天空地海多基協同多源融合的海洋應用設想

文 | 張拯寧 安玉拴 航天恒星科技有限公司

一、引言

十九大報告中明確指出，要堅持陸海統籌，加快建設海洋強國。當前，航天技術發展迅猛，并廣泛應用在國家軍民信息建設中，通過不同類型的星載傳感器實現遙感信息的采集、傳輸、處理及分發等功能，獲取全球范圍內近實時的態勢感知信息；結合空基、岸基、?；榷嘣幢O測手段，實現對海洋目標的連續、實時、精確的監視與預報，支撐海洋信息獲取與處理技術能力的提升，推動海洋強國建設。

海洋多源協同監測成為各國關注的焦點，美國已形成海洋立體綜合監控體系，以衛星為基礎，結合無人機、無人船技術，配合浮標和離岸設備等形成監控體系，實現海洋全方位立體觀測。歐洲建立“海洋監控網絡”，推行“歐盟一體化海洋”體制，建成了海上邊界監控系統，其技術手段和管理體制處于世界領先水平。日本正在加強“海洋監視體制”構建，使用衛星和遠程長航時無人機進行海洋監視，收集進入該國周邊海域的艦船、可疑船只信息，已覆蓋釣魚島及其周邊島嶼。

目前我國在天基、空基、岸基、海基等方面已建成大量基礎設施，并在海南、江蘇等沿海城市建設無人機基地，采集了大量的海洋數據；但在多基協同和數據融合方面，現有技術手段尚未形成全面的、多維度的海洋協同監測體系，無法滿足當前業務應用。因此，需深入分析現有監測技術手段的特點，針對海洋應用要求，提出一種科學合理的天空地海多基協同信息融合的海洋應用模式。

二、海洋多基信息協同應用需求

近年來，經過數字海洋和透明海洋工程的實施，在海洋信息化建設方面取得了豐碩的成果，但仍無法有效支撐海洋強國建設戰略和“一帶一路”倡議目標的實現，目前主要存在幾點不足：①海洋多源信息獲取能力薄弱；②中遠海海洋信息通信傳輸手段不足；③海洋多源信息融合應用水平較低，無法在海洋動態監管、防災減災等業務中及時獲取精細化的海洋信息輔助決策。

1.海洋多源遙感監測需求

海洋環境復雜、資源豐富，隨著人口的增長和陸地非再生資源的大量消耗，開發利用海洋對人類生存與發展的意義日顯重要。因此，需利用先進的遙感技術，指導人們科學合理地開發、利用海洋。與常規的調查手段相比，海洋遙感技術具有獨特的優點。

1）遙感監測不受地理位置、天氣和人為條件限制，可覆蓋地理位置偏遠、環境條件惡劣的海域及因政治原因無法進行常規調查的海域。

2）遙感監測能提供大面積影像，尤其是天基遙感像幅面積可達上千平方公里，對海洋資源普查、防災減災及動態監管都極為有利。

3）天基遙感能周期性地監視大洋環流、海面溫度場的變化、魚群的遷移、污染物的運移等，獲取的海洋信息量非常大。

4） 可同步觀測風速風向、流速、海洋污染、海浪、海氣相互作用等情況。

目前，單一遙感監測手段都有其特點，并存在其局限性，主要體現在以下幾個方面（見表1）。

表1 不同遙感監測手段對比

海洋全要素信息獲取與處理是各海洋強國占領制高點的必然需求，由表1可知，天空地海等多基遙感各有優勢，但目前還沒有單一的遙感監測手段可同時滿足海洋全要素信息高空間分辨率、高時間分辨率、全天候持續監測的需求。因此，為了采集海洋全要素信息，全面認知海洋，采用多源遙感監測手段對同一目標，獲取不同光譜、不同特征、不同目標屬性的多維遙感信息是極其必要的。

