基于專利的衛星遙感應用現狀與關鍵技術發展分析

文 | 宋潔瓊 潘麗君 劉鵬飛

1.中國航天系統科學與工程研究院

2.上海無線電設備研究所

一、前言

在21 世紀初期，全球遙感衛星市場還主要服務于軍方和政府領域[1]，隨著越來越多商業巨頭不斷進入，遙感數據商業應用已逐步成為推動遙感衛星市場發展的重要動力。現階段，基于衛星遙感數據的非傳統應用行業需求不斷涌現。同時，智能技術與遙感應用也開始快速融合，大數據、海量存儲、高性能計算、人工智能及云計算等新一代信息技術對衛星遙感數據處理領域不斷滲透[2]，已成為行業服務能力提升的突破關鍵。多源數據融合和海量數據智能處理手段的日益豐富，使更多的遙感應用場景被打開。通過共享平臺實現跨行業、跨領域、跨學科的數據分享，也成為衛星遙感綜合應用能力快速提升的有效手段[3]。根據本文檢索標引出的近三千項衛星遙感相關專利的承載信息，可看出國內外對數據反演類型改進和數據信息處理技術的專利申請量長期處于大小相當的狀態，即衛星遙感應用能力與范圍的拓展，與全球企業對處理技術的創新投入呈共促進、同發展的趨勢。同時，在國際化浪潮與國內政策的持續推動下，中國也已成為相關領域內的創新主要來源地。

二、專利數據檢索與分析方法

基于廣泛收集的國內外衛星遙感應用相關技術資料，根據信息處理手段、數據應用方向和近年面臨的存儲與處理難題，本文重點關注了針對衛星遙感信息的智能化信息處理、定量化數據反演、海量數據處理平臺設計與應用三個技術領域，進一步在其基礎上又細分出了噪聲抑制、目標識別、多源影像融合、數字地形模型構建、氣象預測、環境檢測、農業管理、傳輸與分發、存儲與運營等13 個技術分支。通過對上述分支相關的中英文關鍵詞和IPC分類號的全面收集與匹配，在全球專利數據庫中對1980 年至2022 年間各國創新成果進行檢索，共挖掘出技術相關專利2816 項。

其中，專利檢索使用的商業數據庫包括德溫特專利數據庫和智慧芽專利數據庫，能夠支持160 余個國家和地區的近2 億條專利數據的專業檢索。專利分析部分綜合采用客觀定量、主觀定性及語義聚類等多維度分析方式。在不同定量維度信息梳理中，充分結合情報、技術等其他要素，力圖既突出每項分析主旨，也系統構建出衛星遙感應用技術發展現狀的宏觀影像。以期通過呈現出的技術發展現狀和熱點應用方向，對國內相關領域技術發展提供清晰有效的啟示與建議。

三、衛星遙感應用各領域關鍵技術創新分布

首先通過對衛星遙感信息的定量化數據反演技術、智能化信息處理技術、海量數據處理平臺設計與應用技術這三大技術領域內各個技術分支的專利申請量進行統計，梳理衛星遙感應用各關鍵技術上的創新分布情況。結果如圖1 所示。

圖1 衛星遙感應用各領域關鍵技術專利量分布圖（單位：項）

1.定量化數據反演技術領域

衛星遙感數據定量化產品及技術在全球氣象變化、農作物估產、生態環境監測等方面有著廣泛的應用，各國均有需求。從技術發展的支撐來看，近年來全球遙感衛星載荷性能、定標與分析技術均得到了快速的發展，地表、大氣觀測系統及數據處理方法也日趨成熟，對自動化、高精度、高性能快速處理的遙感衛星數據定量化反演技術的優化及產品的研制也逐步加快。本文在定量化數據反演技術領域中，關注了技術分支5 個，分別為數字地形模型構建技術（專利143 項）、氣象預測技術（專利151 項）、農業管理技術（專利523 項）、環境檢測技術（專利250項）和災害評估技術（專利271項）。

