高分衛(wèi)星遙感技術(shù)在海洋權(quán)益維護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用研究

李文斌，黃兆陽，李天雪

（中國海警局東海分局，上海 200333）

1 研究背景

當(dāng)前，海洋日益成為人類賴以生存的藍(lán)色寶庫，無論從經(jīng)濟(jì)建設(shè)、海洋權(quán)益還是從國防建設(shè)、海洋政治的角度講，海洋的重要性已成不爭的事實(shí)。2013年7月30日，十八屆中共中央政治局就建設(shè)海洋強(qiáng)國進(jìn)行第八次集體學(xué)習(xí)。習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，實(shí)施建設(shè)海洋強(qiáng)國的重大部署，對推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，對維護(hù)國家主權(quán)、安全、發(fā)展利益，對實(shí)現(xiàn)全面建成小康社會(huì)目標(biāo)、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興都具有重大而深遠(yuǎn)的意義。當(dāng)前我國海洋衛(wèi)星系列具有大范圍探測能力，但是卻暫時(shí)不具備多星組網(wǎng)、高頻率監(jiān)測能力和高空間分辨率探測能力，直接影響海洋權(quán)益維護(hù)保障能力提升。

根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》國家重大科技專項(xiàng)“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”（簡稱高分專項(xiàng)）的建設(shè)目標(biāo)：形成由多層次觀測平臺(tái)組成的國家先進(jìn)對地觀測基本體系，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)共享。隨著高分專項(xiàng)的建設(shè)實(shí)施，平臺(tái)和傳感器類型日益豐富、性能大幅度提升，空天地一體化的對地觀測網(wǎng)已成雛形。如何充分發(fā)揮高分衛(wèi)星的應(yīng)用效能，成為高分專項(xiàng)關(guān)注的重點(diǎn)。而單一遙感資源的時(shí)空分辨率和數(shù)據(jù)獲取能力有限，多方遙感資源的融合協(xié)同是提高區(qū)域遙感服務(wù)能力的有效途徑和必然趨勢。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

2.1 國外海洋領(lǐng)域遙感應(yīng)用現(xiàn)狀分析

（1）島礁監(jiān)測領(lǐng)域。自1973年人類首顆提供商業(yè)服務(wù)的美國陸地觀測衛(wèi)星Landsat系列成功在軌運(yùn)行以來，世界各國針對珊瑚礁礁體/島體動(dòng)態(tài)變化開展了大量的監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用研究。1978年以來，隨著可用在軌運(yùn)行的衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)源的逐漸增多，國際上島礁、沙洲動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究從單一Landsat系列衛(wèi)星的多光譜、中分辨率，到EO-1 Hyperion、MODIS，法國SPOT系列、美國Worldview系列、IKONOS/GeoEye系列、歐空局ENVISAT MERIS、哨兵系列等多種分辨率、高光譜、高時(shí)間分辨率方面發(fā)展，世界各國的科學(xué)家利用上述數(shù)據(jù)，完成了大范圍島礁和重點(diǎn)區(qū)域典型島礁的高比例尺、大覆蓋范圍、密集監(jiān)測頻度的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測。

（2）海洋動(dòng)力環(huán)境領(lǐng)域。SAR衛(wèi)星海面風(fēng)場反演技術(shù)方面，國外目前還不能實(shí)現(xiàn)散射計(jì)的同步多角度觀測，仍需要通過累積遙感觀測與浮標(biāo)和模式輸出結(jié)果，進(jìn)行匹配數(shù)據(jù)，確定地球物理模型的參數(shù)，從而建立半經(jīng)驗(yàn)X波段海面風(fēng)場反演地球物理模型；SAR海浪信息提取技術(shù)方面，國外針對C-波段SAR，共有三種海浪反演方法：MPI、半經(jīng)驗(yàn)非線性算法、針對ESR ASAR復(fù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)線性算法；海浪融合方面，國外在高度計(jì)海面高度數(shù)據(jù)融合方面做了很多工作，但是對海浪有效波高數(shù)據(jù)融合研究甚少。國外再分析產(chǎn)品主要有ECCO、SODA和NCEP/NCAR等。

