態自組織機制，能夠針對不同類型的數據按照預先配置的元數據規則進行多層次組織，為用戶在數據不同維度（空間維+時間維+屬性維+主題維）上的瀏覽提供有效的導航。具備專門的規則定義與編輯功能，允許用戶交互式地創建所需的組織方式。

4.基于“一張圖”的空間數據綜合應用技術

從多個維度充分考慮智慧產業的規劃、建設等信息，構建智慧產業“一張圖”應用服務，形成綜合管理一張圖、專題分析一張圖、智慧產業數據應用一張圖，并突破基于“一張圖”的輔助規劃、建設管理、安全監管與預警、應急處置、在線監測等綜合應用技術，實現全面的數據共享和分析。

5.“云+端”時空信息綜合服務技術

信息采用按需共享的形式提供，利用“云”本身所具備的強大存儲能力，各“端”將接入的信息全部存儲于“云”端，實現信息的備份、共享，各“端”可通過訪問具體的云數據中心獲取所需的信息。