北京二號衛(wèi)星星座影像智能服務與應用

文│高宇 陳婷 王瑞兆 Bella Wang 何建軍

1.二十一世紀空間技術(shù)應用股份有限公司

2.世紀空間北美研發(fā)中心

一、引言

近年來，我國遙感衛(wèi)星研發(fā)和制造能力快速提升，衛(wèi)星遙感及空間信息服務行業(yè)步入快速發(fā)展期?！丁笆濉眹覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出打造國產(chǎn)高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星運營服務平臺，推進商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展和商業(yè)化應用。目前，遙感應用場景正在逐漸豐富，相應難點也異常突出，表現(xiàn)在衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲、處理、分析和服務方面，即如何高效率、低成本、穩(wěn)定化獲取并使用數(shù)據(jù)。因此，基于云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、空間信息集成等新一代信息技術(shù)，通過整合數(shù)據(jù)資源、計算資源、軟件系統(tǒng)等，為用戶提供遙感影像智能服務與應用成為商業(yè)遙感衛(wèi)星服務的發(fā)展趨勢。

北京二號衛(wèi)星星座影像智能服務平臺（以下簡稱“影像智能服務平臺”）以商業(yè)遙感衛(wèi)星北京二號衛(wèi)星星座數(shù)據(jù)源為資源，以互聯(lián)網(wǎng)為依托、以軟件為中心、以平臺即服務，實現(xiàn)遙感影像、信息和應用的智能服務，形成衛(wèi)星編目、日新圖、一張圖、智能處理、智能分析、增值服務等多種高效即時服務模式，為各行業(yè)及公眾用戶提供多時期、多類型、多形態(tài)、高質(zhì)量、高精度、高分辨率的遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)以及海量數(shù)據(jù)智能分析的服務與應用。

二、數(shù)據(jù)獲取與產(chǎn)品體系

1. 衛(wèi)星能力

北京二號遙感衛(wèi)星星座由二十一世紀空間技術(shù)應用股份有限公司（以下簡稱“二十一世紀公司”）自主投資，采取國際合作、自主研發(fā)與集成創(chuàng)新相結(jié)合方式研建，自2016 年7 月開始正式商業(yè)運行，面向我國及全球提供遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)和空間信息產(chǎn)品。

北京二號遙感衛(wèi)星星座由3 顆分辨率優(yōu)于1m、等相位分布于同一太陽同步軌道面的遙感衛(wèi)星組成，具有全球任意一點1 ～2 天重訪能力。北京二號遙感衛(wèi)星呈7 面體結(jié)構(gòu)，重約450kg，高約2.5m。每顆衛(wèi)星由SSTL-300S1 平臺和VHRI-100高分辨率成像儀組成。SSTL-300S1 平臺能夠提供45o的快速側(cè)擺能力，VHRI-100 成像儀在軌提供幅寬約24km、優(yōu)于1m 分辨率全色和4m 分辨率藍、綠、紅、近紅外多光譜圖像。

2. 數(shù)據(jù)獲取

北京二號遙感衛(wèi)星星座建立了12m 與7.5m 互為備份的北京主接收站，以及牡丹江和新加坡為補充的地面接收協(xié)同站網(wǎng)，可同時對多顆中低軌道遙感衛(wèi)星進行全天候、全方位跟蹤，擁有X 頻段數(shù)據(jù)接收及S 頻段衛(wèi)星測控能力，完成星座成像任務上注和全球成像數(shù)據(jù)的及時與高效接收。

地面處理系統(tǒng)對接衛(wèi)星地面接收站網(wǎng)，由地面站原始數(shù)據(jù)錄入、編目信息生成與查詢檢索、標準數(shù)據(jù)處理、在軌檢校與定標、產(chǎn)品質(zhì)檢與驗收等功能模塊組成，自動化、并行化、標準化完成北京二號衛(wèi)星星座傳感器校正標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)與服務。地面處理系統(tǒng)平均2 小時內(nèi)完成接收數(shù)據(jù)編目信息的公眾服務，24 小時內(nèi)完成傳感器校正標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品的用戶服務。