（1）農業管理與環境檢測是數據反演熱點應用方向

20 世紀八十年代起，歐美日等多國已經開始了農業農村領域的衛星遙感數據應用，經過近四十年的發展，農業管理已經成為定量化數據反演技術領域中，專利申請量最豐富的應用方向。圍繞產量預測、品質判斷、施肥管理、病蟲害診斷、土地使用、農企信息服務等需求，中國、美國、印度和日本幾個專利豐富國家均進行了較多創新。近年，針對農戶成本估算、受災保險定損、地塊估價、授信額度確認、種植險承保等的農業金融管理業務，開始成為衛星遙感數據在農業生產上的新應用熱點。該類專利技術最早起源于美國，現今美國CIBO 科技公司都還在持續推出基于過去生長情況的地塊估價和基于碳足跡檢測的地塊管理等應用創新。我國在該方向上也積極嘗試，中國科學院遙感與數字地球研究所最早提出了將高分遙感影像應用在農業保險承保理賠查勘環節中的優化方法，并支持成立了新興農業遙感服務商——中科光啟空間信息技術公司，已在農保承保系統和保險定損上提出了幾個專利方案。中國平安保險和中國工商銀行也先后提出了災情評估和理賠的具體應用專利設計。通過遙感數據精確測定承保標的面積、數量、位置等信息，從宏觀上輔助了災害總體損失情況及空間分布的可靠掌握，為承保風險管控提供了有效支撐。

（2）數字地形模型構建能力推動反演精度提升

作為多類遙感數據定量化反演工具的構建基礎，數字地形模型（DTM）與分支數字高程模型（DEM），及其衍生出來的數字表面模型（DSM）、數字柵格地圖（DRG）等承載著這個地球地理信息數字世界的底層形態框架，在測繪、水文、地貌、工程建設、通信、軍事等國民經濟和國防建設領域應用非常廣泛，有著關鍵性的基礎作用，也賦能了衛星遙感多元業務的數字化成長。對于數字地形模型構建技術的研究，前期主要由美國在支撐，其中對領域內影響較大的專利技術，為美國DIGIMARC公司在專利US20020124171A1 中公開的對衛星等空天遙感圖像的實時管理及基于最新數據對數字高程模型和地圖進行實時更新的創新方案。該專利中涉及的跟蹤用水印技術自首次提出后，被DIGIMARC公司在全球各國先后進行了千余項的同族布局，也歷經了多次技術許可。

近年來，關于數字地形模型構建的創新方案主要來源于中國。美國雖整體專利量不再突出，但其EAGLE 科技公司的專利產出較為亮眼。該公司致力于使用深度學習、語義檢測、深度預測、神經網絡等智能化手段在3D 地理空間模型中執行檢測和更新的系統。這代表了未來對于數字地形模型校正與應用的一個重要方向，德國航空航天中心（DLR）與華中科技大學、西安電子科技大學、同濟大學、武漢大學、北京市遙感信息研究所也在陸續提出相關方案。數字地形模型構建的另一個發展方向是模型數據源獲取方式的改進，利用無人機、激光測高儀、激光雷達、星載干涉SAR 等新的觀測工具已成為業內共識，深圳大學、中國空間技術研究院、中國測繪科學研究院、IBM 公司、德國航空航天中心、首爾大學、韓國國立山林科學院等機構均有專利方案涉及到。

2.智能化信息處理技術領域

在衛星遙感應用產業鏈中，遙感影像處理環節處于承前啟后的重要位置，前端承接衛星地面設施，后端面向農林、氣象、自然資源等行業具體的業務應用。故對處理過程中的圖像處理精度和信息提取效率的優化和提升，在遙感應用過程中顯得尤為重要。本文在智能化信息處理技術領域中，關注了技術分支6 個，分別為噪聲抑制技術（專利58 項）、特征提取技術（專利172 項）、目標識別技術（專利384 項）、場景分類技術（專利291 項）、定標校正技術（專利235 項）和多源影像融合技術（專利150 項）。

（1）定標校正技術是早期多國關注重點

早期對智能化信息處理技術的創新研究主要產自于美國，相關專利最多的技術方向是定標校正技術。由于傳感器誤差、物鏡畸變、大氣折光、地球曲率、地球自轉、地形起伏等因素導致的綜合影響，遙感原始圖像上地物的幾何位置、形狀、尺寸、方位等特征會發生形變，必須要先對圖像進行校正處理。故在深度學習等智能化手段未普及時，各國在定標校正技術上的創新投入更多。針對其技術關鍵性，在該技術上參與創新的重點企業也極為豐富，法國國家空間研究中心（CNES）、德國航空航天中心、美國軍方、韓國電子通信研究院（ETRI），以及美國的霍尼韋爾公司、洛·馬公司、哈里斯公司均有專利方案陸續公開。

