海南高分衛星應用與發展

文|黃拔 王雷 楊天梁 崔貝

1.海南省地球觀測重點實驗室/中國科學院空天信息研究院海南研究院

2.中國科學院空天信息創新研究院

3.三亞中科遙感研究所

一、引言

于某個領域的典型應用案例分析，例如在城市精細化管理[1]、疾病預防[2]、城市消防[3]、自然資源管理[4]等領域。針對省域應用發展重點分析的研究還比較少。本文基于海南省高分應用推廣情況及存在的問題進行了分析，并提出了海南高分應用發展重點方向。

二、海南省高分應用推廣舉措

海南高分數據與應用中心組織開展了基礎設施建設、高分數據應用規劃論證、技術培訓、宣傳普及、交流合作、應用技術研發和用戶服務系統開發、樞紐平臺建設及運維等大量工作。

1）建設海南高分數據與應用中心相關運維和存儲設施，建成海南高分數據與應用中心樞紐平臺網站和海南高分數據與應用中心數據服務門戶，具備數據整合、信息提取、快速處理和分發的能力，為各類用戶提供覆蓋海南及周邊海域高分數據查詢和下載服務，為海南高分數據應用提供技術支撐。

2）推動“高分+”承載應用，組織省級培訓班，大力推廣高分數據應用。為進一步推動高分數據在海南省的推廣應用工作，為政府、科研機構、企業之間搭建相關成果交流轉化渠道，促進海南省高分數據應用的深度發展，海南高分數據與應用中心組織舉辦了海南省域高分數據推廣應用活動、“中國航天日”系列活動等，為海南省高分數據推廣應用和成果轉化提供了重要的交流平臺，對推動高分數據在海南省更多領域、更多行業應用起到了積極的促進作用。

3）形成了海南高分數據應用“三個清單”（產品清單、服務清單、標準規范清單），為相關企事業單位提供高分數據服務和解決方案。

4）依托海南熱帶海洋大學、海南大學、中科院等機構，開展面向海南提供空間信息領域的教育培訓服務，引進優秀畢業生，為海南提供大量高水平的空間信息領域科研與工程型人才，從而為整個海南省空間信息產業化發展奠定人才基礎。

三、海南省高分應用情況

1.總體應用情況

海南高分衛星應用領域包括自然資源、林業、生態環保、農業、住建、交通、海洋等。

在自然資源領域，為海南省土地利用動態監控系統、自然保護區動態監控系統、國土資源執法巡查、建設用地動態監管、城市綠化率分析、三維“一張圖”展示及礦山年度動態監測等業務提供了數據支撐。為海南省申報熱帶雨林國家公園提供了客觀、實時、準確的區域現狀數據；為東西兩翼中心城市建設和城鎮改造提供了參考。

在林業方面，在全省各林區林場、自然保護區以及各市縣單位重點生態區域范圍內開展了人工林資源專項調查工作，旨在通過調查，徹底摸清全省林區、林場、保護區以及重點生態區域的人工林分布情況，為海南省林業發展、低效林改造、生態保護和修復作鋪墊。

在海洋行業，開展海洋生態環境監測、海洋赤潮監測等應用，為海南及周邊海域提供數據和決策支持。監測了海口如意島填海造陸的進展，為海口市海洋環境監測中心掌握如意島填海進展提供了數據支持。

在城市管理方面，基于高分衛星數據為主要數據源，開展了三亞市“雙城雙修”遙感監測，完成了海棠灣、三亞灣、市區公園、山體修復及新漁港建設等多項工程的監測，客觀、清晰、精確地呈現了“雙城雙修”工作前后及過程中三亞市的逐步變遷，也為此項工作的持續開展和相關工作的深入進行提供了科學依據。在違法建筑執法中，利用高分影像進行多時相影像的比對，得出不同時段監測區域的建設情況，為海南省違法建筑監測提高了工作效率，并保證了數據的真實性。