3. 影像產(chǎn)品

北京二號遙感衛(wèi)星星座按照處理流程提供5 個級別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括L1-L2、L4-L6 級產(chǎn)品和輔助數(shù)據(jù)。L1級產(chǎn)品已經(jīng)過輻射校正和光學畸變校正，并提供含衛(wèi)星成像時刻的軌道和姿態(tài)信息的元數(shù)據(jù)文件，同時提供嚴密物理模型解算的RPC參數(shù)文件；L2 級產(chǎn)品已經(jīng)過輻射校正和參考平均高程的系統(tǒng)幾何校正，圖像產(chǎn)品幾何定位誤差小于25m；L4 級產(chǎn)品是使用控制點GCPs 和DEM 生產(chǎn)的正射校正產(chǎn)品，圖像產(chǎn)品幾何定位誤差小于15m；L5 級產(chǎn)品以L1、L2 和L4 級產(chǎn)品為輸入生成4 波段融合影像產(chǎn)品；L6 級產(chǎn)品面向用戶或項目需求區(qū)域，進行正射校正、融合、勻色鑲嵌、真彩色轉(zhuǎn)換、位深調(diào)整處理生產(chǎn)的區(qū)域鑲嵌真彩色正射融合影像產(chǎn)品。

三、影像智能服務平臺

1. 平臺架構(gòu)

圖1 影像智能服務平臺體系框架圖

基礎(chǔ)設施層：提供網(wǎng)絡通信、計算設備、存儲設備、操作系統(tǒng)、安全設備等軟硬件設施，是系統(tǒng)平臺的物理條件，為平臺提供最基礎(chǔ)的服務。

數(shù)據(jù)資源層：存儲北京二號衛(wèi)星星座為主的各類遙感影像數(shù)據(jù)資源及業(yè)務信息數(shù)據(jù)，為平臺的數(shù)據(jù)管理、運營服務、數(shù)據(jù)計算、在線服務、應用服務提供數(shù)據(jù)存儲支撐。

支撐層：依托數(shù)據(jù)資源層，支撐平臺服務層的服務與運營，起到承上啟下的作用，將分散、異構(gòu)的組件和模塊進行聚合，使得與服務系統(tǒng)的耦合性大大降低。

服務層：平臺采用面向服務的體系架構(gòu)，以微服務的模式為不同系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)查詢、影像瀏覽、智能分析、智能提取、影像服務管理等服務，響應客戶不同終端請求。

應用層：以交互界面為主，接收用戶請求，反饋用戶結(jié)果，為客戶端提供應用程序的訪問，通過不同程序提供在線服務、智能服務等應用。

2. 平臺組成

基于體系框架中對影像智能服務平臺的設計，以混合云為構(gòu)建模式，形成數(shù)據(jù)管理中心、運營服務中心、數(shù)據(jù)計算中心、在線服務平臺。其中，數(shù)據(jù)管理中心負責管理并發(fā)布遙感影像數(shù)據(jù)，再由數(shù)據(jù)計算中心協(xié)同編排和調(diào)度計算，在線服務平臺為用戶提供直接瀏覽、查詢衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品和影像智能服務，并由運營服務中心通知各服務節(jié)點進行數(shù)據(jù)調(diào)度和生產(chǎn)交付服務等。

活動是德育課程實施的重要載體，也是學生主體性生成和發(fā)展的源泉?！缎抡n程標準》指出：“課程設計與實施注重聯(lián)系學生的生活實際，引導學生在實踐中發(fā)現(xiàn)和提出問題，在親身參與豐富多樣的社會活動中，逐步形成探究意識和創(chuàng)新精神?！边@從課程理念的高度，充分肯定了活動是德育課教學之必需。隨著課標的深入落實，活動成了德育課教與學的中介，在課堂上教師通過活動來創(chuàng)設教學情境，使抽象的概念具體化，使傳授的方式趣味化，使認知與情感融合化，使思維與形象統(tǒng)一化?；顒臃闲W生的認知特點，有利于學生主體人格的形成，從而促進學生知、情、意、行的全面發(fā)展。