（2）智能處理助力目標識別與場景分類成為近年創新高地

21 世紀的第一個十年之后，圍繞智能化信息處理的專利申請量開始快速提升，中國專利擁有量也大幅提高。以云計算、大數據、人工智能為代表的新技術為遙感圖像處理注入了新的活力，也為解決衛星數據的大規模自動處理和智能信息提取提供了多樣化創新手段。該階段，目標識別和場景分類兩個技術方向成為創新重點。目標識別技術上，西安電子科技大學的創新成果量遠超其他單位，成為這一方向上的佼佼者；其次，哈爾濱工業大學、北京航空航天大學和中國電子科技集團公司第54 研究所是成果相對豐富的創新主體。場景分類技術上，以武漢大學和西安電子科技大學的創新量最為豐富；其次為中國科學院遙感與數字地球研究所、河海大學和南京信息工程大學。可以看出，以目標識別和場景分類為創新代表的衛星遙感智能化信息處理技術，現階段主要的研發支撐還是國內的高等院校。

3.海量數據處理平臺設計與應用技術領域

對地觀測技術的發展，造成了遙感數據體量的持續增長，數據獲取和更新周期縮短，時效性越來越強，衛星遙感已進入大數據時代。如何有序、高效地存儲管理海量遙感數據，實現遙感信息的快速分享已成為空間信息科學領域關心的重點問題；且出于遙感影像數據的空間性、多樣性、復雜性和海量性，使得很難對海量遙感影像數據進行有效存儲和高效檢索，這也是目前遙感應用領域亟待解決的難題。本文在海量數據處理平臺設計與應用技術領域中，關注了2 個技術分支，分別是傳輸與分發技術（專利58 項）和存儲與運營技術（專利130 項）。

（1）信息傳輸與分發成果主要源自航天科技與中國電科

遙感信息傳輸與分發是衛星遙感信息得以充分利用的重要環節。針對數據傳輸，相關單位主要從星地鏈路、數傳機制、在軌處理等方面進行了創新改進；針對數據分發，則主要從用戶建模、系統建設、分發協調幾個方面進行了性能提升。整體上，創新主體以中國航天科技集團有限公司、中國電子科技集團有限公司及其下屬院所為主。在軌狀態下的處理優化是近年隨著星上處理器性能提升后逐步出現的新型改進思路。中國科學院微小衛星創新研究院在專利CN111309477A 中公開了一種衛星在軌數據處理系統，支持DSP 計算節點和FPGA 計算節點的資源擴展，提升了星上處理能力和可靠性，并采用SRIO 高速數據接口和SRIO 數據交換網絡提高了在軌數據處理的擴展性和自由度。國防科技大學在專利CN113542687A中提出了一種視頻衛星在軌實時探測系統及其視頻傳輸方法，通過采用視頻圖像數據在軌實時壓縮、實時路由數傳下傳等，為超大數據量視頻遙感衛星在軌實時探測提供了解決手段。該類技術目前還較為稀缺，未來有待提升投入。

（2）數據存儲與檢索創新頗受關注，運營專利仍較稀缺

在對遙感數據的存儲、檢索與運營上，武漢大學和中國科學院下屬院所是主要創新主體。相關專利主要以存儲和檢索為主，數據運營技術涉及的專利極少。分布式可擴展的存儲體系架構是目前解決海量遙感影像數據存儲的一種主要解決途徑，主要通過利用分布式的存儲系統滿足海量數據的存儲需求，利用可擴展的體系架構適應遙感數據量指數級的動態增量。近年來，中科星圖、河南農業大學、中電38 所和中國科學院空天信息創新研究院（2019年在中國科學院電子學研究所、遙感與數字地球研究所、光電研究院的基礎上整合組建）提出的結合Kubernetes 和Ceph 的遙感數據存儲系統、基于分布式hbase 存儲的海量遙感數據組織管理、基于R tree 索引的優化分類樹存儲模型等方案，也均具有一定的技術代表性。

遙感影像檢索上，降低檢索時所需內存、加快檢索速度、提升檢索準確度是各單位的主要追求目標。利用深度學習進行特征識別神經網絡訓練，基于神經網絡再進行影像檢索，是武漢大學、西安電子科技大學、華中科技大學等高校的主流創新方式，如專利CN109086405B 中基于顯著性和卷積神經網絡的遙感圖像檢索方法、專利CN109960737B 中半監督深度對抗自編碼哈希學習的遙感影像內容檢索方法等。與高校解決方式不同，北京四維新世紀信息技術公司、航天宏圖信息技術公司、中國科學院遙感與數字地球研究所等則在基于圖片內容切分比對相關方式上進行檢索搜尋，如專利CN107291801A 中基于格網補償的單時相全覆蓋遙感數據檢索方法、專利CN112966164A 中用于海量遙感影像目標提取的快速定位方法等，代表了技術創新中的另一個關鍵方向。