在農業行業，利用高分衛星影像提取了海南省種植業用地的空間分布狀況，為海南省農業資源監測與綜合利用提供了基礎數據。

海南省高分應用產品體系，涉及國家重大戰略規劃、資源調查與監測、環境監測與評價、城市精細化管理、農業、海洋等6 個業務應用領域的14項專題產品（如圖1 所示）。

圖1 海南省高分應用產品體系圖

2.行業應用案例

（1）海洋行業應用

赤潮是水體中藻類短期內大量聚集或爆發性增殖引起的一種海洋現象，它不僅破壞海洋漁業生產、惡化海洋環境、影響濱海旅游業，而且還會影響人類健康[5]。2021 年2 月底至3 月初，三亞附近海域出現大規模赤潮現象，通過高分衛星遙感數據對本次赤潮發生、發展和消亡過程中生物光學參數、赤潮物種、赤潮面積、赤潮強度等信息進行監測。對比分析2021 年2 月20 日和2021 年2 月23 日的高分衛星影像，發現三亞附近海域內疑似出現了赤潮現象，通過遙感影像可以明顯看到2 月23 日圖中海面出現了大量紅色條帶（紅色區域），疑似為赤潮現象。從2021 年2 月26 日的影像可以發現赤潮向三亞海域遷移擴散，赤潮現象進一步發展。從2021 年3 月1 日的影像可以發現赤潮在三亞海域基本消失。還存留的赤潮藻類基本已靠岸、上岸。本次赤潮的發生、發展和消亡過程如圖2 所示。

圖2 三亞附近海域赤潮高分遙感監測圖

2021 年3 月4 日對影像中赤潮藻類靠岸地點進行實地考察。發現海面基本無赤潮現象，岸上殘留有大量上岸藻類。

（2）住房和城市建設應用

基于高分衛星數據開展違法建筑監測，通過對遙感影像進行正射校正、幾何校正、勻光勻色、裁剪等處理，得到監測區域正射影像，提供項目施工情況分析報告，為相關部門開展違建清查工作提供技術與決策參考。例如海南省某區域建筑物高分遙感違建監測，監測區域（紅色區域，見圖3）存在13 處施工現象或已經完成房屋主體建設，2019 年11 月23 日影像顯示未見施工情況，2021 年1 月15日影像可見存在施工痕跡，工棚已經搭建，2021 年6 月30 日影像可見施工痕跡，房屋尚未封頂。

圖3 違法建筑高分遙感監測專題圖

通過使用高分影像作為底圖，與不同時間段的影像數據作疊加分析，通過對比可以得出不同時段該地區房屋的建設情況，來判斷是否為違法用地[6]。高分遙感影像對海南省違法用地監測提供了強有力的影像支撐，提高了監測的工作效率，并保證了數據的真實性，縮短了工作時間。

（3）農業行業應用

農業信息監測充分利用遙感技術并耦合地理信息系統技術和全球定位系統技術，針對監測區域典型的農田土地利用特點，開展特色水果、常年瓜菜和設施大棚的遙感監測，構建適宜于本地的經濟作物和設施大棚遙感精細監測體系，及時準確掌握本區域內水果、瓜菜及設施大棚空間分布情況，為現代農業建設提供重要的技術支撐和數據支持。

在遙感解譯過程中，由于不同作物間具有相似的光譜特征，即“異物同譜”現象；而同一作物在不同環境下呈現出不同的光譜特征，具有“同物異譜”[7]現象。因監測區域作物種類多、作物種植隨機性和零散性，導致“同物異譜”“異物同譜”現象更為嚴重，因此獲取并構建豐富的地物遙感解譯標志非常必要，也是開展遙感識別的前提和基礎。通過實際調查等多種方式，獲得本地大量作物不同生長期的樣本數據。在此基礎上，根據開展不同作物在高分辨率影像上的光譜特征、紋理特征和形狀特征，以及這些特征在時序上的變化特點，明確不同作物特有的典型遙感識別特征，構建經濟作物和設施大棚樣本庫和遙感解譯標志庫。

因監測區域作物種類繁多且一年四季均適宜種植作物，導致實際田間作物種植時間不一致（尤其瓜菜），不同作物在不同生長期所表現出的影像特征不同，因此僅基于單一時期遙感數據開展多種作物識別及提取易造成錯分或漏分。該監測案例在充分吸收借鑒國內外遙感地物分類的基礎上，利用多時相多源遙感數據（高分一號、高分二號、高分六號等），基于不同作物遙感解譯標志，結合數字高程模型（DEM）等數據，利用隨機森林算法、支持向量機、最大似然法、決策樹分類等方法，構建基于時序信息的遙感精細識別方法，實現監測區域不同經濟作物和設施大棚的準確識別和提取。圖4 為三亞市2021 年下半年水果種植空間分布遙感監測圖。

