祁連山區高分遙感數據一站式服務與應用平臺設計與實現

文 | 李月皓 王曉凡 白麗 劉揚 韓昱

西安航天天繪數據技術有限公司

一、引言

青海省祁連山地區是我國重要的生態屏障區，生態系統敏感[1]。近年來，由于社會經濟活動對生態系統的破壞，導致該地區的生態安全形勢十分嚴峻，生態保護任務繁重。為推進祁連山生態保護與修復，政府決定在青海祁連山區建設“山水林田湖一體化”生態環境監測體系，祁連山區高分遙感數據一站式服務與應用平臺是重要的組成部分[2]。

面向祁連山“山水林田湖一體化”生態環境監測、評估、預警需求，結合祁連山氣候氣象、地形地貌、地理區位現狀，充分發揮遙感技術對于山區植被、土壤、土地、礦產、生物等生態多樣化監測優勢，在多源多尺度遙感衛星資源支撐下，綜合應用先進的遙感、地理信息、分布式存儲、網絡安全以及通信等技術，構建高分遙感數據一站式服務與應用平臺。平臺的建設將加強遙感環境監測能力建設，通過接入高分系列、資源系列等高分辨率衛星數據，構建全方位、全覆蓋的生態環境監測網絡，并對遙感影像進行自動智能化處理，提供生態監測分析應用服務，實現生態環境遙感監測與評估，為祁連山“天空地一體化”生態環境監測體系構建提供支撐。

二、平臺的系統組成及技術流程

1.平臺的系統組成

高分遙感數據一站式服務與應用平臺作為祁連山區“山水林田湖一體化”生態環境監測體系建設項目的重要組成部分，涉及星源包括高分系列衛星、資源系列衛星、環境系列衛星、高景系列衛星、風云衛星、MODIS、Landsat7/8 等國內外二十余顆遙感衛星及載荷。不同衛星的載荷設計、光譜設計和分辨率設計等不同，造成其數據格式各異，涉及多種分類產品、植被生物參量產品和地表物理參量產品。平臺根據不同的生態監測應用需求，選擇合適的輸入數據，進行最佳算法處理，準確生成監測產品，提升對祁連山區域生態環境監測與評估業務的數據支持能力。祁連山區高分遙感數據一站式服務與應用平臺主要由高分遙感數據一站式服務平臺和高分遙感數據一站式應用平臺組成。服務平臺包含高分數據接入系統、高分數據共性技術處理系統、數據管理與更新維護系統；應用平臺包含遙感數據應用基礎平臺、數據分發應用服務系統以及祁連山區生態環境監測分析系統。

（1）高分數據接入系統

高分數據接入系統主要負責向中國資源衛星應用中心制定數據采集計劃和提交數據采集申請，及時接入各數據分發單位定期向青海省生態環境監測中心推送的包括高分系列、資源系列、風云系列、環境系列、高景系列等遙感數據資源[3]。高分數據接入系統支持用戶按照數據分發單位、接入數據星源、數據覆蓋范圍等要素進行數據采集計劃申請并提交至數據分發單位，實現了數據接入的全流程監控和可視化展示，支持對接入數據按照數據分發單位、數據類型、數據接入狀態等多維度統計分析，并支持統計分析結果報表導出，方便用戶業務運行。

（2）高分數據共性技術處理系統

高分數據共性技術處理系統采用并行計算技術，搭建遙感數據處理資源池，建立對國內主流低、中、高分辨率遙感衛星如高分系列、資源系列、風云系列、環境系列、高景系列等多星多載荷的遙感影像的自動化產品生產線，具備多源遙感數據讀取、影像格式的轉換和輸出、1—4 級圖像產品的幾何校正、正射校正、影像融合等數據預處理能力，并能夠將數據產品存放在指定目錄，供數據管理與更新維護系統進行入庫和管理。

（3）數據管理與更新維護系統

數據管理與更新維護系統作為平臺的數據中心，基于全球統一時空地理框架，利用虛擬化技術，搭建遙感數據存儲資源池，建設多源遙感數據庫。數據管理與更新維護系統主要負責對數據接入分系統的接入數據、高分數據共性技術處理系統生產的自動化預處理數據、祁連山生態狀況監測與評價專題數據進行全生命周期存儲管理[4]。同時，數據管理與更新維護系統提供數據查詢服務、二三維可視化服務及數據統計服務。數據管理同時支持對歷史數據的兼容管理，通過歷史數據、基礎數據和成果數據的整合與集成、數據庫管理與更新，實現各類型數據安全有效的組織管理，為高分遙感數據一站式服務與應用平臺提供數據支撐，實現高分遙感數據的產品生產、分發與應用。