四、創新產出地域分布與中外技術投入對比

根據專利優先權國家對專利數據進行統計和分析，可以了解衛星遙感應用相關技術的創新產出區域分布情況，以了解各國的技術研發能力和創新水平分布。如表1 可以看出，本文檢索出的2816 項衛星遙感應用技術相關專利主要來自于中國、美國、日本和韓國。

表1 衛星遙感應用技術專利申請來源國分布情況

1.主要專利來源國申請量分布

衛星遙感應用技術相關專利最早出現于20 世紀八十年代，前期創新以美國產出為主。到21 世紀初的十年間，日本開始發力，專利申請量有了較大提升，中國則在中國科學院、中國農業科學院的帶領下，創新成果量逐步超越了日本。自2010 年后的近十來年，由于我國的大力扶持和投入，國內衛星應用研究機構的研制能力逐步提高，加之于國內對創新保護意識的不斷增強，聯合促使了我國相關專利申請量持續快速上升，逐步成為了衛星遙感應用領域中全球專利申請的最大來源國。在這期間，美國專利申請量雖也有增長，但增長幅度已較中國差距較大。

2.中外技術構成分析

中國的創新研究中，針對定量化數據反演技術中的農業管理技術和智能化信息處理技術中的目標識別技術最為重視，專利申請量最豐富（圖2）。其次，中國也較為重視定量化數據反演技術中的環境監測技術、災害評估技術和智能化信息處理技術中的場景分類技術、定標校正技術。另外，中國機構對于海量數據處理平臺設計與應用技術的研究近年也有較大幅度的提升，具體細分方向上有著明顯的重存儲、輕分發的態勢。

圖2 中國專利在各分支申請量分布

國外的創新研究中，對定量化數據反演技術中的農業管理技術最為關注，專利申請量遠超其他各細分方向，其中美國、印度和日本在該方向上均成果相對突出（圖3）。其次，國外機構也較為重視定量化數據反演技術中的數字地形模型構建技術、災害評估技術，以及智能化信息處理技術中的定標校正技術。

圖3 國外專利在各分支申請量分布

由以上兩組的信息對比，可看出國內外在衛星遙感應用上的關注重點有較大區別。中國重視環境監測、目標識別，而國外更加重視數字地形模型構建和災害評估。相同的是，國內外均關注農業管理的發展，也都愿意在定標校正上進行投入。

3.重點技術方向上的中外發展分析

數字地形模型，尤其是其中的數字高程模型，已開始在地學領域發揮越來越重要的作用，長期受到國外機構重點關注。作為一種基礎數據，更作為一種數據處理和應用方法，數字地形模型已經成為地理信息系統的一個重要組成部分。中國相關專利中，關于利用遙感影像進行模型構建的創新較為豐富，南京大學、武漢大學、長光衛星技術公司、自然資源部國土衛星遙感應用中心的相關專利均為構建或處理方案。其中，對于數字高程模型和數字表面模型的研制方法最多，對高分辨率和高精度模型的追求是產品研發的重點，使用星載干涉SAR 和激光雷達是近年的熱點手段。圖4 為中國數字地形模型構建技術相關專利關鍵詞云。

圖4 中國數字地形模型構建技術相關專利關鍵詞云

國外相關專利中，對數字高程模型的研制也是重點，方法上國外更關注系統中處理器和數據庫的使用與維護。對生成后數字地形模型的更新與修復也是國外創新的重要著力點。在3D 地理空間模型中采用人工智能、神經網絡等先進手段是近年國外集中出現的新熱點，也代表了未來對于數字地形模型校正與應用的一個重要方向?；谠诒磉_地面形態方面無可比擬的優越性，國外創新主體的參與數量與研究熱情，均體現出了數字地形模型及其衍生產品在線路勘測設計、工程規劃選址、城市規劃和土地利用等方面的需求顯著。圖5 為國外數字地形模型構建技術相關專利關鍵詞云。

圖5 國外數字地形模型構建技術相關專利關鍵詞云

五、專利分析結論

1.中國專利體量優勢明顯，創新新興方向與市場緊密貼合

衛星遙感應用相關研究中，前期創新以美國技術為主，2010 年后中國在中國科學院、中國農業科學院的帶領下，專利申請量出現了快速提升。隨著政府性商業遙感數據應用領域和深度的不斷擴大，及多顆高分衛星的廣泛應用，促使了國內對衛星遙感創新研究的大爆發。至今，中國已成為相關領域內創新成果最為豐富的國家，占全球專利申請總量的74%。

