高分遙感在智慧城市新基建中的應(yīng)用研究

金笑天，里 巍，張振川，夏志華

（1.遙導(dǎo)通（上海）信息有限公司，上海 210702；2.遙聚信息服務(wù)（上海）有限公司，上海 210702；3.上海市信息技術(shù)研究中心，上海 210702；4.上海簡順信息技術(shù)有限公司，上海 210702）

智慧城市概念最早起源于2009 年IBM 公司提出的“智慧地球”理念，以應(yīng)對(duì)美國2008 年金融危機(jī)重啟經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)、交通等技術(shù)升級(jí)需求，城市作為重振經(jīng)濟(jì)、技術(shù)創(chuàng)新的中心，智慧城市這一概念逐漸被大眾接受。發(fā)展到現(xiàn)在，智慧城市的廣義概念和外延發(fā)生了深刻的變化，更加密切關(guān)聯(lián)于信息技術(shù)的革新，城市不僅是聳立的摩天大樓、繁忙的工業(yè)園區(qū)、密布的居民生活區(qū)和擁堵的道路網(wǎng)絡(luò)混雜而成，作為社會(huì)治理、人口集聚、經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新和文化生活的中心，智慧城市更需要信息技術(shù)的支撐，隨時(shí)應(yīng)對(duì)各種變化和難題，信息將社會(huì)經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)環(huán)境等精密地穿插在一起，為智慧城市管理和運(yùn)營提供科學(xué)決策，這一趨勢越來越明顯。

智慧城市新基建主要包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施、創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施3 個(gè)方面內(nèi)容，其中信息基礎(chǔ)設(shè)施主要指以新一代信息技術(shù)演化生成的基礎(chǔ)設(shè)施，如5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等[1]，衛(wèi)星高分遙感屬于信息基礎(chǔ)設(shè)施的范疇。

智慧城市信息基礎(chǔ)設(shè)施新基建主要由3 個(gè)層面構(gòu)成，即基礎(chǔ)信息感知層、中間數(shù)據(jù)處理中臺(tái)、界面應(yīng)用層。其中信息感知層以各種ICT 技術(shù)為基礎(chǔ)，主要承擔(dān)場景感知和信息數(shù)據(jù)收集的使命；中間數(shù)據(jù)處理中臺(tái)則將通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等渠道采集的信息進(jìn)行分析處理；界面應(yīng)用層是整個(gè)智慧城市信息化框架的終端，主要是面向政府、企業(yè)、個(gè)人以及公共服務(wù)需求。

城市作為諸多復(fù)雜要素組成的大規(guī)模時(shí)空協(xié)同系統(tǒng)，空間信息是智慧城市建設(shè)與應(yīng)用的最重要的基礎(chǔ)信息之一，隨著城市建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，政府在資源有效利用、環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)管理和公眾信息服務(wù)等方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要在多個(gè)空間尺度上全面及時(shí)地獲取動(dòng)態(tài)信息，對(duì)于城市要素的空間位置、分布態(tài)勢、變動(dòng)和趨勢進(jìn)行掌握和監(jiān)管[2]。

在智慧城市新基建的時(shí)代背景下，城市規(guī)劃與構(gòu)建的主要任務(wù)之一是對(duì)信息數(shù)據(jù)資源的整合以及數(shù)據(jù)信息的開放共享，本文以高分遙感技術(shù)應(yīng)用為切入點(diǎn)，探索智慧城市新基建的相關(guān)需求，旨在建設(shè)更加舒適、宜居的城市環(huán)境，促進(jìn)我國智慧城市建設(shè)水平的全面提升。

基于衛(wèi)星的高分遙感技術(shù)是一種重要的智慧城市的信息監(jiān)測方法，尤其是可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取一個(gè)廣域的地形、地貌特征、自然資源、土地利用與覆蓋和城市與經(jīng)濟(jì)等自然地理和經(jīng)濟(jì)要素信息，高分遙感監(jiān)測方式具有獨(dú)特的監(jiān)測優(yōu)勢，可作為支撐智慧城市新基建的技術(shù)手段和方法。通過對(duì)高分遙感數(shù)據(jù)的解譯和分析，可以為城市建成區(qū)監(jiān)測、自然資源調(diào)查、國土生態(tài)修復(fù)、防災(zāi)減災(zāi)等提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以對(duì)國土利用、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、城市建設(shè)、交通規(guī)劃和生產(chǎn)建設(shè)等政策的實(shí)施效果進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)價(jià)，這是一種重要的科學(xué)決策依據(jù)，是智慧城市新基建的重要組成部分[3]。