（3）海岸海島地形測繪領(lǐng)域。美國、法國、荷蘭、印尼、巴西等國家開展了大范圍的海岸帶、海島礁測繪，解決了特殊區(qū)域地形測繪難題。目前，美、英、日等國的測繪保障機(jī)構(gòu)已完成了海岸帶地形攝影測量的技術(shù)變革。在近幾年的局部戰(zhàn)爭中，美國主要應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)探測戰(zhàn)區(qū)的軍事地理信息，支持作戰(zhàn)決策、目標(biāo)打擊和效果評估，確保戰(zhàn)場信息優(yōu)勢和主動(dòng)權(quán)。巴西、阿根廷和我國西部開始利用SPOT衛(wèi)星影像進(jìn)行大面積測圖，測圖比例尺1:5萬；泰國、牙買加等國也開始利用IKONOS衛(wèi)星影像代替常規(guī)測量方法進(jìn)行1:1萬測圖。

（4）國外海上目標(biāo)監(jiān)測領(lǐng)域。對于主要的海面目標(biāo)——海面船舶，自SAR傳感器出現(xiàn)以來，國外就對于利用SAR圖像進(jìn)行艦船目標(biāo)檢測十分重視。在機(jī)理、算法和系統(tǒng)等方面，開展了一系列研究。國外開展的船舶監(jiān)測應(yīng)用測試研究具有代表性的有：IMPAST項(xiàng)目、DECLIMS項(xiàng)目等。對于船舶散射特性的研究集中在不同頻率、極化、入射角以及海況下的船舶的后向散射特性上，用以評估傳感器參數(shù)對船舶檢測性能的影響以及對檢測算法性能；在船舶檢測算法研究方面，主要聚焦在極化SAR數(shù)據(jù)方面。目前，法國、加拿大和美國等國家，依托各自的SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，都開展了準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的SAR船舶監(jiān)測應(yīng)用。

2.2 國內(nèi)海洋領(lǐng)域遙感應(yīng)用現(xiàn)狀分析

（1）島礁監(jiān)測領(lǐng)域。國內(nèi)基于遙感技術(shù)的珊瑚礁監(jiān)測大多是采用遙感圖像分類方法，對珊瑚礁底質(zhì)類型如活珊瑚、死珊瑚、珊瑚砂、黑礁巖、淤泥等進(jìn)行分類識(shí)別。近年來，在國家自然科學(xué)基金、863、高分專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持下，包括國家海洋局、中科院南海所和廣西大學(xué)海洋學(xué)院在內(nèi)的國家科研院所，在基于遙感技術(shù)的珊瑚礁監(jiān)測技術(shù)方法研究中做了大量的工作，以西沙群島趙述島、東島，海南三亞鹿回頭和廣西潿洲島為研究區(qū)，開展了珊瑚礁地質(zhì)類型遙感監(jiān)測技術(shù)方法研究。

（2）海洋動(dòng)力環(huán)境領(lǐng)域。SAR衛(wèi)星海面風(fēng)場反演技術(shù)方面，我國于2016年成功發(fā)射了高分-3衛(wèi)星，其上搭載了C波段SAR載荷，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心建立了C波段海面風(fēng)場提取算法，并生產(chǎn)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。對于X波段海面風(fēng)場提取技術(shù)研究國內(nèi)研究很少；SAR海浪信息提取技術(shù)方面，我國于2016年成功發(fā)射了高分-3衛(wèi)星，其上搭載了C波段SAR載荷，國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心建立了C波段海浪信息提取算法，并生產(chǎn)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。利用TerraSAR初步驗(yàn)證了海浪信息提取算法，并對提取算法模型選取給出初步的指導(dǎo)意見。

（3）海岸海島地形測繪領(lǐng)域。針對特殊區(qū)域的地形測繪，有關(guān)單位會(huì)同國家測繪地理信息局等部門相繼開展了立體衛(wèi)星測圖研究和業(yè)務(wù)化應(yīng)用。高分三號衛(wèi)星發(fā)射升空后，自然資源部國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心聯(lián)合清華大學(xué)，積極研發(fā)基于高分三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的島礁監(jiān)測產(chǎn)品，重點(diǎn)針對島礁上的機(jī)場、港口等人工建筑信息進(jìn)行提取，目前產(chǎn)品信息精度優(yōu)于80%。（資料參考來源“高分應(yīng)用綜合信息服務(wù)共享平臺(tái)”http://gaofenplatform.com/contents/91/551.html）。

