衛(wèi)星遙感技術(shù)在邊海防管控中的應(yīng)用研究

文|吳志宏 李光偉 齊崇英 邢姍姍 王志佳

中國人民解放軍93209 部隊

一、引言

遙感技術(shù)是根據(jù)電磁波理論，應(yīng)用照相機、攝像機、多光譜掃描儀、成像光譜儀、微波輻射計、合成孔徑雷達等傳感器收集遠距離目標所輻射和反射的電磁波信息，進行處理、成像、探測和識別的綜合技術(shù)。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有獲取信息空間范圍廣、信息數(shù)據(jù)量大、手段多、速度快、周期短、受自然條件限制少等技術(shù)特點，廣泛應(yīng)用于國土[1-2]、農(nóng)業(yè)[3-5]、交通[6-8]以及軍事應(yīng)用領(lǐng)域[9]。

邊海防管控是指邊海防管控部門，為保衛(wèi)國家主權(quán)、領(lǐng)土完整和安全、維護海洋權(quán)益，防備外敵入侵，維護邊境沿海地區(qū)治安秩序和社會穩(wěn)定，在邊境沿海地區(qū)進行防衛(wèi)和管理的活動，如反滲透、反走私、反偷渡以及相關(guān)設(shè)施建設(shè)等。邊海防一線大多地理環(huán)境惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)薄弱，邊海防信息化尚存在無人區(qū)、無人島、中遠海、敏感區(qū)域以及條件惡劣區(qū)域監(jiān)控缺少手段，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)尚未統(tǒng)一、更新不及時，亟需開展衛(wèi)星遙感技術(shù)在邊海防信息化建設(shè)中的應(yīng)用研究。為加強邊境沿海區(qū)域防衛(wèi)與管控，通過多年建設(shè)，我國初步構(gòu)建了以光電、雷達、防越報警為主探測感知體系，實現(xiàn)了對重要部位、管段的監(jiān)視。推進智慧邊海防建設(shè)，完善空天地一體、聲光電互補、遠中近銜接的多元立體智能感知體系，是“十四五”時期邊海防信息化建設(shè)的重要任務(wù)。

二、邊海防管控衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

邊海防管控部門，根據(jù)使命任務(wù)與職責定位，應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)，開展了重要目標監(jiān)測、重點區(qū)域監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測以及道路設(shè)施普查等探索。《高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項數(shù)據(jù)應(yīng)用推廣指導意見》指出，要加快高分專項產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進程，創(chuàng)新應(yīng)用模式，打造信息提取和信息承載相融合的“高分+”應(yīng)用新模式，形成“高分+”衛(wèi)星綜合應(yīng)用產(chǎn)業(yè)布局。為提升邊海防綜合管控水平，沿邊沿海地區(qū)、邊海防管控部門積極探索利用衛(wèi)星遙感、北斗等先進技術(shù)手段加強邊海防管控的方法路徑，開展了試點示范建設(shè)。

1. 海防管控衛(wèi)星遙感試點建設(shè)

2019年，沿海省份開展衛(wèi)星遙感技術(shù)試點建設(shè)，主要是研制示范系統(tǒng)，系統(tǒng)具備遙感數(shù)據(jù)（高分一號、高分二號遙感數(shù)據(jù)，資源ZY-1 02C、ZY-3 遙感數(shù)據(jù)）的自動化預處理能力，具備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作更新能力，探索道路、橋梁、碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施半自動化提取能力，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的信息化管理；同時以可見光遙感數(shù)據(jù)為主，以季度為時間單位，探索遙感在基礎(chǔ)設(shè)施（監(jiān)控站、停機坪、執(zhí)勤房）和重要區(qū)域（港口碼頭錨地）的監(jiān)測服務(wù)能力。示范系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測海防示范系統(tǒng)架構(gòu)

2. 邊防管控衛(wèi)星遙感示范應(yīng)用

2020 年，我國北部邊疆省份綜合利用“北斗+高分”的大尺度空間基準和實時態(tài)勢監(jiān)測能力，開展了智慧邊防北斗高分綜合應(yīng)用示范，探索構(gòu)建基于“北斗+高分+大數(shù)據(jù)”的常態(tài)化巡邊、護邊管理服務(wù)模式，主要是搭建北斗高分綜合服務(wù)平臺，具備高分衛(wèi)星星群數(shù)據(jù)的一體化標準處理、批量生產(chǎn)和快速分發(fā)能力；建設(shè)高分邊境遙感綜合監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)，定期開展界河動態(tài)監(jiān)測、邊境區(qū)域動態(tài)監(jiān)測服務(wù)；構(gòu)建大數(shù)據(jù)預判預警系統(tǒng)，實現(xiàn)涉邊事件智能預警、快速布控；構(gòu)建智能識別監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)事件快速處置；構(gòu)建北斗指揮調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)管控力量精確指揮和快速反應(yīng)；構(gòu)建面向滿足國防安全應(yīng)用服務(wù)的北斗高分數(shù)據(jù)綜合服務(wù)體系，拓展高分遙感數(shù)據(jù)在國防安全領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。示范系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星遙感綜合監(jiān)測邊防示范系統(tǒng)架構(gòu)

