天空多源遙感海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

文 | 雷建勝 鄧守峰 艾寧義

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、引言

我國是海洋大國，海洋經(jīng)濟已成為國民經(jīng)濟增長的重要動力，2021 年全國海洋經(jīng)濟生產(chǎn)總值突破了9 萬億元，而龐大的經(jīng)濟總量背后也對海洋經(jīng)濟建設(shè)活動的監(jiān)管帶來巨大壓力。同時，由于歷史和現(xiàn)實的原因，我國海上安全形勢日趨嚴(yán)峻和復(fù)雜，以與海上鄰國的權(quán)益爭端為甚，有關(guān)國家通過島嶼侵占、油氣盜采、非法測繪、非法捕撈、非法闖入等方式頻頻侵犯我國領(lǐng)海權(quán)益，但目前仍缺乏行之有效的管控手段。

針對海洋經(jīng)濟建設(shè)活動監(jiān)管和海上安全保障面臨的問題，依托國家重點研發(fā)專項“海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)集成與應(yīng)用示范”項目（編號2017YFC1404900），天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司成立項目組，設(shè)計集成了天空多源遙感海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)，并在實際業(yè)務(wù)中驗證系統(tǒng)性能。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

天空多源遙感海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)以廣域海上目標(biāo)識別與監(jiān)視業(yè)務(wù)應(yīng)用為牽引，整合天空基軟硬件資源，形成感知層、通信層、處理層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層，系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 天空多源遙感海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)

感知層利用高分辨率遙感衛(wèi)星和無人機形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮衛(wèi)星高位監(jiān)測和無人機靈活機動的互補優(yōu)勢，獲取廣闊監(jiān)測區(qū)域的遙感影像。

通信層借助衛(wèi)星通信、微波、4G/5G 等通信手段建立監(jiān)測現(xiàn)場與指揮中心及業(yè)務(wù)管理部門的聯(lián)系，保障空中與地面、前方與后方的穩(wěn)定通信，保障監(jiān)測過程中穩(wěn)定的實時監(jiān)控和對監(jiān)測資源的指揮調(diào)度。

處理層將獲取的遙感影像和監(jiān)測數(shù)據(jù)處理成目標(biāo)識別和監(jiān)測態(tài)勢專題產(chǎn)品，同時對數(shù)據(jù)、任務(wù)、人員信息及權(quán)限、系統(tǒng)資源等進行增、刪、改、查及管理。

數(shù)據(jù)層主要是目標(biāo)監(jiān)視監(jiān)測過程需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括海域海島權(quán)屬數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、目標(biāo)樣本庫等，還包括船岸基監(jiān)測資源及業(yè)務(wù)部門的支援?dāng)?shù)據(jù)。

應(yīng)用層為用戶開展天空協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、無人機飛行監(jiān)控、目標(biāo)識別與變化檢測等任務(wù)提供操作接口，同時為與國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)管理平臺、藍海信息網(wǎng)絡(luò)綜合管控系統(tǒng)等業(yè)務(wù)平臺交互數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)接口。

三、系統(tǒng)組成

1. 感知分系統(tǒng)

天空多源遙感感知分系統(tǒng)包括天基感知平臺和空基感知平臺。

（1） 天基感知平臺

天基感知平臺以國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星為主，適時補充國外商業(yè)遙感衛(wèi)星，以多星組合應(yīng)用的方式實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域衛(wèi)星遙感影像全覆蓋。引入的國產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星資源在傳感器類型、分辨率、影像獲取周期等方面均具有互補性。

（2） 空基感知平臺

空基感知平臺由無人機和移動監(jiān)測平臺組成。

無人機包括大中小型固定翼無人機、無人值守?zé)o人機、船載無人機，其載荷能力、任務(wù)半徑、監(jiān)測目標(biāo)、適用場景等方面能力具有互補性，具備可見光、紅外、SAR、傾斜攝影、搜索雷達等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取能力，實現(xiàn)近岸、中遠海目標(biāo)監(jiān)測覆蓋。

無人機移動監(jiān)測平臺在車輛中集成通信設(shè)備（衛(wèi)星通信、4G/5G 通信、微波、北斗等）、VPDN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、視頻會議終端、工控機等設(shè)備，具有應(yīng)急通信、指揮調(diào)度、現(xiàn)場監(jiān)視、現(xiàn)場辦公、設(shè)備儲運等功能，是無人機現(xiàn)場監(jiān)測與后方指揮中心的“信息中轉(zhuǎn)站”。

2. 傳輸分系統(tǒng)

衛(wèi)星拍攝的遙感影像由運營單位通過專有鏈路傳輸至地面。本系統(tǒng)建設(shè)了一條帶寬為10Mbit/s 的衛(wèi)星數(shù)據(jù)專線，用于從衛(wèi)星運營單位獲取需要的衛(wèi)星影像。

空基傳輸分系統(tǒng)在無人機平臺、無人機移動監(jiān)測平臺、測控車、無人值守機艙中分別集成了Ku衛(wèi)星通信、微波通信、4G/5G 等多種通信手段，完成無人機飛行狀態(tài)、目標(biāo)監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)的遠程傳輸。天空基感知與傳輸拓撲圖如圖2 所示。