1 高分遙感數(shù)據(jù)的獲取

智慧城市新基建中需要用到多源的高分遙感數(shù)據(jù)，快速方便地獲取多源高分遙感數(shù)據(jù)并進(jìn)行解譯分析處理，是遙感支撐智慧城市新基建的關(guān)鍵所在。2019 年國家航天局發(fā)布了《國家民用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)管理暫行辦法》，為民用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)開放共享提供政策保障，為我國遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的管理，推動(dòng)數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用推廣和相關(guān)文化產(chǎn)業(yè)提供有力的政策保障。同年，國防科工局發(fā)布的《高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)管理暫行辦法》，覆蓋高分?jǐn)?shù)據(jù)接收、處理、存檔、分發(fā)和應(yīng)用的全過程。

用戶獲取高分遙感影像數(shù)據(jù)主要有兩種途徑，受控類或公開類遙感數(shù)據(jù)可以通過國家、省級(jí)遙感中心以介質(zhì)拷貝方式獲??；涉密遙感數(shù)據(jù)保護(hù)必須通過特用存儲(chǔ)介質(zhì)獲取涉密數(shù)據(jù)，在獲取高分遙感影像數(shù)據(jù)后，應(yīng)進(jìn)行備份和歸檔。

同時(shí)，還要繼續(xù)重視來源于國際遙感數(shù)據(jù)的收集和整理，例如USGS Earth Explorer 擁有的始于1972 年的Landsat 遙感衛(wèi)星影像系列，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS，United States Geological Survey）對(duì)此提供完全的免費(fèi)空間數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)質(zhì)量非常高，數(shù)據(jù)積累周期已近50 年，在科學(xué)研究當(dāng)中應(yīng)用非常廣泛；NASA 著名的ASTER GDEM，SRTM（航天雷達(dá)地形測繪）等遙感影像是城市規(guī)劃和國土空間調(diào)查等重要的數(shù)據(jù)來源，也是目前覆蓋最廣的高精度全球高程數(shù)據(jù)來源。

對(duì)于我國當(dāng)前的“高分專項(xiàng)”來講，為了更好地獲取和處理高分遙感數(shù)據(jù)，有必要建設(shè)高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)中心，參照上述兩個(gè)管理辦法、建設(shè)區(qū)域高分遙感一站式數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，建議搭建“長三角高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)云平臺(tái)”，服務(wù)長三角區(qū)域，助力長三角一體化發(fā)展。通過搜集、整合各部門現(xiàn)存遙感影像數(shù)據(jù)，建設(shè)共享機(jī)制，為不同分辨率、不同時(shí)相、不同類型遙感影像需求服務(wù)，建設(shè)高空間分辨率、高時(shí)相分辨率，高光譜分辨率，融合多源遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)中心。

2 長三角高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)云平臺(tái)

長三角高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)云平臺(tái)的主要建設(shè)內(nèi)容是搭建一個(gè)影像數(shù)據(jù)資源豐富、及時(shí)更新、界面服務(wù)友好的空間信息數(shù)據(jù)云平臺(tái)。在面對(duì)長三角經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展面臨的突出問題時(shí)，通過衛(wèi)星影像全時(shí)域的特征，為科學(xué)決策提供信息支撐。

高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)中心建設(shè)的最大難點(diǎn)在于如何處理遙感大數(shù)據(jù)問題，大數(shù)據(jù)現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)于高分遙感的應(yīng)用既是全新的挑戰(zhàn)也是發(fā)展機(jī)遇。如圖1 所示，從高分遙感數(shù)據(jù)中心獲取的各類數(shù)據(jù)，為智慧城市新基建的實(shí)施，提供可視化信息動(dòng)態(tài)圖，為相關(guān)服務(wù)和規(guī)劃打好基礎(chǔ)。

圖1 長三角高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)云平臺(tái)架構(gòu)圖

該云平臺(tái)的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)量劇增：由MB 發(fā)展到GB、TB再到現(xiàn)在的PB 數(shù)量級(jí)；高分遙感影像處理、分析技術(shù)需要從人工解譯走向智能化解譯。

