北京二號衛星星座影像智能服務與應用

文│高宇 陳婷 王瑞兆 Bella Wang 何建軍

1.二十一世紀空間技術應用股份有限公司

2.世紀空間北美研發中心

一、引言

近年來，我國遙感衛星研發和制造能力快速提升，衛星遙感及空間信息服務行業步入快速發展期。《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中提出打造國產高分辨率商業遙感衛星運營服務平臺，推進商業衛星發展和商業化應用。目前，遙感應用場景正在逐漸豐富，相應難點也異常突出，表現在衛星數據存儲、處理、分析和服務方面，即如何高效率、低成本、穩定化獲取并使用數據。因此，基于云計算、大數據、人工智能、空間信息集成等新一代信息技術，通過整合數據資源、計算資源、軟件系統等，為用戶提供遙感影像智能服務與應用成為商業遙感衛星服務的發展趨勢。

北京二號衛星星座影像智能服務平臺（以下簡稱“影像智能服務平臺”）以商業遙感衛星北京二號衛星星座數據源為資源，以互聯網為依托、以軟件為中心、以平臺即服務，實現遙感影像、信息和應用的智能服務，形成衛星編目、日新圖、一張圖、智能處理、智能分析、增值服務等多種高效即時服務模式，為各行業及公眾用戶提供多時期、多類型、多形態、高質量、高精度、高分辨率的遙感衛星影像數據以及海量數據智能分析的服務與應用。

二、數據獲取與產品體系

1. 衛星能力

北京二號遙感衛星星座由二十一世紀空間技術應用股份有限公司（以下簡稱“二十一世紀公司”）自主投資，采取國際合作、自主研發與集成創新相結合方式研建，自2016 年7 月開始正式商業運行，面向我國及全球提供遙感衛星數據和空間信息產品。

北京二號遙感衛星星座由3 顆分辨率優于1m、等相位分布于同一太陽同步軌道面的遙感衛星組成，具有全球任意一點1 ～2 天重訪能力。北京二號遙感衛星呈7 面體結構，重約450kg，高約2.5m。每顆衛星由SSTL-300S1 平臺和VHRI-100高分辨率成像儀組成。SSTL-300S1 平臺能夠提供45o的快速側擺能力，VHRI-100 成像儀在軌提供幅寬約24km、優于1m 分辨率全色和4m 分辨率藍、綠、紅、近紅外多光譜圖像。

2. 數據獲取

北京二號遙感衛星星座建立了12m 與7.5m 互為備份的北京主接收站，以及牡丹江和新加坡為補充的地面接收協同站網，可同時對多顆中低軌道遙感衛星進行全天候、全方位跟蹤，擁有X 頻段數據接收及S 頻段衛星測控能力，完成星座成像任務上注和全球成像數據的及時與高效接收。

地面處理系統對接衛星地面接收站網，由地面站原始數據錄入、編目信息生成與查詢檢索、標準數據處理、在軌檢校與定標、產品質檢與驗收等功能模塊組成，自動化、并行化、標準化完成北京二號衛星星座傳感器校正標準數據產品的生產與服務。地面處理系統平均2 小時內完成接收數據編目信息的公眾服務，24 小時內完成傳感器校正標準數據產品的用戶服務。

3. 影像產品

北京二號遙感衛星星座按照處理流程提供5 個級別的數據產品，包括L1-L2、L4-L6 級產品和輔助數據。L1級產品已經過輻射校正和光學畸變校正，并提供含衛星成像時刻的軌道和姿態信息的元數據文件，同時提供嚴密物理模型解算的RPC參數文件；L2 級產品已經過輻射校正和參考平均高程的系統幾何校正，圖像產品幾何定位誤差小于25m；L4 級產品是使用控制點GCPs 和DEM 生產的正射校正產品，圖像產品幾何定位誤差小于15m；L5 級產品以L1、L2 和L4 級產品為輸入生成4 波段融合影像產品；L6 級產品面向用戶或項目需求區域，進行正射校正、融合、勻色鑲嵌、真彩色轉換、位深調整處理生產的區域鑲嵌真彩色正射融合影像產品。