三、邊海防衛(wèi)星遙感系統(tǒng)工作流程與功能設(shè)計

1. 系統(tǒng)工作流程

邊海防衛(wèi)星遙感系統(tǒng)工作流程主要分為四個階段：原始數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)整理、特征提取、數(shù)據(jù)應(yīng)用。原始數(shù)據(jù)獲取是通過請領(lǐng)、購買、免費獲取的方式獲取衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)整理是開發(fā)業(yè)務(wù)軟件對原始數(shù)據(jù)進行校正、整理；特征提取是基于業(yè)務(wù)軟件，提取感興趣的目標；數(shù)據(jù)應(yīng)用是對提取的目標進行業(yè)務(wù)應(yīng)用，如評估、輔助決策、態(tài)勢標繪等。衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢主要是整合全流程資源，實現(xiàn)從服務(wù)端到客戶端的全鏈條式遙感信息化服務(wù)建設(shè)與應(yīng)用。具體如圖3 所示。

圖3 全鏈條式邊海防衛(wèi)星遙感技術(shù)服務(wù)建設(shè)與應(yīng)用

2. 功能設(shè)計

天基感知系統(tǒng)是邊海防感知體系的重要組成部分。衛(wèi)星遙感技術(shù)可為邊海防信息系統(tǒng)提供高精度、大比例尺的統(tǒng)一基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；結(jié)合北斗技術(shù)可提供統(tǒng)一時空基準，構(gòu)建時空大數(shù)據(jù)平臺；遙感衛(wèi)星對邊海防管控區(qū)域大范圍、周期性地檢測，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)，可為重要、無人、敏感區(qū)域監(jiān)測，基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測，重要目標監(jiān)測，突發(fā)事件處置提供服務(wù)支撐。

邊海防衛(wèi)星遙感系統(tǒng)建設(shè)是貫徹落實邊海防智能管控與創(chuàng)新發(fā)展，以提升邊海防綜合防衛(wèi)管控能力需求為牽引，以構(gòu)建時空大數(shù)據(jù)平臺、豐富基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、監(jiān)視重要區(qū)域與目標、輔助突發(fā)事件應(yīng)急處置為內(nèi)容，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)與信息化系統(tǒng)建設(shè)手段的融合，形成全天時、全天候、全區(qū)域的監(jiān)視態(tài)勢。具體業(yè)務(wù)功能設(shè)計如下：

1）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。支持接入國家高分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及商業(yè)遙感數(shù)據(jù)，具備多源信息融合處理能力，基于統(tǒng)一的空間基準，生產(chǎn)高分辨率的二、三維地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品，構(gòu)建覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)精度高的邊海防地理信息數(shù)據(jù)庫，為聯(lián)防平臺、監(jiān)控中心、監(jiān)控站以及設(shè)施數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)提供高分地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)（圖4）。

圖4 南海浪花礁衛(wèi)星遙感監(jiān)測

2）時空大數(shù)據(jù)平臺服務(wù)。綜合利用衛(wèi)星遙感與北斗定位導航技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一的時空大數(shù)據(jù)平臺，提供統(tǒng)一的時空基準服務(wù)。以時空大數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)，融合光電、AIS、雷達等動態(tài)感知目標信息，構(gòu)建多元立體智能的感知體系，形成空天地一體的態(tài)勢感知能力（圖5）。

圖5 遙感衛(wèi)星星座與北斗衛(wèi)星星座的融合應(yīng)用建設(shè)

3）基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測。針對邊海防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目分布廣、數(shù)量多、部分點位難以到達，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)范圍廣、受地理條件限制少的特點，基于高分遙感影像，識別提取道路、橋梁、碼頭、直升機停機坪、執(zhí)勤房等基礎(chǔ)設(shè)施。結(jié)合周期性的數(shù)據(jù)比對監(jiān)測，監(jiān)督項目建設(shè)進度，普查項目建設(shè)情況，輔助完成規(guī)劃與項目評估工作（圖6）。

圖6 邊境道路建設(shè)施工衛(wèi)星遙感監(jiān)測

4）重要區(qū)域監(jiān)測。針對無人區(qū)、無人島礁以及部分重要管控區(qū)（海）域，固定監(jiān)控設(shè)施難以部署，機動設(shè)施難以到達，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，定期監(jiān)測關(guān)注區(qū)（海）域，及時發(fā)現(xiàn)地形地貌以及區(qū)域態(tài)勢變化（圖7）。