（2）多源遙感數(shù)據(jù)：航空、航天、無人機(jī)、SAR、Lidar等成像類型的多樣化，成像機(jī)理多、影像獲取方式的多樣、時(shí)空分辨率的多樣性和高光譜特征造成影像類型的多樣化。多源遙感數(shù)據(jù)與異構(gòu)數(shù)據(jù)增加了遙感數(shù)據(jù)信息的整合難度，但這也正是智慧城市建設(shè)的新需求，研究開發(fā)多源遙感數(shù)據(jù)融合技術(shù)與產(chǎn)品，是高分遙感應(yīng)用產(chǎn)品的重要方向。

（3）時(shí)效性差異：遙感數(shù)據(jù)來源的多樣化，帶來影像時(shí)效性的高低也有所差異，有的要求時(shí)效性高，比如天氣預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)的發(fā)布與反饋是實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的；有的數(shù)據(jù)時(shí)效性要求較低，比如地面覆被變化、路網(wǎng)提取等則需要一段時(shí)期或一定時(shí)序的長期對(duì)地觀測數(shù)據(jù)。

（4）應(yīng)用需求個(gè)性化：將應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為服務(wù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值和優(yōu)勢，但應(yīng)用需求更加個(gè)性化，比如“山、水、林、田、湖、海、草”等自然資源調(diào)查需求與智慧城市和城鄉(xiāng)規(guī)劃需求差異非常大。

3 長三角高分遙感云平臺(tái)支撐智慧城市建設(shè)

3.1 高分遙感助力智慧城市建設(shè)

目前已有300 多個(gè)大中城市開始智慧城市建設(shè)，“一網(wǎng)統(tǒng)管”和“數(shù)字政府”是政府、機(jī)構(gòu)向服務(wù)型社會(huì)轉(zhuǎn)型的重要體現(xiàn)，長三角地區(qū)的智慧城市建設(shè)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用都走在全國前列。通過將高分遙感數(shù)據(jù)運(yùn)用到城市大腦的“一網(wǎng)統(tǒng)管”平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)城市綜合宏觀全貌和微觀圖像的場景并現(xiàn)，同時(shí)，也可以通過遙感數(shù)據(jù)分析模型反演城市擴(kuò)張建設(shè)歷史，提取城市土地覆被、環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)，為智慧城市建設(shè)、生態(tài)環(huán)保、防災(zāi)減災(zāi)等提供決策支持。

高分遙感影像是智慧城市空間規(guī)劃的重要數(shù)據(jù)來源，在智慧城市的規(guī)劃與建設(shè)中首先應(yīng)該考慮的是如何將城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中可能存在的多種不同類型數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，這就需要智慧城市的規(guī)劃與布局要從頂層設(shè)計(jì)理念出發(fā)，考慮不同的目標(biāo)與需求，將智慧城市規(guī)劃與布局新基建分為業(yè)務(wù)架構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)以及安全體系架構(gòu)等主要方面，高分遙感智慧城市云服務(wù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過對(duì)接城市新基建的頂層需求入手，來建設(shè)一個(gè)更加清晰、智能、完善和安全的系列產(chǎn)品。

高分遙感影像是智慧城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要來源，服務(wù)于智慧城市新基建以低碳經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)保為主的發(fā)展理念。在高分遙感大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)的支撐下，智慧城市建設(shè)將能滿足對(duì)生態(tài)環(huán)境的全新要求。比如，內(nèi)澇是我國城市發(fā)展面臨的一大棘手問題，每年夏、秋季節(jié)長江中下游城市和沿海多數(shù)城市都會(huì)發(fā)生內(nèi)澇，且隨著城市擴(kuò)展、地面硬化，內(nèi)澇問題愈加嚴(yán)重。研究城市地面覆被變化，建設(shè)海綿城市，規(guī)劃和設(shè)計(jì)城市給水、排水系統(tǒng)等都需求完整的城市地面和地下空間模型。高分遙感數(shù)據(jù)需要滿足米級(jí)-亞米級(jí)空間分辨率才能為城市公共管線設(shè)施、地下交通設(shè)施等城市空間模型提供精準(zhǔn)服務(wù)，我國陸續(xù)發(fā)射的“高分專項(xiàng)”系列衛(wèi)星將可以滿足智慧城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)需求。

