天空地海多基協(xié)同多源融合的海洋應(yīng)用設(shè)想

文 | 張拯寧 安玉拴 航天恒星科技有限公司

一、引言

十九大報告中明確指出，要堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強國。當(dāng)前，航天技術(shù)發(fā)展迅猛，并廣泛應(yīng)用在國家軍民信息建設(shè)中，通過不同類型的星載傳感器實現(xiàn)遙感信息的采集、傳輸、處理及分發(fā)等功能，獲取全球范圍內(nèi)近實時的態(tài)勢感知信息；結(jié)合空基、岸基、?；榷嘣幢O(jiān)測手段，實現(xiàn)對海洋目標(biāo)的連續(xù)、實時、精確的監(jiān)視與預(yù)報，支撐海洋信息獲取與處理技術(shù)能力的提升，推動海洋強國建設(shè)。

海洋多源協(xié)同監(jiān)測成為各國關(guān)注的焦點，美國已形成海洋立體綜合監(jiān)控體系，以衛(wèi)星為基礎(chǔ)，結(jié)合無人機、無人船技術(shù)，配合浮標(biāo)和離岸設(shè)備等形成監(jiān)控體系，實現(xiàn)海洋全方位立體觀測。歐洲建立“海洋監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)”，推行“歐盟一體化海洋”體制，建成了海上邊界監(jiān)控系統(tǒng)，其技術(shù)手段和管理體制處于世界領(lǐng)先水平。日本正在加強“海洋監(jiān)視體制”構(gòu)建，使用衛(wèi)星和遠程長航時無人機進行海洋監(jiān)視，收集進入該國周邊海域的艦船、可疑船只信息，已覆蓋釣魚島及其周邊島嶼。

目前我國在天基、空基、岸基、?；确矫嬉呀ǔ纱罅炕A(chǔ)設(shè)施，并在海南、江蘇等沿海城市建設(shè)無人機基地，采集了大量的海洋數(shù)據(jù)；但在多基協(xié)同和數(shù)據(jù)融合方面，現(xiàn)有技術(shù)手段尚未形成全面的、多維度的海洋協(xié)同監(jiān)測體系，無法滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)應(yīng)用。因此，需深入分析現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)手段的特點，針對海洋應(yīng)用要求，提出一種科學(xué)合理的天空地海多基協(xié)同信息融合的海洋應(yīng)用模式。

二、海洋多基信息協(xié)同應(yīng)用需求

近年來，經(jīng)過數(shù)字海洋和透明海洋工程的實施，在海洋信息化建設(shè)方面取得了豐碩的成果，但仍無法有效支撐海洋強國建設(shè)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議目標(biāo)的實現(xiàn)，目前主要存在幾點不足：①海洋多源信息獲取能力薄弱；②中遠海海洋信息通信傳輸手段不足；③海洋多源信息融合應(yīng)用水平較低，無法在海洋動態(tài)監(jiān)管、防災(zāi)減災(zāi)等業(yè)務(wù)中及時獲取精細化的海洋信息輔助決策。

1.海洋多源遙感監(jiān)測需求

海洋環(huán)境復(fù)雜、資源豐富，隨著人口的增長和陸地非再生資源的大量消耗，開發(fā)利用海洋對人類生存與發(fā)展的意義日顯重要。因此，需利用先進的遙感技術(shù)，指導(dǎo)人們科學(xué)合理地開發(fā)、利用海洋。與常規(guī)的調(diào)查手段相比，海洋遙感技術(shù)具有獨特的優(yōu)點。

1）遙感監(jiān)測不受地理位置、天氣和人為條件限制，可覆蓋地理位置偏遠、環(huán)境條件惡劣的海域及因政治原因無法進行常規(guī)調(diào)查的海域。

2）遙感監(jiān)測能提供大面積影像，尤其是天基遙感像幅面積可達上千平方公里，對海洋資源普查、防災(zāi)減災(zāi)及動態(tài)監(jiān)管都極為有利。