圖4 水果種植空間分布高分遙感監測圖

利用上述構建的分類方法開展監測區域經濟作物及設施大棚遙感識別，并基于大量真實樣本開展精度驗證。在驗證精度不達標時，重新修訂改進分類算法，直至精度達標，最終獲得監測區域目標經濟作物及設施大棚種植面積及空間分布情況，為當地農業局等部門決策提供依據。

（4）其他應用

圍繞高分遙感數據看海南自貿港的發展與變化，推出《遙感海南》欄目，從海洋、環保、林業、農業、城市等大眾感興趣的角度出發，通過圖片、視頻等多手段、多渠道方式用高分遙感影像直觀展示高分應用成果和海南的發展，提高公眾對遙感的了解與興趣。

目前《遙感海南》欄目已發布了多期，主題包括城市復蘇：疫情過后的復工復產[8]；海南自拍：2020 年4 月13 日海南全島建設自由貿易試驗區兩周年，對外發布一組最新的海南部分城鎮高分遙感衛星影像圖；視頻系列：一眼看海南、3D 解剖海南等，通過視頻從數十萬米的高空看海南的江河山脈及旅游景點；農業遙感、重點園區影像比對、江東的變化、追尋海南紅色記憶等。

四、存在的問題

目前海南高分應用體系處于從“試驗應用型”向“業務服務型”轉變的發展階段，相關的企業數量少且產值規模小，還存在一定的不足，主要體現在：

1）發展基礎薄弱：海南地區經濟體量較小，與高分應用相關的產業整體規模較小、產能較低，產業領域存在著很大的發展局限性。

2）分析和應用服務能力不足：根據海南高分應用實際情況，需要優化現有的海南高分數據與應用中心樞紐平臺，與省內現在已經開展高分應用的單位合作，總結和形成面向各領域的高分應用共性關鍵技術和數據產品解決方案，瞄準海南省的自然資源監管、生態資源監測、海洋資源開發等重大任務，推動“高分+”承載應用，形成大數據挖掘分析應用的能力。

3）對于高分領域的各項應用宣傳不足，各類相關的培訓較少，很多單位和部門有遙感數據相關的需求，卻缺乏海南地區合適的高分應用合作對象。

結合上述提出的問題，在下一階段海南高分衛星應用中，應充分利用海南的政策優勢，完善海南高分產業發展實施機制，加強宣傳推廣，推動高分衛星數據在海南的應用。

五、海南省高分應用發展重點分析

隨著高分數據源不斷豐富，涵蓋不同空間分辨率、不同覆蓋寬度、不同譜段、不同重訪周期的高分數據體系已基本形成。在海南自由貿易港的建設發展進程中，要充分發揮好經濟特區、生態環境和政策優勢等方面的比較優勢，加快實施創新驅動發展戰略，不斷增強省內企業技術創新和科技成果轉化的內生動力，形成全省加快高新技術產業尤其是高分衛星遙感應用領域發展的新熱潮，為打造空間科技創新戰略高地、服務海南自由貿易港建設等國家重大戰略提供有力支撐。

1）支撐鄉村振興等國家發展戰略，面向重大工程實施或重大政策執行情況的監測與決策提供支撐。在農業資源要素調查、農業生產過程監測、農業災害監測與損失評估、農業項目管理和重大農業政策執行情況監測等農業主體業務中實現高分遙感數據規模化應用，開展農業災害、“兩區”劃定、經濟作物及農業設施、典型熱帶作物重大病蟲害、水稻病蟲害遙感監測、撂荒地等遙感監測評價工作。為摸清全省農業要素“家底”、實現農業過程科學監管、推進農業數字化管理體系建設提供有效的數據和技術支撐。