2.海洋多元通信傳輸需求

近十年來，從電纜到光纜、有線到無線、從2G到5G，岸基通信手段發展迅速，但由于海洋環境復雜多變、高濕熱/鹽霧/霉菌、海上施工困難等原因，海洋通信的發展略滯后于岸基通信。為了保障“一帶一路”發展，必須確保海上絲綢之路相關海域能夠實現無縫、高效和可靠的通信覆蓋。

常規的海洋通信網絡包括海上無線微波通信、衛星通信、基于陸地蜂窩網絡的岸基移動通信以及光纜通信。由于通信制式互不兼容、通信帶寬高低不一、中遠海覆蓋范圍存在盲區、缺乏高效統一的管理機制，常規海洋通信網絡難以滿足我國日益增長的海洋活動需求，成為制約海洋經濟發展的瓶頸（見表2）。因此，研究適合我國國情的海洋通信網絡架構，構建一個全覆蓋、高可靠、易管理、低成本的新型海洋通信網絡是非常重要的。

表2 常規海洋通信網絡對比分析

海洋全要素信息的交互共享服務與通信傳輸密不可分，特殊復雜的環境條件對中遠海海洋通信傳輸在通信覆蓋范圍、帶寬等方面提出了嚴苛的要求；且目前沒有單一通信手段可同時滿足海上/水下多平臺之間便捷無縫通信的需求，因此研究廣域覆蓋、多元化和高可靠性的海上通信技術勢在必行。

3.多基協同融合應用需求

隨著對地觀測平臺、遙感傳感器種類和數量日益豐富，多波段、多極化、多尺度的遙感數據源源不斷地產生。如何實現多基多源遙感數據之間的有效融合，從而提高數據利用價值，并從多源融合數據中挖掘出新的海洋關注信息，成為了遙感領域內的一個研究熱點。

多源遙感數據融合是將包含同一海洋目標或關注區域的、在空間、時間、光譜上冗余或互補的多源遙感數據按照一定規則（或算法）進行運算處理，獲得比任何單一數據更精確、完整、有效的信息，生成具有新的空間、時間、光譜特征的合成影像數據，以達到對目標和場景的綜合、完整描述。除此之外，還可結合通信數據、導航定位信息、指揮決策信息，運用大數據挖掘和人工智能進行協同融合。相比單一數據來源，多源遙感數據融合具有明顯優勢：①可提高數據來源的完整性和可靠性；②提高目標檢測和識別的準確性；③提高變化檢測和信息更新的能力。

綜上所述，海洋應用需求的快速發展對海洋信息處理提出了更高的要求，從可見光、雷達等單一傳感器信號處理向多傳感器信息融合方向發展，融合應用天空地海多基多源遙感服務海洋信息化建設是未來的發展方向。

三、多基協同多源融合海洋應用構想

由于目前海洋目標種類繁多、時空分布不均勻、傳感器各異、數據差異大，造成多基協同監測難；而海洋用戶分布較廣、通信需求多樣化、通信手段體制/頻率/速率差異大，造成協同通信難；同時海洋多基監測與通信手段時空分布不均勻，形成的數據顆粒度不一致、格式不統一等問題，造成大數據匹配與融合處理難度較大。因此，有必要推動以天空地海多基協同的多源數據融合應用服務于海洋領域。

1.天空地海多源數據獲取技術

衛星遙感作為一種長時間和大范圍監測手段，在海洋環境監測中已成功應用，無人機航空遙感近幾年迅速發展。然而由于海洋光學特性復雜，水環境變異時空尺度較高，對星載/機載傳感器的時間、空間、輻射分辨率都有著較高的要求，致使海洋環境定量遙感研究很難取得突破性進展。傳統的海洋星載水色傳感器雖然在光譜分辨率及信噪比方面具有優勢，但空間分辨率不高，時間分辨率受到衛星重訪周期以及天氣因素限制，傳統的水色傳感器在海洋環境監測中的實際應用較為有限[1]。同時在多源遙感監測的背景下，傳感器輻射特性的不一致性和時序不穩定性導致海洋環境定量遙感仍面臨較大挑戰。因此，在衛星遙感、無人機遙感成熟應用的基礎上，急需整合天空地海多基感知前端，涵蓋衛星、有人機、無人機、船載終端、多波束、淺底層剖面儀等，將水下信息、海面信息、導航定位信息與天基/空基感知信息進行融合應用，詳見圖1。