（4）海上目標(biāo)監(jiān)測領(lǐng)域。國內(nèi)開展此類研究晚于西方發(fā)達(dá)國家。在海上目標(biāo)檢測方面，種勁松提出了改進(jìn)極化白化濾波算法；海洋局第二海洋研究所黃韋良等人進(jìn)行了極化船舶檢測的研究；北京航天航空大學(xué)的王文光博士也進(jìn)行利用極化數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶檢測的研究。在目標(biāo)識(shí)別方面，20世紀(jì)70年代后期，中國科學(xué)院遙感所、電子所、信息產(chǎn)業(yè)部14所、38所、清華大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位在SAR圖像的地物分割、分類、匹配以及艦船目標(biāo)識(shí)別、海洋、橋梁分類等取得了一定的成果。

3 高分衛(wèi)星海洋環(huán)境軍民融合中的應(yīng)用案例

3.1 助力海上維權(quán)執(zhí)法

對于國家的海上執(zhí)法維權(quán)部門來說，遙感是目前最容易實(shí)現(xiàn)、最行之有效的監(jiān)測手段，但是受數(shù)據(jù)源限制，現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)，除了部分昂貴的商業(yè)遙感數(shù)據(jù)，其它能達(dá)到亞米級的衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源很少。軍民融合建設(shè)以后，將極大提升監(jiān)測的時(shí)間分辨率，結(jié)合數(shù)字地球的海洋環(huán)境可視化展現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對敏感海區(qū)更快的監(jiān)測響應(yīng)和更高的監(jiān)測頻率。利用多層次多星組網(wǎng)高頻率監(jiān)測能力和高空間分辨率探測能力，通過軍民融合彌補(bǔ)民用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的不足。有助于及早發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確判斷海上發(fā)生的侵權(quán)違法行為，并將侵權(quán)違法信息提供給國家相關(guān)部門，填補(bǔ)在該領(lǐng)域遙感監(jiān)測系統(tǒng)的空白，提高海洋維權(quán)執(zhí)法水平和效率，為我國海上典型維權(quán)執(zhí)法任務(wù)提供信息支撐。

3.2 支撐海洋島礁動(dòng)態(tài)監(jiān)測

在珊瑚礁白化監(jiān)測方面，我國的珊瑚礁底質(zhì)類型和珊瑚礁白化遙感監(jiān)測，之前主要是基于民高分和其它國內(nèi)外高分辨率多光譜遙感圖像數(shù)據(jù)開展，基于以上數(shù)據(jù)，使得珊瑚礁底質(zhì)類型的總體分類精度和珊瑚礁白化信息提取難以達(dá)到較高精度水平。應(yīng)用多層次多星組網(wǎng)可彌補(bǔ)民高分遙感圖像數(shù)據(jù)空間分辨率和光譜分辨率的不足，且在數(shù)字地球的海洋環(huán)境可視化展現(xiàn)以及基于深度學(xué)習(xí)的智能分類方法輔助下，預(yù)期對珊瑚礁底質(zhì)類型分類精度和珊瑚礁白化信息提取精度均可達(dá)到較高水平。

在沙洲動(dòng)態(tài)監(jiān)測方面，全國海島地名普查工作結(jié)束以后，我國海洋諸島新生沙洲的數(shù)量、位置、歷史沿革等基本情況已經(jīng)基本查清。但是，在普查工作完成后幾年里，由于商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)價(jià)格昂貴，民用高分衛(wèi)星數(shù)量少且分辨率不能完全滿足需求，無法實(shí)現(xiàn)全部新生沙洲的高頻次動(dòng)態(tài)監(jiān)測，大量新生沙洲處于無監(jiān)控狀態(tài)。利用多層次多星組網(wǎng)在衛(wèi)星數(shù)量上和分辨率上的優(yōu)勢，結(jié)合數(shù)字地球的可視化展現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)我國海洋諸島全部新生沙洲動(dòng)態(tài)監(jiān)測。通過大量密集觀測數(shù)據(jù)，完善沙洲變遷數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)新生沙洲定量化監(jiān)測以及預(yù)警報(bào)的重大突破。

3.3 提升海洋基礎(chǔ)地理信息測繪能力

我國海岸線與海島礁地區(qū)遙感影像測繪主要依賴于民高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類與數(shù)據(jù)特征相對比較固化與不足，嚴(yán)重限制了遙感影像處理的應(yīng)用場景與應(yīng)用能力。通過多層次多星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)融合，可提升我國海岸線與海島礁地區(qū)基礎(chǔ)地理信息測繪能力。此外，在海岸線與海島礁地區(qū)的立體影像測繪方面，民高分立體衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要是資源三號，數(shù)據(jù)源單一，而國外高分辨率立體衛(wèi)星數(shù)據(jù)的價(jià)格昂貴、自主可控性差，不利于長期開展工作，應(yīng)用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，但結(jié)合數(shù)字地球的二三維一體化展現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)更高比例尺的立體測繪，提高了作業(yè)成果的精度。