三、影像智能服務平臺

1. 平臺架構

圖1 影像智能服務平臺體系框架圖

基礎設施層：提供網絡通信、計算設備、存儲設備、操作系統、安全設備等軟硬件設施，是系統平臺的物理條件，為平臺提供最基礎的服務。

數據資源層：存儲北京二號衛星星座為主的各類遙感影像數據資源及業務信息數據，為平臺的數據管理、運營服務、數據計算、在線服務、應用服務提供數據存儲支撐。

支撐層：依托數據資源層，支撐平臺服務層的服務與運營，起到承上啟下的作用，將分散、異構的組件和模塊進行聚合，使得與服務系統的耦合性大大降低。

服務層：平臺采用面向服務的體系架構，以微服務的模式為不同系統提供數據查詢、影像瀏覽、智能分析、智能提取、影像服務管理等服務，響應客戶不同終端請求。

應用層：以交互界面為主，接收用戶請求，反饋用戶結果，為客戶端提供應用程序的訪問，通過不同程序提供在線服務、智能服務等應用。

2. 平臺組成

基于體系框架中對影像智能服務平臺的設計，以混合云為構建模式，形成數據管理中心、運營服務中心、數據計算中心、在線服務平臺。其中，數據管理中心負責管理并發布遙感影像數據，再由數據計算中心協同編排和調度計算，在線服務平臺為用戶提供直接瀏覽、查詢衛星數據產品和影像智能服務，并由運營服務中心通知各服務節點進行數據調度和生產交付服務等。

活動是德育課程實施的重要載體，也是學生主體性生成和發展的源泉?！缎抡n程標準》指出：“課程設計與實施注重聯系學生的生活實際，引導學生在實踐中發現和提出問題，在親身參與豐富多樣的社會活動中，逐步形成探究意識和創新精神。”這從課程理念的高度，充分肯定了活動是德育課教學之必需。隨著課標的深入落實，活動成了德育課教與學的中介，在課堂上教師通過活動來創設教學情境，使抽象的概念具體化，使傳授的方式趣味化，使認知與情感融合化，使思維與形象統一化?；顒臃闲W生的認知特點，有利于學生主體人格的形成，從而促進學生知、情、意、行的全面發展。

（1）數據管理中心

數據管理中心提供遙感影像數據的入庫插件和任務式的數據入庫功能，支持遙感影像數據的元數據信息和快視圖的采集，并提供各類影像數據基本質量檢查功能，保證數據入庫質量，同時為遙感影像數據建模和配置提供統一服務以及對庫中數據的修改和維護，包括數據資源管理、數據目錄管理、文件結構建模、數據類型建模、元數據管理、數據字典管理等功能。

（2）運營服務中心

運營服務中心充分利用云計算模型帶來的各種優勢，通過資源虛擬化、組件容器化、平臺集群管理、微服務部署調度等，為平臺的運行提供統一管理。運管中心負責影像發布和處理服務，定制產品由運營服務中心通知各服務節點進行數據獲取和生產服務，同時反饋用戶生產跟蹤信息。

（3）數據計算中心

平臺通過多服務節點協同編排、調度和監控，依托北京二號衛星星座各類影像數據資源，基于機器學習、人工智能，通過數據挖掘分析和數據知識轉化，實現了高分辨率遙感影像識別目標和要素，支持飛機、油罐、彩鋼房、風力發電、建筑物等多種地物信息提取，以及數據波段、歸一化水指數（NDWI）/歸一化植被指數（NDVI）等信息在線檢測處理。

（4）在線服務平臺

服務平臺構建基于云架構的空間大數據全球服務能力，支持衛星編目數據每天更新、實時訪問。平臺創新空間大數據云端服務模式，積極拓展遙感衛星大數據與空間信息綜合應用產業鏈，為用戶提供數據查詢、數據優選、影像瀏覽、數據訂購、智能分析、智能處理等綜合服務，實現衛星編目、遙感影像的所見即所得、所用即所需，支持遙感影像數據在線多期對比，可以直觀看到多期影像的變化情況。用戶可以通過互聯網直接訪問云服務平臺，直接瀏覽、查詢衛星數據產品或定制數據產品服務。

3. 平臺服務模式

影像智能服務平臺基于“互聯網+遙感”服務新模式，充分發揮北京二號衛星星座高分辨率數據動態、持續、快速在云上全分辨率發布和服務優勢，構建基于低成本、多時相、高空間分辨率遙感影像應用的新商業模式，改變了以往遙感技術與商業服務脫節的現象，為用戶提供在線遙感數據源和遙感商業云服務新模式結合的云平臺，面向各行業用戶提供日新圖、覆蓋圖的同時，具備在線影像智能分析和提取能力，同時支持第三方應用系統快速接入和入駐平臺，形成遙感生態服務共性產業鏈。