2）服務海南自由貿易港建設，重點應用在航運及港口監測[9]、城市便利、風險防控等方面，著力支撐海南打造成為我國全面深化改革開放試驗區、國家生態文明試驗區、國際旅游消費中心、國家重大戰略服務保障區。

在海南自由貿易港建設總體方案中提出建立更加自由開放的航運制度，對航道岸線、洲灘淤積、港口、船只等專題信息進行定期監測的需求也日漸增加。利用高分數據對港口及船舶進行監測，形成船舶、港口碼頭監測專題產品，一方面服務于航道交通量計算、海上交通事故的監測等，航道部門可以掌握特定區域的船舶通航情況，統計特定時間的船舶流量，分析船舶密度、習慣航線等；另一方面，通過碼頭、港口邊界線的自動提取，航道部門可以掌握新建碼頭的水域占用情況，掌握碼頭后方堆場使用情況，為水工建筑是否違法占用航道提供依據。

高分數據在城市便利的應用具體包括城市規劃精細化管理、風景名勝區精細化管理、城市環境治理、城市園林綠化精細化管理等。城市要實施精細化管理，需要細化城市地下、地面、地上空間的相關管網、道路、橋梁、建筑物等目標的管理。隨著時間的推移，城市也在不斷地發生變化。高分辨率遙感數據可清晰、客觀地顯示和挖掘城市地理空間相關要素信息，實現對城市大區域的定期觀測，有助于把握城市的全貌和歷史變遷。

高分數據應用可以對全省整體感知，增強物與物、人與物之間的聯系，全面、精確、實時地掌握各類風險動態，提前預防、控制可能發生的危險事故和突發事件，在危機事件發生后，能夠做到信息共享與協調聯動，實現人與技術的充分融合。針對地質災害、氣象災害、海洋災害、森林火災等，利用高分遙感數據開展致災要素、承災體、歷史災害和綜合減災能力等風險要素的調查與評估，構建天空地海多源立體監測體系助力災害風險評估，解決高分辨率和高精度災害重點隱患調查的難題。

3）支撐海南海洋強省建設，由于海南特殊的地理位置和豐富的資源，開展海南省海洋生態環境監測、海洋赤潮監測、海洋溢油監測等衛星應用，并形成針對高分數據以及監測產品生產專題成果，為海南及周邊海域的生態文明、旅游、國家重大戰略服務保障提供數據、技術、服務和決策支持。

4）不斷豐富高分應用成果，大力拓展高分應用新領域，擴大高分應用廣度與深度，使高分數據進入國民經濟各領域。重點包括資源調查與監測、生態環境保護和治理、執法監督、森林火情監測預警等。

5）高分應用服務公眾用戶，面向公眾開展科普實踐活動，積極傳播航天、遙感科技知識，激發公眾尤其是青少年對科技創新的熱情，讓更多人直觀感受與了解海上絲綢之路、數字海南等。

六、結束語

海南高分遙感的應用成果成效顯著，已經進入自然資源、住建、農業、生態環保、海洋等部門的業務主體，滿足了用戶在城鄉建設監測評價、農業調查統計、生態環境監測、海洋監測等方面的數據需求，成為政府治理能力和治理體系不可或缺的重要支撐。

2021 年4 月7 日，國家發改委、商務部聯合發布《關于支持海南自由貿易港建設放寬市場準入若干特別措施的意見》提出，推動衛星遙感、北斗導航、衛星通信、量子衛星、芯片設計、運載火箭、測控等商業航天產業鏈落地海南。與國內其他省市相比較，海南高分數據與應用中心在開展高分遙感區域示范工程，實施空間信息資源戰略方面，具有信息化基礎建設優勢、空間地理應用行業優勢和相關行業應用優勢。

海南高分衛星應用將重點服務海南自貿港建設，進一步擴大產業規模，提升用戶數量，充分利用海南自貿港建設的各項政策優勢和迫切需求，形成具有海南特色的高分應用產品體系，向相關部門提供各類高分應用解決方案，讓高分應用切實推廣到海南發展的各個領域，支撐各級政府的治理能力現代化。

致謝：高分辨率對地觀測系統海南數據與應用中心和海南省地球觀測重點實驗室對本論文的監測數據提供了支撐，在此表示衷心的感謝！