3）天基遙感能周期性地監(jiān)視大洋環(huán)流、海面溫度場的變化、魚群的遷移、污染物的運移等，獲取的海洋信息量非常大。

4） 可同步觀測風(fēng)速風(fēng)向、流速、海洋污染、海浪、海氣相互作用等情況。

目前，單一遙感監(jiān)測手段都有其特點，并存在其局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面（見表1）。

表1 不同遙感監(jiān)測手段對比

海洋全要素信息獲取與處理是各海洋強國占領(lǐng)制高點的必然需求，由表1可知，天空地海等多基遙感各有優(yōu)勢，但目前還沒有單一的遙感監(jiān)測手段可同時滿足海洋全要素信息高空間分辨率、高時間分辨率、全天候持續(xù)監(jiān)測的需求。因此，為了采集海洋全要素信息，全面認知海洋，采用多源遙感監(jiān)測手段對同一目標(biāo)，獲取不同光譜、不同特征、不同目標(biāo)屬性的多維遙感信息是極其必要的。

2.海洋多元通信傳輸需求

近十年來，從電纜到光纜、有線到無線、從2G到5G，岸基通信手段發(fā)展迅速，但由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變、高濕熱/鹽霧/霉菌、海上施工困難等原因，海洋通信的發(fā)展略滯后于岸基通信。為了保障“一帶一路”發(fā)展，必須確保海上絲綢之路相關(guān)海域能夠?qū)崿F(xiàn)無縫、高效和可靠的通信覆蓋。

常規(guī)的海洋通信網(wǎng)絡(luò)包括海上無線微波通信、衛(wèi)星通信、基于陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)的岸基移動通信以及光纜通信。由于通信制式互不兼容、通信帶寬高低不一、中遠海覆蓋范圍存在盲區(qū)、缺乏高效統(tǒng)一的管理機制，常規(guī)海洋通信網(wǎng)絡(luò)難以滿足我國日益增長的海洋活動需求，成為制約海洋經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸（見表2）。因此，研究適合我國國情的海洋通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，構(gòu)建一個全覆蓋、高可靠、易管理、低成本的新型海洋通信網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。

表2 常規(guī)海洋通信網(wǎng)絡(luò)對比分析

海洋全要素信息的交互共享服務(wù)與通信傳輸密不可分，特殊復(fù)雜的環(huán)境條件對中遠海海洋通信傳輸在通信覆蓋范圍、帶寬等方面提出了嚴苛的要求；且目前沒有單一通信手段可同時滿足海上/水下多平臺之間便捷無縫通信的需求，因此研究廣域覆蓋、多元化和高可靠性的海上通信技術(shù)勢在必行。

3.多基協(xié)同融合應(yīng)用需求

隨著對地觀測平臺、遙感傳感器種類和數(shù)量日益豐富，多波段、多極化、多尺度的遙感數(shù)據(jù)源源不斷地產(chǎn)生。如何實現(xiàn)多基多源遙感數(shù)據(jù)之間的有效融合，從而提高數(shù)據(jù)利用價值，并從多源融合數(shù)據(jù)中挖掘出新的海洋關(guān)注信息，成為了遙感領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點。

多源遙感數(shù)據(jù)融合是將包含同一海洋目標(biāo)或關(guān)注區(qū)域的、在空間、時間、光譜上冗余或互補的多源遙感數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則（或算法）進行運算處理，獲得比任何單一數(shù)據(jù)更精確、完整、有效的信息，生成具有新的空間、時間、光譜特征的合成影像數(shù)據(jù)，以達到對目標(biāo)和場景的綜合、完整描述。除此之外，還可結(jié)合通信數(shù)據(jù)、導(dǎo)航定位信息、指揮決策信息，運用大數(shù)據(jù)挖掘和人工智能進行協(xié)同融合。相比單一數(shù)據(jù)來源，多源遙感數(shù)據(jù)融合具有明顯優(yōu)勢：①可提高數(shù)據(jù)來源的完整性和可靠性；②提高目標(biāo)檢測和識別的準(zhǔn)確性；③提高變化檢測和信息更新的能力。