圖7 邊境重要區(qū)域地形地貌變化衛(wèi)星遙感監(jiān)測

5）重要目標監(jiān)測。利用衛(wèi)星遙感范圍大，不受國界影響的特點，可對邊海防管控區(qū)域內(nèi)界碑、機場、建筑等靜止目標監(jiān)測，也可對艦船、人員、車輛等動目標進行監(jiān)測（圖8）。

圖8 港口重要目標衛(wèi)星遙感監(jiān)測

圖9 非法碼頭偷渡走私衛(wèi)星遙感監(jiān)測

圖10 突發(fā)事件前后衛(wèi)星遙感監(jiān)測

6）應(yīng)急情報支援。當發(fā)生走私偷渡、維權(quán)執(zhí)法、海上救援等重大突發(fā)事件時，可提供事發(fā)地點氣象水文衛(wèi)星遙感信息以及區(qū)域態(tài)勢等情報信息支援。利用應(yīng)急編程拍攝機制與遙感應(yīng)急接入與服務(wù)裝備，快速獲取區(qū)域遙感影像，支持用戶對在軌遙感衛(wèi)星進行任務(wù)規(guī)劃、指令上注、實拍實傳、現(xiàn)場解譯，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感對應(yīng)急突發(fā)事件的情報支援（圖9-10）。

四、衛(wèi)星遙感技術(shù)在邊海防推廣模式研究

根據(jù)衛(wèi)星遙感技術(shù)特點與行業(yè)市場發(fā)展實際，可將邊海防衛(wèi)星遙感系統(tǒng)建設(shè)模式劃分為采購服務(wù)模式、項目建設(shè)模式、統(tǒng)籌開展模式。

1）采購服務(wù)模式。即用戶單位根據(jù)業(yè)務(wù)需求，采購衛(wèi)星遙感技術(shù)服務(wù)，如基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采購與更新、基礎(chǔ)設(shè)施普查服務(wù)等。該模式可滿足技術(shù)力量弱、建設(shè)資金不足的單位業(yè)務(wù)需求，優(yōu)點是資金投入少，服務(wù)方便快捷，由服務(wù)到應(yīng)用鏈路短，見效快；缺點是不利于單位人才培養(yǎng)，難以形成對衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用的深度認知與持續(xù)發(fā)展，且業(yè)務(wù)進程可控度不高。

2）項目建設(shè)模式。即按照基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)模式，在項目庫中增加衛(wèi)星遙感系統(tǒng)項目，通過試點驗證形成標準，由各地按需求立項展開建設(shè)。建設(shè)內(nèi)容包含原始數(shù)據(jù)獲取、功能軟件和硬件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析提取由使用單位完成。該方式要求使用單位具有專業(yè)技術(shù)人員，優(yōu)點是組織程序風險性較小、利于項目技術(shù)與應(yīng)用持續(xù)發(fā)展，難點在于對于使用單位人員素質(zhì)要求高，不符合部分單位人員實際，同時年度原始數(shù)據(jù)采購費用支出問題也需統(tǒng)籌考慮。

3）統(tǒng)籌開展模式。即依托國家邊海防信息化建設(shè)技術(shù)總體單位，建設(shè)衛(wèi)星遙感應(yīng)用服務(wù)中心，根據(jù)需求統(tǒng)一獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)加工，提供數(shù)據(jù)服務(wù)。目前，國家各部委單位開展衛(wèi)星遙感應(yīng)用項目大多采用這種模式。該模式利于加強頂層設(shè)計，持續(xù)推動衛(wèi)星遙感技術(shù)在實際應(yīng)用中發(fā)展，便于培養(yǎng)人才隊伍，避免了基礎(chǔ)軟件開發(fā)重復投入，難點資金投入量大，機構(gòu)人才力量與編制保障難的問題。

五、結(jié)論與展望

本文闡述了衛(wèi)星遙感概念、技術(shù)特點以及在邊海防信息化建設(shè)中的必要性，歸納總結(jié)了海防、邊防衛(wèi)星遙感試點示范建設(shè)探索成果，論證提出了邊海防衛(wèi)星遙感系統(tǒng)工作流程；并基于邊海防綜合防衛(wèi)管控能力提升的需求，設(shè)計了邊海防衛(wèi)星遙感系統(tǒng)功能，研究了邊海防衛(wèi)星遙感系統(tǒng)應(yīng)用建設(shè)與推廣模式。本研究內(nèi)容可助力推進衛(wèi)星遙感技術(shù)在邊海防落地應(yīng)用。后續(xù)將進一步結(jié)合國家高分重大示范專項以及智慧邊海防建設(shè)任務(wù)，加強頂層設(shè)計，研究衛(wèi)星遙感應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，完善應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，促進衛(wèi)星遙感技術(shù)與邊海防信息化建設(shè)深度融合。