（4）遙感數據應用基礎平臺

遙感數據應用基礎平臺是高分遙感數據一站式應用平臺的基礎支撐平臺，為一站式服務平臺提供影像加工功能、顯示控制功能、系統管理功能、生產調度功能、組件管理功能、專題制圖功能，通過構建組件化的松耦合體系，方便生態環境監測功能組件在平臺中進行擴充和覆蓋，為開展祁連山生態環境監測與評估業務提供軟件集成平臺。

（5）數據分發應用服務系統

數據分發應用服務系統作為高分遙感數據一站式服務與應用平臺的門戶，以祁連山區生態環境監測分析系統為基礎，面向生態環境監測行業用戶的需求，提供基礎到高級的影像數據、大氣環境、水資源、土地資源、植被覆蓋等重點生態環境指標監測、自然保護區動態監測、大型工程/區域開發項目生態環境影響監測、冰川與水源涵養生態功能區動態監測等重點生態環境監測業務的行業專題數據的獲取、定制加工及可視化展示服務。

（6）生態環境監測分析系統

祁連山區生態環境監測分析系統是高分遙感數據一站式服務與應用平臺的業務核心，主要基于數據分發應用服務系統的多項功能，進行祁連山區的土地利用數據提取和歸一化植被指數（NDVI）等生態參數反演，梳理整合面向區域生態環境質量評價、生態環境保護效果綜合評估等需求的生態環境監測分析指標體系，在此基礎上進一步開展指標體系的擴充、維護、更新與擴展，并建立長時間序列土地利用和生態環境監測指標數據集[5]。在上述指標體系的支撐下，開展祁連山區生態環境監測分析工作，生成生態環境監測評估專題圖以及評估報告，為生態環境政策制定、政策效果評估與生態環境監測監管工作提供決策支撐。

2.技術流程

平臺設計的技術流程主要有以下幾個環節，具體如圖1 所示。

圖1 平臺技術流程圖

1）平臺向中國資源衛星應用中心提交包含高分系列、資源系列、環境系列、風云系列、高景系列等衛星數據的數據采集申請，并及時接收數據；

2）數據接入完成后將數據推送至數據管理與更新維護系統，實現對數據的存儲管理；

3）通過高分遙感數據共性處理系統進行衛星遙感數據的數據提取、幾何精校正、正射校正、影像融合、產品質檢、產品歸檔等業務流程，實現影像產品預處理流程自動化；

4）面向用戶需求創建多種提取地表類型和生產生態環境監測指標的功能模塊，生產的數據能夠滿足生態環境保護方面數據分析的需求；

5）數據生產完成后存入數據管理與更新維護系統，數據管理與更新維護系統實現對各級數據的全生命周期的存儲管理，為數據分發系統提供數據接口，實現高分遙感數據的產品生產、分發與應用。

三、平臺創新特點

1.面向服務的特色專題要素按需監測

高分遙感數據一站式服務與應用平臺緊密圍繞祁連山生態環境監測業務，充分發揮遙感技術對于生態多樣化監測優勢，通過獲取和接收持續、穩定、可靠、多尺度的衛星遙感數據，對不同空間分辨率、光譜分辨率及不同時相的遙感影像數據進行全鏈路各環節的處理，并形成全覆蓋、全信息、多尺度、多時相、多模式、多級別的生態環境數據產品資源庫群，實現生態環境遙感監測應用服務專題產品的高速自動化生產，實現祁連山區山水林田湖生態環境遙感監測、評估、預警，滿足了用戶對于數據服務和業務應用的需求，為生態環境監管、考核組合管護模式及科技生態監管提供支撐。保障高精度、大規模、多頻次、高時效、常態化的祁連山生態環境動態監測任務。

2.多源對地觀測資源生態要素監測序列化、業務化

祁連山地廣人稀，單一系類或少數衛星數據源很難實現對環境監測的全面性。多源、多尺度的遙感監測體系具有在時間、空間、光譜分辨率上的互補性，能夠實現對祁連山生態環境在不同時空尺度上的有效識別、動態變化監測、質量評價和風險預警。基于遙感數據應用基礎平臺，能夠將多傳感器、多分辨率、多時相、多波段的數據處理算法模塊化，提供多源數據協同處理、智能數據挖掘分析、質控與精度評估、空間分析與制圖等基礎服務，為構建作業驅動、處理自動、并行處理、高效存儲的工作流提供支持。不僅能夠形成1—4 級多傳感器影像數據產品，而且能夠融合處理形成高、中、低尺度范圍的高級影像產品，為祁連山生態環境監測提供快速及時、覆蓋全面、層次豐富的基礎底圖。