綜上所述，海洋應(yīng)用需求的快速發(fā)展對海洋信息處理提出了更高的要求，從可見光、雷達等單一傳感器信號處理向多傳感器信息融合方向發(fā)展，融合應(yīng)用天空地海多基多源遙感服務(wù)海洋信息化建設(shè)是未來的發(fā)展方向。

三、多基協(xié)同多源融合海洋應(yīng)用構(gòu)想

由于目前海洋目標(biāo)種類繁多、時空分布不均勻、傳感器各異、數(shù)據(jù)差異大，造成多基協(xié)同監(jiān)測難；而海洋用戶分布較廣、通信需求多樣化、通信手段體制/頻率/速率差異大，造成協(xié)同通信難；同時海洋多基監(jiān)測與通信手段時空分布不均勻，形成的數(shù)據(jù)顆粒度不一致、格式不統(tǒng)一等問題，造成大數(shù)據(jù)匹配與融合處理難度較大。因此，有必要推動以天空地海多基協(xié)同的多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用服務(wù)于海洋領(lǐng)域。

1.天空地海多源數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

衛(wèi)星遙感作為一種長時間和大范圍監(jiān)測手段，在海洋環(huán)境監(jiān)測中已成功應(yīng)用，無人機航空遙感近幾年迅速發(fā)展。然而由于海洋光學(xué)特性復(fù)雜，水環(huán)境變異時空尺度較高，對星載/機載傳感器的時間、空間、輻射分辨率都有著較高的要求，致使海洋環(huán)境定量遙感研究很難取得突破性進展。傳統(tǒng)的海洋星載水色傳感器雖然在光譜分辨率及信噪比方面具有優(yōu)勢，但空間分辨率不高，時間分辨率受到衛(wèi)星重訪周期以及天氣因素限制，傳統(tǒng)的水色傳感器在海洋環(huán)境監(jiān)測中的實際應(yīng)用較為有限[1]。同時在多源遙感監(jiān)測的背景下，傳感器輻射特性的不一致性和時序不穩(wěn)定性導(dǎo)致海洋環(huán)境定量遙感仍面臨較大挑戰(zhàn)。因此，在衛(wèi)星遙感、無人機遙感成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上，急需整合天空地海多基感知前端，涵蓋衛(wèi)星、有人機、無人機、船載終端、多波束、淺底層剖面儀等，將水下信息、海面信息、導(dǎo)航定位信息與天基/空基感知信息進行融合應(yīng)用，詳見圖1。

圖1 多基多源遙感監(jiān)測示意圖

2.衛(wèi)星遙感與低空遙感協(xié)同監(jiān)測技術(shù)

無人機低空遙感精細化快速調(diào)查可與衛(wèi)星遙感大范圍觀測優(yōu)勢互補，形成立體觀測能力，服務(wù)于海洋應(yīng)用領(lǐng)域。

1）在分辨率方面，衛(wèi)星遙感覆蓋范圍大，無人機低空遙感以甚高分辨率（優(yōu)于0.1m）為主，可形成衛(wèi)星大范圍普查+無人機精細化詳查的作業(yè)模式，可在海上應(yīng)急救援、海洋災(zāi)后評估、海岸帶監(jiān)測等業(yè)務(wù)上廣泛應(yīng)用。

2）在時效性方面，一般情況下，民用衛(wèi)星按照既定軌道和傾角參數(shù)運行，而無人機具備快速靈活的作業(yè)能力，因此可在重點關(guān)注區(qū)域采用無人機低空遙感監(jiān)測，填補衛(wèi)星遙感過境空隙，在時效性上與衛(wèi)星互為補充。

3）在空間性方面，由于海洋上空云量較多、霧氣較大，采用可見光傳感器進行海洋環(huán)境監(jiān)測時，成像質(zhì)量易受天氣情況影響；而無人機便于低空作業(yè)，有效規(guī)避海上云霧，避免不良天氣對衛(wèi)星遙感的影響。