圖1 多基多源遙感監測示意圖

2.衛星遙感與低空遙感協同監測技術

無人機低空遙感精細化快速調查可與衛星遙感大范圍觀測優勢互補，形成立體觀測能力，服務于海洋應用領域。

1）在分辨率方面，衛星遙感覆蓋范圍大，無人機低空遙感以甚高分辨率（優于0.1m）為主，可形成衛星大范圍普查+無人機精細化詳查的作業模式，可在海上應急救援、海洋災后評估、海岸帶監測等業務上廣泛應用。

2）在時效性方面，一般情況下，民用衛星按照既定軌道和傾角參數運行，而無人機具備快速靈活的作業能力，因此可在重點關注區域采用無人機低空遙感監測，填補衛星遙感過境空隙，在時效性上與衛星互為補充。

3）在空間性方面，由于海洋上空云量較多、霧氣較大，采用可見光傳感器進行海洋環境監測時，成像質量易受天氣情況影響；而無人機便于低空作業，有效規避海上云霧，避免不良天氣對衛星遙感的影響。

4） 在數據源方面，雖然衛星資源也可搭載光譜、雷達等傳感器，但在突發事件區域的過境衛星，不一定搭載業務所需傳感器，造成無法及時獲取所需光譜數據。但無人機采用機械結構可靈活換裝激光雷達（Lidar）、合成孔徑雷達（SAR）等各類載荷，有效補充數據類型，尤其是高精度立體測繪數據。

綜上所述，整合衛星遙感和無人機低空遙感各自在分辨率、時效性、空間性和數據類型等方面的優勢，互為補充，可形成有效的天地一體化立體觀測能力，服務于海上突發事件應急處置、海洋防災減災等領域。

3.多源遙感數據融合應用技術

海洋目標類型眾多，不同的目標對應不同光譜信息，而多源遙感數據光譜信息豐富、覆蓋面積大、空間分辨率較高。因此需將單一傳感器的多波段信息或不同類別傳感器所提供的信息加以綜合，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補；在同一地理坐標系中，把多幅遙感圖像數據按照一定的規則，生成一幅更能有效表示該目標的圖像信息，從而獲取海洋目標的全要素信息[2]。

目前針對同一目標，以可見光為主傳感器，結合其他多基多源遙感數據融合分析，以SAR影像和可見光影像為例，闡述多源信息融合應用于海洋監測。SAR傳感器可穿透云層對地成像，具有全天時、全天候的特點；SAR圖像具有振幅和相位兩種特性。振幅信息反映地物對雷達波的后向散射強度，與地物的介電常數、含水量以及粗糙程度相關，用于識別地物目標和分類。而相位信息則反映傳感器平臺與地面目標的往返傳播距離，用于三維立體建模及目標檢測[3]。下面以天津港口區域為例分析可見光與SAR影像融合后用于道路、港口建筑物等目標提?。ㄒ妶D2）。

圖2 可見光與SAR影像融合

由圖2可見，港口區域SAR影像（圖2 b）中含有多處可見光影像（圖2 a）中不易察覺的特征信息（紅框標記處），如擋浪壩、透水構筑物、橋梁、道路等地物特征。融合圖像（圖2 c）的空間分辨率接近于原SAR影像，同時特征信息也得到了加強，且融合圖像光譜信息豐富。因此，SAR圖像與可見光圖像融合可將兩幅圖像的信息互補，將SAR圖像的重要目標特征信息加入到可見光圖像中，并使融合圖像盡可能保留原可見光圖像的細節與光譜信息，可提高可見光圖像的空間結構和特征信息，為災后評估、目標識別等業務提供目視效果好、特征明顯的融合圖像，廣泛應用于海冰監測、溢油監測、船只監測等領域。