4 結(jié)語

利用多層次高分衛(wèi)星資源提供和補(bǔ)充完善海洋環(huán)境信息保障，一方面是提高海洋環(huán)境信息監(jiān)測能力的有效途徑，另一方面是深入貫徹習(xí)近平總書記提出的關(guān)于經(jīng)略海洋、維護(hù)海權(quán)、建設(shè)海洋強(qiáng)國的重大戰(zhàn)略部署和軍民融合重大戰(zhàn)略思想的重要舉措，具備能夠覆蓋我國重要海上戰(zhàn)略通道的天基和空基海洋環(huán)境信息獲取和處理能力，具備一定的地面、水面和水下立體海洋環(huán)境信息保障能力，滿足海洋環(huán)境信息保障的“全球化、信息化、多樣化”需求，衛(wèi)星遙感技術(shù)在海洋環(huán)境軍民融合中的應(yīng)用主要發(fā)展思路是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)體系融合、數(shù)據(jù)融合和技術(shù)融合等。

（1）標(biāo)準(zhǔn)體系融合。構(gòu)建軍地從中分到高分的海洋衛(wèi)星監(jiān)測體系，建立包括光學(xué)、激光測高、雷達(dá)等多類型衛(wèi)星組成的衛(wèi)星觀測體系，形成全球、全天候、全天時(shí)、標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)星影像獲取、處理和分發(fā)服務(wù)能力；建立軍地集衛(wèi)星監(jiān)測總體設(shè)計(jì)、仿真、檢校、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制、運(yùn)行管理和應(yīng)用服務(wù)于一體的海洋衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)體系，加快構(gòu)建種類齊全、尺度完整的產(chǎn)品體系和標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建信息保障服務(wù)體系；針對海洋環(huán)境保障需求，形成軍地人員結(jié)構(gòu)與崗位配置互補(bǔ)體系,為行業(yè)健康發(fā)展打下基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)融合。充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星應(yīng)用資源，加強(qiáng)軍民融合的衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信應(yīng)用服務(wù)體系建設(shè)，推動(dòng)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)從試驗(yàn)應(yīng)用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉(zhuǎn)變，建成長期可靠、穩(wěn)定運(yùn)行、布局合理、軍民共享的空間信息應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)的整合和天基信息資源的共享；構(gòu)建軍民兼容的衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用服務(wù)體系，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)行業(yè)、地方和軍隊(duì)衛(wèi)星及地面應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，促進(jìn)軍民兩用地面設(shè)施布局的完善和數(shù)據(jù)資源的整合，支持多種類衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品開發(fā)與運(yùn)營服務(wù)，開展數(shù)據(jù)的綜合示范應(yīng)用，推進(jìn)空間對地、對海監(jiān)測信息系統(tǒng)資源軍地共享。

（3）技術(shù)融合。通過技術(shù)改造、引進(jìn)綜合集成和自主創(chuàng)新等多種手段，發(fā)展各類高新精尖衛(wèi)星信息獲取技術(shù)，構(gòu)建完備的海洋環(huán)境信息獲取裝備體系；采用先進(jìn)的信息提取、信息融合、信息集成技術(shù)，發(fā)展各類精細(xì)化的信息處理與產(chǎn)品制作系統(tǒng)，構(gòu)建完備的適應(yīng)部隊(duì)信息化建設(shè)需求的信息處理與產(chǎn)品制作技術(shù)體系；采用并行處理和控制、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、分布式管理等技術(shù)，構(gòu)建完備的適應(yīng)部隊(duì)需求的海洋環(huán)境信息管理與應(yīng)用保障裝備體系；以支撐軍用海洋環(huán)境技術(shù)發(fā)展為目標(biāo)，以測試、試驗(yàn)、計(jì)量與檢校裝備和國家級實(shí)驗(yàn)室等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為重點(diǎn)，以核心技術(shù)突破為手段，構(gòu)建完備的能夠引領(lǐng)未來發(fā)展的軍用技術(shù)支撐體系。