4） 在數(shù)據(jù)源方面，雖然衛(wèi)星資源也可搭載光譜、雷達等傳感器，但在突發(fā)事件區(qū)域的過境衛(wèi)星，不一定搭載業(yè)務(wù)所需傳感器，造成無法及時獲取所需光譜數(shù)據(jù)。但無人機采用機械結(jié)構(gòu)可靈活換裝激光雷達（Lidar）、合成孔徑雷達（SAR）等各類載荷，有效補充數(shù)據(jù)類型，尤其是高精度立體測繪數(shù)據(jù)。

綜上所述，整合衛(wèi)星遙感和無人機低空遙感各自在分辨率、時效性、空間性和數(shù)據(jù)類型等方面的優(yōu)勢，互為補充，可形成有效的天地一體化立體觀測能力，服務(wù)于海上突發(fā)事件應(yīng)急處置、海洋防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域。

3.多源遙感數(shù)據(jù)融合應(yīng)用技術(shù)

海洋目標(biāo)類型眾多，不同的目標(biāo)對應(yīng)不同光譜信息，而多源遙感數(shù)據(jù)光譜信息豐富、覆蓋面積大、空間分辨率較高。因此需將單一傳感器的多波段信息或不同類別傳感器所提供的信息加以綜合，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補；在同一地理坐標(biāo)系中，把多幅遙感圖像數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則，生成一幅更能有效表示該目標(biāo)的圖像信息，從而獲取海洋目標(biāo)的全要素信息[2]。

目前針對同一目標(biāo)，以可見光為主傳感器，結(jié)合其他多基多源遙感數(shù)據(jù)融合分析，以SAR影像和可見光影像為例，闡述多源信息融合應(yīng)用于海洋監(jiān)測。SAR傳感器可穿透云層對地成像，具有全天時、全天候的特點；SAR圖像具有振幅和相位兩種特性。振幅信息反映地物對雷達波的后向散射強度，與地物的介電常數(shù)、含水量以及粗糙程度相關(guān)，用于識別地物目標(biāo)和分類。而相位信息則反映傳感器平臺與地面目標(biāo)的往返傳播距離，用于三維立體建模及目標(biāo)檢測[3]。下面以天津港口區(qū)域為例分析可見光與SAR影像融合后用于道路、港口建筑物等目標(biāo)提取（見圖2）。

圖2 可見光與SAR影像融合

由圖2可見，港口區(qū)域SAR影像（圖2 b）中含有多處可見光影像（圖2 a）中不易察覺的特征信息（紅框標(biāo)記處），如擋浪壩、透水構(gòu)筑物、橋梁、道路等地物特征。融合圖像（圖2 c）的空間分辨率接近于原SAR影像，同時特征信息也得到了加強，且融合圖像光譜信息豐富。因此，SAR圖像與可見光圖像融合可將兩幅圖像的信息互補，將SAR圖像的重要目標(biāo)特征信息加入到可見光圖像中，并使融合圖像盡可能保留原可見光圖像的細節(jié)與光譜信息，可提高可見光圖像的空間結(jié)構(gòu)和特征信息，為災(zāi)后評估、目標(biāo)識別等業(yè)務(wù)提供目視效果好、特征明顯的融合圖像，廣泛應(yīng)用于海冰監(jiān)測、溢油監(jiān)測、船只監(jiān)測等領(lǐng)域。

四、基于天空地海多基信息融合的典型應(yīng)用

1.我國近岸海域動態(tài)監(jiān)管體系

采用“天空地?！币惑w化監(jiān)視監(jiān)測技術(shù)，融合應(yīng)用天空地海多基手段，構(gòu)建國家—省—市—縣四級海域監(jiān)測體系。通過遙感衛(wèi)星、無人機、移動監(jiān)測平臺、浮臺、島礁監(jiān)測站、無人艇、波浪能滑翔機、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等多種感知手段，可實現(xiàn)我國近岸海域“全覆蓋、立體化、高精度”綜合監(jiān)控，形成主動監(jiān)控與協(xié)同處置能力，對我國近岸海域邊界/爭議區(qū)的島礁及周邊海域、重點航線、捕撈區(qū)、油氣資源開發(fā)活動等進行動態(tài)監(jiān)測，體系架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 近岸海域動態(tài)監(jiān)管體系架構(gòu)示意圖