四、基于天空地海多基信息融合的典型應用

1.我國近岸海域動態監管體系

采用“天空地?！币惑w化監視監測技術，融合應用天空地海多基手段，構建國家—省—市—縣四級海域監測體系。通過遙感衛星、無人機、移動監測平臺、浮臺、島礁監測站、無人艇、波浪能滑翔機、通信衛星、導航衛星等多種感知手段，可實現我國近岸海域“全覆蓋、立體化、高精度”綜合監控，形成主動監控與協同處置能力，對我國近岸海域邊界/爭議區的島礁及周邊海域、重點航線、捕撈區、油氣資源開發活動等進行動態監測，體系架構圖如圖3所示。

圖3 近岸海域動態監管體系架構示意圖

2.海上通信指揮體系

基于衛星通信、北斗導航、無線通信、AIS等技術，集成天、空、岸、海多源數據采集、處理、應用裝備，構建三級聯動指揮體系，指令傳達至最基層任務單元，形成海上通信指揮體系。指揮中心或者基地可通過衛星通信、短波通信等方式接收船隊回傳的各類監測數據，實時分析、指揮決策，下達任務指令，形成對非法船舶、環境污染和非法捕撈等行為的常態化監控能力（見圖4）。

圖4 海上通信指揮體系架構圖

3.海洋多源遙感災后評估

目前，多源遙感在海洋防災減災方面進行災情信息快速獲取與動態評估的應用逐漸成熟。臺風過境后要快速獲取、分析災情，并快速作出合理的救援響應，就需以不同尺度、不同類型的地理空間信息為基礎；而遙感影像是災情信息的重要載體，多源遙感影像具有光譜信息豐富、紋理結構清晰、成本較低、速度快等特點，滿足對災情監測時效性和災情評估準確性的要求，在災情監測和評估中作用顯著。因此，由于災情信息多樣性和災情信息需求的緊迫性，用一種影像無法完全滿足災情快速、精確分析的要求，所以利用多源遙感影像來進行災情評估是必要的。

以2015年9月臺風杜鵑在中國福建省莆田市登陸為例，運用無人機進行災情快速調查，形成0.1m正射影像成果；同時獲取高分系列衛星在臺風受災前的過境影像，融合對比發現大量農田受臺風影響，導致海水倒灌淹沒農作物（見圖5）。

圖5 臺風災情調查農田淹沒情況

此外，通過多源遙感影像分析發現災后堤壩損毀、碼頭船只受損等災情，提取受災區域，統計受災面積，為災情調查評估和災后救援提供了可靠的數據支撐（見圖6）。

圖6 臺風災情調查現狀

五、結論與建議

海洋對于通信、導航、遙感信息有著復雜的需求，應以空間信息技術為基礎，結合互聯網+、云計算、人工智能等前沿技術，建立天空地海多基協同多源融合的海洋應用體系，實現多源多維立體信息感知、廣域通信覆蓋、多源數據融合應用，為經略海洋、建設海洋強國提供強有力的支撐。

隨著對地觀測手段的日益豐富，海洋領域對多源遙感數據融合的需求越來越多，因此，為滿足海洋、國土、水利、環保等領域的需求，需進一步深入研究多基多源信息融合的理論和方法，以下是一些可繼續深入研究的方向：

1）深入研究通導遙衛星一體化及與人工智能在軌處理的集成技術；

2）深入研究多源遙感數據的空間融合問題，實現任意遙感數據之間的無縫匹配；

3）針對多源異構的遙感大數據，研究深度學習、遷移學習等新技術手段，探索實現高效數據挖掘，海上動目標精準識別。