高分遙感數(shù)據(jù)是智慧城市建設(shè)多源數(shù)據(jù)匯合的主要載體，智慧城市建設(shè)與運(yùn)管每天都會(huì)從不同的來源產(chǎn)生海量大數(shù)據(jù)，選擇大數(shù)據(jù)匯集的載體至關(guān)重要，例如：智慧交通市政領(lǐng)域就會(huì)對(duì)收集的巨量的數(shù)據(jù)信息重建，智慧園區(qū)和平安社區(qū)運(yùn)管在實(shí)現(xiàn)政府?dāng)?shù)字化治理職能的過程中需要結(jié)合多種數(shù)據(jù)來源和異構(gòu)數(shù)據(jù)，高分遙感云服務(wù)平臺(tái)提供“一張圖”產(chǎn)品，將各種信息數(shù)據(jù)落實(shí)到城市現(xiàn)實(shí)時(shí)空之中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)信息的有效整合（比如：安防、交通、氣象、政務(wù)、商業(yè)、醫(yī)療、家居、物業(yè)和資產(chǎn)等），為智慧城市社會(huì)活動(dòng)提供高質(zhì)量的社區(qū)環(huán)境，進(jìn)而為智慧城市新基建賦能服務(wù)的類型應(yīng)用提供新的方向。

通過生產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)常規(guī)產(chǎn)品和專題產(chǎn)品，還可以應(yīng)用于城鄉(xiāng)建設(shè)用地動(dòng)態(tài)監(jiān)測、國土規(guī)劃分析與指引等。高分遙感數(shù)據(jù)助力智慧城市建設(shè)項(xiàng)目形成的成果包括多種數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用系統(tǒng)、專題信息報(bào)告等，成為支撐智慧城市規(guī)劃管理工作的管理手段和監(jiān)測評(píng)價(jià)工具，提高城市精細(xì)化管理水平。

3.2 高分遙感數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的共享和分發(fā)

2018 年，國務(wù)院辦公廳、中央軍委辦公廳印發(fā)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)開放共享管理相關(guān)文件。依據(jù)該文件，高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)中心可以調(diào)整共享適用范圍，制定管理辦法和規(guī)范，支持智慧城市新基建中有關(guān)民用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的獲取、管理和分發(fā)，從需求采集、數(shù)據(jù)獲取、管理分發(fā)、共享服務(wù)、成果匯交和用戶反饋等高分遙感數(shù)據(jù)的全流程。

3.3 高分遙感數(shù)據(jù)的更新機(jī)制

我國“高分專項(xiàng)”工程負(fù)責(zé)開展高分遙感系列衛(wèi)星地面系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行管理工作及技術(shù)支持，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)高分專項(xiàng)地面站網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行管理。目前主要承擔(dān)高分遙感影像科學(xué)研究用途，以及應(yīng)急委托影像處理和服務(wù)，是開展高分遙感影像國際交流與合作的主要途徑之一。

建設(shè)長三角高分遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用云服務(wù)平臺(tái)，提供我國高分遙感衛(wèi)星地面站自1986 年接收的城市遙感衛(wèi)星存檔數(shù)據(jù)及目錄信息查詢，以及商業(yè)化遙感云服務(wù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)，滿足智慧城市新基建需求。整合美國陸地遙感衛(wèi)星系列影像（LANDSAT-5/7/8）、歐空局遙感影像（ENVISAT-1）和法國SPOT 遙感衛(wèi)星系列影像（SPOT-1/2/4/5/6）等，實(shí)現(xiàn)遙感影像的查詢、下載和訂購服務(wù)。

通過對(duì)接我國遙感衛(wèi)星地面接收中心的影像生產(chǎn)情況，保證高分遙感常規(guī)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的正常獲取和更新。為保障對(duì)遙感影像進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的更新，根據(jù)更新周期可分為即時(shí)更新、日更新、月度更新和年度更新等類別。通過高分遙感數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)云平臺(tái)，將舊數(shù)據(jù)進(jìn)行版本更替，并自動(dòng)保存在歷史數(shù)據(jù)庫后，再導(dǎo)入更新后的數(shù)據(jù)。這樣可以有力支撐智慧城市所需要的高分遙感數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

智慧城市新基建是城市現(xiàn)代化發(fā)展的新階段，通過高分遙感、北斗/GPS、AIoT、云計(jì)算等技術(shù)創(chuàng)新與各行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐等獲取智慧城市大數(shù)據(jù)，利用高分遙感、空間信息等技術(shù)手段對(duì)智慧城市大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、研究、應(yīng)用，使智慧城市具備較強(qiáng)的感知和適應(yīng)能力，促進(jìn)信息資源的集約化、可視化，通過這些信息資源的整合與共享，實(shí)現(xiàn)智慧城市科學(xué)管理，支持智慧城市的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。