2.海上通信指揮體系

基于衛(wèi)星通信、北斗導(dǎo)航、無線通信、AIS等技術(shù)，集成天、空、岸、海多源數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用裝備，構(gòu)建三級聯(lián)動指揮體系，指令傳達至最基層任務(wù)單元，形成海上通信指揮體系。指揮中心或者基地可通過衛(wèi)星通信、短波通信等方式接收船隊回傳的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時分析、指揮決策，下達任務(wù)指令，形成對非法船舶、環(huán)境污染和非法捕撈等行為的常態(tài)化監(jiān)控能力（見圖4）。

圖4 海上通信指揮體系架構(gòu)圖

3.海洋多源遙感災(zāi)后評估

目前，多源遙感在海洋防災(zāi)減災(zāi)方面進行災(zāi)情信息快速獲取與動態(tài)評估的應(yīng)用逐漸成熟。臺風(fēng)過境后要快速獲取、分析災(zāi)情，并快速作出合理的救援響應(yīng)，就需以不同尺度、不同類型的地理空間信息為基礎(chǔ)；而遙感影像是災(zāi)情信息的重要載體，多源遙感影像具有光譜信息豐富、紋理結(jié)構(gòu)清晰、成本較低、速度快等特點，滿足對災(zāi)情監(jiān)測時效性和災(zāi)情評估準(zhǔn)確性的要求，在災(zāi)情監(jiān)測和評估中作用顯著。因此，由于災(zāi)情信息多樣性和災(zāi)情信息需求的緊迫性，用一種影像無法完全滿足災(zāi)情快速、精確分析的要求，所以利用多源遙感影像來進行災(zāi)情評估是必要的。

以2015年9月臺風(fēng)杜鵑在中國福建省莆田市登陸為例，運用無人機進行災(zāi)情快速調(diào)查，形成0.1m正射影像成果；同時獲取高分系列衛(wèi)星在臺風(fēng)受災(zāi)前的過境影像，融合對比發(fā)現(xiàn)大量農(nóng)田受臺風(fēng)影響，導(dǎo)致海水倒灌淹沒農(nóng)作物（見圖5）。

圖5 臺風(fēng)災(zāi)情調(diào)查農(nóng)田淹沒情況

此外，通過多源遙感影像分析發(fā)現(xiàn)災(zāi)后堤壩損毀、碼頭船只受損等災(zāi)情，提取受災(zāi)區(qū)域，統(tǒng)計受災(zāi)面積，為災(zāi)情調(diào)查評估和災(zāi)后救援提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐（見圖6）。

圖6 臺風(fēng)災(zāi)情調(diào)查現(xiàn)狀

五、結(jié)論與建議

海洋對于通信、導(dǎo)航、遙感信息有著復(fù)雜的需求，應(yīng)以空間信息技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+、云計算、人工智能等前沿技術(shù)，建立天空地海多基協(xié)同多源融合的海洋應(yīng)用體系，實現(xiàn)多源多維立體信息感知、廣域通信覆蓋、多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，為經(jīng)略海洋、建設(shè)海洋強國提供強有力的支撐。

隨著對地觀測手段的日益豐富，海洋領(lǐng)域?qū)Χ嘣催b感數(shù)據(jù)融合的需求越來越多，因此，為滿足海洋、國土、水利、環(huán)保等領(lǐng)域的需求，需進一步深入研究多基多源信息融合的理論和方法，以下是一些可繼續(xù)深入研究的方向：

1）深入研究通導(dǎo)遙衛(wèi)星一體化及與人工智能在軌處理的集成技術(shù)；

2）深入研究多源遙感數(shù)據(jù)的空間融合問題，實現(xiàn)任意遙感數(shù)據(jù)之間的無縫匹配；

3）針對多源異構(gòu)的遙感大數(shù)據(jù)，研究深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等新技術(shù)手段，探索實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)挖掘，海上動目標(biāo)精準(zhǔn)識別。