圖2 天空基感知與傳輸拓撲圖

3. 數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

天空遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)由天空協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、無人機飛行監(jiān)控、固定目標(biāo)識別與變化檢測、移動目標(biāo)識別與跟蹤、數(shù)據(jù)管理與處理、空基前端快速數(shù)據(jù)處理等軟件組成（圖3），分系統(tǒng)受海域管理部門的綜合業(yè)務(wù)管理平臺指揮調(diào)度。遙感數(shù)據(jù)處理過程由天空協(xié)同任務(wù)規(guī)劃軟件驅(qū)動，最終數(shù)據(jù)成果推送至綜合業(yè)務(wù)管理平臺。

圖3 天空基遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組成圖

天空協(xié)同任務(wù)規(guī)劃軟件是天空基遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)的“門戶”，負責(zé)與綜合業(yè)務(wù)管理平臺對接，完成監(jiān)測任務(wù)和成果數(shù)據(jù)的上傳下達。同時，軟件集成了天空協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法，推演天基與空基監(jiān)測資源分配的最優(yōu)方案，并監(jiān)控和管理任務(wù)全過程。

無人機飛行監(jiān)控軟件和空基前端快速數(shù)據(jù)處理軟件共同完成無人機飛行監(jiān)控任務(wù)。其中，空基前端快速數(shù)據(jù)處理軟件部署在無人機移動監(jiān)測平臺中，完成對異構(gòu)無人機的協(xié)議匹配、現(xiàn)場控制、原始數(shù)據(jù)管理，并借助無人機移動監(jiān)測平臺的網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸至無人機飛行監(jiān)控軟件。無人機飛行監(jiān)控軟件部署在指揮中心，接收空基監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)并作為服務(wù)端供其他軟件調(diào)用。

海上移動目標(biāo)識別與跟蹤軟件部署在無人機移動監(jiān)測平臺中，軟件集成了船舶識別算法，在無人機航拍可見光視頻中標(biāo)記船舶位置，控制吊艙鎖定特定目標(biāo)并持續(xù)跟蹤。

海上固定目標(biāo)識別軟件集成了島礁變化檢測和海上石油平臺識別兩種算法，在無人機或衛(wèi)星遙感影像中完成海上固定目標(biāo)的識別與變化檢測。

數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)管理軟件根據(jù)任務(wù)需要對二三維數(shù)據(jù)進行拼接、建模、融合等處理，制作數(shù)據(jù)切片發(fā)布至服務(wù)端，提供數(shù)據(jù)存儲、檢索服務(wù)，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程訪問和管理。

四、應(yīng)用模式

衛(wèi)星遙感監(jiān)測覆蓋范圍廣，無人機監(jiān)測機動靈活、分辨率高，衛(wèi)星與無人機相互引導(dǎo)、相互補充，實現(xiàn)天空協(xié)同監(jiān)測。

1） 在業(yè)務(wù)層面，無人機發(fā)現(xiàn)異常目標(biāo)時調(diào)度衛(wèi)星開展更大范圍監(jiān)測；衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)異常目標(biāo)則調(diào)度更高分辨率衛(wèi)星或無人機開展精細化監(jiān)測。

2） 在應(yīng)用層面，海上固定目標(biāo)以衛(wèi)星和無人機遙感影像為主要監(jiān)測手段，無人機航拍視頻作為應(yīng)急任務(wù)中指揮調(diào)度和調(diào)查取證手段；海上移動目標(biāo)以無人機航拍視頻為主要監(jiān)測手段，衛(wèi)星影像作為輔助手段用于事后調(diào)查取證。

3） 在執(zhí)行層面，天空協(xié)同任務(wù)規(guī)劃軟件根據(jù)任務(wù)信息推演遙感衛(wèi)星過境情況和無人機資源可用性，綜合分析遙感覆蓋能力，規(guī)劃調(diào)配天空基資源，生成最優(yōu)監(jiān)測方案，下發(fā)至衛(wèi)星和無人機監(jiān)測平臺開展協(xié)同監(jiān)測。

圖4為天空多源遙感海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)工作流程圖。

圖4 天空多源遙感海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)工作流程圖

五、應(yīng)用案例與示范

1. 海南日月人工島變化檢測

日月灣綜合旅游度假區(qū)是海南重點項目，日月人工島項目是一項標(biāo)桿工程，總填海面積97 公頃。其中，月島填海項目在取得海洋環(huán)評批復(fù)前即開工建設(shè)，2016 年開始圍堰，2017 年月島外部圍堰已完全形成，直至中央第三生態(tài)環(huán)境保護督察組進駐海南省期間月島才實際停止違法填海行為。2020 年10 月海南省人民政府網(wǎng)公布《海南省貫徹落實中央第三生態(tài)環(huán)境保護督察組督察報告整改方案》，提出將依法收回月島項目海域使用權(quán)，注銷海域使用權(quán)證書并完成月島項目拆除。