3.遙感生態環境專題數據的特征表達和可視化分析能力優化

遙感數據處理及應用需要以可視化的方式展現輸出結果（包括各種原始數據、基礎產品數據、分類產品、參數產品等），這些數據都將通過圖像處理技術生成相應的快視圖，集成展現給用戶。因此將涉及到生態環境數據的圖像處理技術，包括不同類型不同格式影像數據的讀取、數據插值和采樣、歸一化處理、圖像增強、位圖生成及專題圖像的整飾技術（按照相應的配置要求自動增加相關的標題、色標、經緯線等），為用戶提供更加真實準確、畫面更加豐富的細節地圖服務。此外，二三維地理信息系統還具備強大的空間分析功能，包括緩沖區分析、疊置分析、網絡分析、空間統計學分析和三維應用分析。為環保部門在環境問題預測防護及應急救援提供強有力的技術支撐和科學決策支持。

4.面向應用擴展構建“平臺+組件”松耦合體系

高分遙感數據一站式服務與應用平臺采用“平臺+組件”架構，松耦合體系，可視化流程配置，隔離基礎平臺與生態環境監測核心業務，同時提供標準接口及協議，支持二次開發，標準插件無縫插拔，有效提升生態環境監測業務擴展性[6]。考慮到用戶專業水平不同，同時由于遙感專題產品自身具有多樣性及產品生產過程復雜、多變，為了更好地滿足用戶需要，方便用戶使用，平臺提供靈活可配置的可視化流程配置工具，為用戶提供更好的服務。

5.基于歷史衛星遙感生態環境監測樣本智能化提取

在不同遙感尺度下，高分遙感數據一站式服務與應用平臺具備基于“面向對象+深度學習”的生態地物要素高精度智能提取能力，有效促進祁連山一體化生態環境監測的精準性。

面向對象方法解決了地物分割的問題，將不同的地物分割到不同的對象之中，這對分類起了至關重要的作用。分割后的不同尺度對象可以進一步形成訓練樣本，進行“深度學習”，通過“深度學習”來掌握不同對象的紋理特性，形成深度學習模型反過來指導對象分類[7]。目前“面向對象+深度學習”是遙感地物要素分類用于工程實踐的最優處理方法，本項目將二者結合起來，用于生態地物要素的高精度類別劃分過程，大幅提升生態地物要素高精度智能提取能力。

四、祁連山區高分遙感數據一站式服務與應用平臺實現結果與展示

選取祁連山區的祁連縣作為典型區域，以2019 年6 月13 日的高分一號數據為數據源，應用祁連山區高分遙感數據一站式服務與應用平臺，生產了當日祁連縣二級土地利用類型空間分布圖（圖2）、當日祁連縣植被凈初級生產力（NPP）空間分布圖（圖3），并基于平臺和氣象站點數據生產了2019 年祁連縣年均降水空間分布產品圖（圖4）。

圖2 祁連縣二級土地利用類型空間分布圖

圖3 祁連縣NPP 空間分布圖

圖4 2019 年祁連縣年均降水空間分布產品圖

土地利用類型是人類社會對地球表層的生態環境進行影響的最直接結果，作為橋梁連接著社會經濟活動和自然環境變化過程。二級土地利用類型需要基于野外人工驗證輔助確認，其結果對土地精細化管理和農業、林業有序發展具有重要作用。如圖2 所示，祁連縣空間分布具有明顯的空間差異，東南部主要以居民地和農田為主，草地和林地主要分布在西北地區，區域內分布有條帶狀未利用地和裸地。

NPP 是指植物在單位時間單位面積上產生的有機物質總量中扣除自養呼吸后的剩余部分，是表征植物活動的關鍵變量，是陸地生態系統中物質與能量研究的重要環節，能夠反映氣候和植被變化狀況。如圖3 所示，裸地、未利用地分布區域NPP 較低，農田、森林、草地分布區域NPP 較高，與土地利用類型保持較高的相關性。

降水是地表徑流的本源，亦是地下水的補給來源。降水在空間分布上的不均勻與時間變化上的不穩定性是地表類型變化和災害發生的重要原因。如圖4 所示，祁連縣中部小范圍地區和西北部地區降水量較少，東南部地區降水量較高，水量充沛，能夠支撐農業、林業的可持續性發展。

五、結語

祁連山區高分遙感數據一站式服務與應用平臺能夠通過接入高分系列、資源系列等高分辨率衛星數據，構建全方位、全覆蓋的生態環境監測網絡，高效高精度地完成遙感數據的處理和專題數據的計算過程，提供生態監測分析應用服務，實現生態環境遙感監測與評估。該平臺對實現祁連山區人與自然和諧相處的生態保護目標具有重要意義。

未來，要以統籌規劃、標準統一、技術先進、科學管理的建設原則為指導，遵循國家生態監測技術規范規定，繼續提升祁連山生態環境監測力度，加深加強祁連山區高分遙感數據一站式服務與應用平臺建設，真正筑牢這道西部生態安全屏障。