（1）衛星編目服務

面向用戶提供北京二號衛星星座遙感數據編目查詢服務，支持用戶基于復雜時空條件篩選數據，并將數據結果實時返回，所查即所得，所查即所需，還可以實現數據優選覆蓋以及數據熱力分析，幫助用戶選擇更精準更優質的數據。

（2）日新圖服務

面向用戶提供北京二號衛星星座遙感數據日新圖服務，基于日新圖瀏覽每日最新拍攝影像數據，實現衛星影像數據實時在線瀏覽，一目了然每天拍攝數據拍攝分布，幫助用戶更清晰地應用數據。

（3）一張圖服務

一張圖數據服務將特定區域、時相范圍的數據經過鑲嵌勻色處理后，發布成為在線地圖服務，提供給用戶實時訪問，或系統直接調用。用戶無需考慮任何前期投入，通過互聯網即可實時在線接入不同分辨率、不同區域、不同時相的一張圖數據。一張圖服務提供打包購買（預付費）、按量付費（后付費）兩種計費方式，尤其是按量付費模式，用戶可以按訪問影像面積實時出賬，做到“用多少，付多少”，降低了使用數據成本，提升了服務接入效率。

（4）智能處理服務

智能處理服務基于北京二號衛星星座標準影像產品，實現了在線波段組合、在線疊加分析、NDWI/NDVI 在線處理等在線影像處理服務。智能處理服務提供按需購買算法，按量付費結合的計費模式，方便用戶按需使用、按需收費。

（5）智能提取服務

智能提取服務依托北京二號衛星星座鑲嵌影像產品，基于機器學習、人工智能等技術，通過數據挖掘分析和數據知識轉化，實現了高分辨率遙感影像識別目標和要素，支持飛機、油罐、彩鋼房、風力發電、建筑物等多種地物信息提取。收費模式與智能處理服務相同。

（6）增值產品服務

面向用戶提供北京二號衛星星座存檔數據訂購、編程任務下單以及產品生產增值服務，數據生產完成后快速交付用戶，可實現在線存儲和在線下載。

四、影像智能服務應用

基于上述平臺架構和平臺組成，面向不同用戶、不同需求重點，可靈活、快速構建服務平臺，分別為國家科學觀測中心、中國—東盟地理信息產業園及多個區域城市管理部門等政府或行業部門提供服務應用，包括為國家對地觀測科學數據中心商業（北京衛星）分中心云服務平臺、中國—東盟衛星數據應用公共技術服務平臺和區域衛星遙感綜合應用服務系統等。

1. 國家對地觀測科學數據中心商業（北京衛星）分中心云服務平臺

國家對地觀測科學數據中心商業（北京衛星）分中心云服務平臺，依托二十一世紀公司北京系列衛星天地一體化系統和世紀智云遙感大數據云服務基礎設施構建（圖2）。通過“云+端”場景化應用，借助彈性伸縮化算力、聚焦數據服務化平臺，構建基于SaaS 模式的服務應用。對于有軟件開發和生產能力的，提供平臺服務+數據接口；對于沒有軟件開發和生產能力的，則直接提供云服務產品，有效降低用戶成本，提高數據使用和業務應用的效率，為科研用戶打造聚焦北京系列衛星的全鏈條空間數字服務平臺，提供高質量、高精度、高分辨率的遙感衛星影像數據以及海量數據智能分析服務。

圖2 國家對地觀測科學數據中心商業（北京衛星）分中心云服務平臺界面

2. 中國—東盟衛星數據應用公共技術服務平臺

中國—東盟衛星數據應用公共技術服務平臺，以私有云環境為支撐，采取“統籌規劃、統一管理、同步服務”的方式，組建了“數據主中心+數據分中心”3 個層次組成的數據資源和服務體系，依托北京系列衛星天地一體化系統和世紀智云遙感大數據云服務基礎設施，根據學科或區域數據資源的需求和特點，提供更加個性化、按需化的數據服務或離線服務，實現了從集中式“數據服務平臺”向分布式“數據服務平臺”的轉變，面向廣西地區以及東盟地區經濟建設提供多平臺、多時相、多尺度、多層次的北京二號衛星星座影像產品，提供一體化的衛星數據在線訂購與分發、在線實時數據瀏覽、智能化在線分析、數據共享接入等服務，構建新型的遙感數據服務模式，進一步提升廣西數據服務水平（圖3）。

圖3 中國—東盟衛星數據應用公共技術服務平臺界面

3. 區域衛星遙感綜合應用服務系統