衛星對地觀測與云技術、大數據、移動互聯、人工智能的緊密結合，極大豐富了業務應用和服務領域。遙感應用產業正在從圖像售賣轉向分析判讀和觀測數據處理與分析等業務，下游信息產品、處理服務和數據服務已展現了較大的發展空間，并演變成近年新興的專利技術方向。衛星遙感應用能力與范圍的拓展，與全球企業對數據處理技術的創新投入呈共促進、同發展趨勢。

2.國內外遙感數據積極服務農業與環境應用

定量化數據反演技術中，農業管理相關專利量最豐富，且長期保持高創新投入狀態，共有專利523 項。近年，針對成本估算、保險定損等的農業金融管理，成為衛星遙感數據在國內外農業生產上的新應用熱點。同時，環境監測技術隨著地表、大氣觀測系統及數據處理方法的日趨成熟，也成為近年研究活躍方向，共有專利250 項。中國科學院等單位在遙感應用上布局廣泛，除了自有技術積累外，還成立了農業遙感服務商中科光啟、支持中科星圖并購了專業氣象公司，綜合強化農業、環境、氣象、海洋相關業務服務能力。

3.識別與分類處理技術快速發展，多源融合有待投入

智能化信息處理上，依托于機器學習的目標識別技術和場景分類技術相關專利申請量提升最為顯著，分別有專利384 項和291 項，其主要研發支撐是西安電子科技大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、武漢大學等國內高校。但在空天地協同觀測、大場景高“時-空-譜”無縫觀測等需求盛行的當下，國內外對遙感數據中的多源影像融合研究明顯不足，僅產生專利150 項，有待于進一步加大研發。

4.數據平臺建設技術門檻高，專利總量尚在低位

在海量數據處理平臺設計和應用技術領域，中國航天科技集團有限公司、中國電子科技集團有限公司及其下屬院所的專利產量明顯突出。針對數據傳輸，專利顯示主要從星地鏈路、數傳機制、在軌處理等方面進行改進；針對數據分發，則主要從用戶建模、系統建設、分發協調幾個方面進行性能提升。圍繞對遙感數據的存儲、檢索與運營，專利成果主要產出在近五年，因技術門檻較高，專利總量還相對低位，其中涉及存儲和檢索的專利居多，涉及數據運營的創新極少。

六、啟示與建議

1.乘環保與“雙碳”大力發展之勢，增強環境監測應用能力

基于遙感的環境監測已成為近年國內專利布局重點。國家層面現高度重視生態環境保護，衛星遙感服務落地場景巨大而豐富。生態環境部下發《生態環境監測規劃綱要（2020-2035）》，在環境質量監測方面對衛星遙感提出了非常細致的要求。同期“碳中和、碳達峰”相關政策頒布，遙感技術再次被重點聚焦。中國科學院作為國內遙感應用產業領軍機構，旗下企業已開始瞄準“雙碳”市場積極投資并購，發展相關業務。借此大力發展之勢，相關企業應重點投入該類應用方向解決方案，在現代化生態監管體系與碳排碳匯空間遙感監測體系建設中大力提升相關應用服務能力。

2.強化地理模型全鏈條建設能力，高效服務數字中國描繪

國外機構重視數字地形模型構建技術的創新，專利占比相對較高。高精度DEM 是建立地理模型、實現實景三維的基礎數據，衛星遙感作為獲取全球DEM 數據的主要手段，基于合成孔徑雷達、雷達測高、激光測高均是關鍵獲取方式，國內外已做了一定量的研究。國內部分單位針對新型載荷特點和應用前景，已對星載干涉SAR 和激光雷達等新型載荷的定標和基于DEM 衍生的定量化產品進行了深入研發。建議相關企業在此基礎上進一步加大關注，在國內尚無成熟DEM 產品，基于國產測繪衛星數據提取數字地面模型的研究還較為鮮見的形勢下，推動基于新型載荷的高精度DEM 生產系統及派生產品的全鏈條生產能力，早日在國土、林業、災害監測、精確定位等方面得到應用推廣。

3.增強遙感數據處理平臺系統服務與生產效能

遙感數據處理平臺因構建技術門檻高，專利產量持續低位。近年航天、航空、臨近空間等多遙感平臺不斷增加，數據的空間、時間、光譜分辨率不斷提高，遙感數據已經越來越具有大數據特征。現階段國內面向市場的產品體系設計還不足，產品數量還較少，研發投入有待于進一步提升。后續建議在平臺架構、組織機制、分發模型、檢索算法等方面繼續改進鉆研，增強系統可拓展性和多類型應用的適應性，以更好地服務國內自然資源、環保、應急等領域的需求。并在后續通過核心產品及時保護和批量化生產能力的構建，實現國外市場融入與開拓。