2021 年6 月中旬，項目組利用日月灣附近的監(jiān)視浮標(biāo)發(fā)現(xiàn)月島上有大型器械多日連續(xù)施工，有一部分防波堤被拆除。6 月19 日，項目組利用天空協(xié)同任務(wù)規(guī)劃軟件創(chuàng)建日月島監(jiān)測任務(wù)，調(diào)度中型固定翼無人機搭載可見光相機開展現(xiàn)場核查，并調(diào)取歷史衛(wèi)星影像，最后利用固定目標(biāo)變化檢測軟件分別在無人機影像和衛(wèi)星影像基礎(chǔ)上檢測了月島變化。

本次無人機監(jiān)測獲取了日月島0.1m 分辨率的正射影像，利用固定目標(biāo)變化檢測軟件將之與2019年8 月15 日相同分辨率正射影像對比，識別兩期影像差異。識別結(jié)果表明，2021 年6 月19 日的日月島較2019 年8 月15 日變化面積為0.14km（圖5）。

圖5 日月島變化檢測結(jié)果（無人機影像）

在2016 年8 月17 日和2021 年5 月18 日的兩期高分二號（GF-2）衛(wèi)星影像（分辨率1m）基礎(chǔ)上檢測日月島變化，識別結(jié)果表明日月島變化面積為0.40km（圖6）。

圖6 日月島變化檢測結(jié)果（衛(wèi)星影像）

2. 船只目標(biāo)監(jiān)測

（1） “非法測繪”船只監(jiān)測示范

2021 年6 月19 日，項目組在海南陵水組織了海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)綜合示范驗證試驗，模擬了天空船岸系統(tǒng)對不明船只非法測繪的監(jiān)視與處置場景：船只異常航線被岸基監(jiān)測分系統(tǒng)識別為疑似非法測繪行為并觸發(fā)告警，綜合業(yè)務(wù)管理平臺向天空基分系統(tǒng)、電科1 號船基分系統(tǒng)下發(fā)抵近監(jiān)視任務(wù)指令。

示范過程中，船載無人機抵達事發(fā)海域?qū)δ繕?biāo)船只抵近跟蹤和調(diào)查取證，實時視頻傳回指揮大廳（圖7）。

圖7 指揮大廳遠程監(jiān)控示范現(xiàn)場

試驗后調(diào)取了事發(fā)區(qū)域的PlanetScope 衛(wèi)星影像（分辨率3m），展示了試驗現(xiàn)場監(jiān)測船、執(zhí)法船及可疑目標(biāo)的態(tài)勢（圖8），作為對違法行為處置的證據(jù)。

圖8 PlanetScope 衛(wèi)星對試驗現(xiàn)場的監(jiān)測影像

（2） 船只監(jiān)測距離示范

2020 年8 月，項目組利用大型固定翼無人機CH-4 搭載光電吊艙、對海搜索雷達和船舶自動識別系統(tǒng)（AIS），在三亞東南海域開展了針對海上船只監(jiān)測的應(yīng)用示范。本次應(yīng)用示范最大飛行高度3000m，最遠飛行170km（受空域限制），獲取了海面目標(biāo)船只的身份信息、光學(xué)影像、雷達圖像等信息，驗證了“空基載荷對海上船只（船長30m）目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離不小于50km”“空基系統(tǒng)具備通信半徑內(nèi)的監(jiān)測視頻實時傳輸能力”等指標(biāo)。圖9 為CH-4 無人機飛行航線和飛行監(jiān)控界面。

圖9 CH-4 無人機監(jiān)測船只

本次試驗過程中海況良好，能見度高。試驗以機載AIS 設(shè)備為指引，隨機選取海面船只作為監(jiān)測目標(biāo)，測試可見光和紅外影像發(fā)現(xiàn)船只的極限距離。影像與AIS 數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明：可見光對18m 長船只的最遠發(fā)現(xiàn)距離為22.8km，紅外對53m 長船只的最遠發(fā)現(xiàn)距離為21.2km。

機載雷達獲取多批次目標(biāo)航跡、距離、位置、速度等信息，在其中選取一條15m 長的船只連續(xù)跟蹤（批號為844，圖10）。監(jiān)測時機載雷達顯示無人機與目標(biāo)船只的距離為52.36km，AIS 監(jiān)控系統(tǒng)顯示與目標(biāo)船只的距離為29.17 n mile，約合54.02km，機載雷達與AIS 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離相近，二者監(jiān)測結(jié)果相互得到印證。

圖10 雷達與AIS 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船只監(jiān)控界面

六、結(jié)束語

認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋的基礎(chǔ)在于感知海洋。在新的國內(nèi)和國際形勢下，開展我國管轄海域管理對于推動海洋裝備自主化創(chuàng)新、保障海洋經(jīng)濟發(fā)展、維護海洋權(quán)益具有重要意義。以海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)集成與應(yīng)用示范項目為起點，開展我國管轄海域海上目標(biāo)立體化感知體系建設(shè)，持續(xù)加快我國管轄海域目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和能力建設(shè)，并向深海大洋逐步拓展，必將為我國從海洋大國邁向海洋強國發(fā)揮重要作用。