（1）數(shù)據(jù)管理中心

數(shù)據(jù)管理中心提供遙感影像數(shù)據(jù)的入庫插件和任務式的數(shù)據(jù)入庫功能，支持遙感影像數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息和快視圖的采集，并提供各類影像數(shù)據(jù)基本質(zhì)量檢查功能，保證數(shù)據(jù)入庫質(zhì)量，同時為遙感影像數(shù)據(jù)建模和配置提供統(tǒng)一服務以及對庫中數(shù)據(jù)的修改和維護，包括數(shù)據(jù)資源管理、數(shù)據(jù)目錄管理、文件結(jié)構(gòu)建模、數(shù)據(jù)類型建模、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)字典管理等功能。

（2）運營服務中心

運營服務中心充分利用云計算模型帶來的各種優(yōu)勢，通過資源虛擬化、組件容器化、平臺集群管理、微服務部署調(diào)度等，為平臺的運行提供統(tǒng)一管理。運管中心負責影像發(fā)布和處理服務，定制產(chǎn)品由運營服務中心通知各服務節(jié)點進行數(shù)據(jù)獲取和生產(chǎn)服務，同時反饋用戶生產(chǎn)跟蹤信息。

（3）數(shù)據(jù)計算中心

平臺通過多服務節(jié)點協(xié)同編排、調(diào)度和監(jiān)控，依托北京二號衛(wèi)星星座各類影像數(shù)據(jù)資源，基于機器學習、人工智能，通過數(shù)據(jù)挖掘分析和數(shù)據(jù)知識轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了高分辨率遙感影像識別目標和要素，支持飛機、油罐、彩鋼房、風力發(fā)電、建筑物等多種地物信息提取，以及數(shù)據(jù)波段、歸一化水指數(shù)（NDWI）/歸一化植被指數(shù)（NDVI）等信息在線檢測處理。

（4）在線服務平臺

服務平臺構(gòu)建基于云架構(gòu)的空間大數(shù)據(jù)全球服務能力，支持衛(wèi)星編目數(shù)據(jù)每天更新、實時訪問。平臺創(chuàng)新空間大數(shù)據(jù)云端服務模式，積極拓展遙感衛(wèi)星大數(shù)據(jù)與空間信息綜合應用產(chǎn)業(yè)鏈，為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)優(yōu)選、影像瀏覽、數(shù)據(jù)訂購、智能分析、智能處理等綜合服務，實現(xiàn)衛(wèi)星編目、遙感影像的所見即所得、所用即所需，支持遙感影像數(shù)據(jù)在線多期對比，可以直觀看到多期影像的變化情況。用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)直接訪問云服務平臺，直接瀏覽、查詢衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品或定制數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務。

3. 平臺服務模式

影像智能服務平臺基于“互聯(lián)網(wǎng)+遙感”服務新模式，充分發(fā)揮北京二號衛(wèi)星星座高分辨率數(shù)據(jù)動態(tài)、持續(xù)、快速在云上全分辨率發(fā)布和服務優(yōu)勢，構(gòu)建基于低成本、多時相、高空間分辨率遙感影像應用的新商業(yè)模式，改變了以往遙感技術(shù)與商業(yè)服務脫節(jié)的現(xiàn)象，為用戶提供在線遙感數(shù)據(jù)源和遙感商業(yè)云服務新模式結(jié)合的云平臺，面向各行業(yè)用戶提供日新圖、覆蓋圖的同時，具備在線影像智能分析和提取能力，同時支持第三方應用系統(tǒng)快速接入和入駐平臺，形成遙感生態(tài)服務共性產(chǎn)業(yè)鏈。

（1）衛(wèi)星編目服務

面向用戶提供北京二號衛(wèi)星星座遙感數(shù)據(jù)編目查詢服務，支持用戶基于復雜時空條件篩選數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)結(jié)果實時返回，所查即所得，所查即所需，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)選覆蓋以及數(shù)據(jù)熱力分析，幫助用戶選擇更精準更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)。

（2）日新圖服務

面向用戶提供北京二號衛(wèi)星星座遙感數(shù)據(jù)日新圖服務，基于日新圖瀏覽每日最新拍攝影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)實時在線瀏覽，一目了然每天拍攝數(shù)據(jù)拍攝分布，幫助用戶更清晰地應用數(shù)據(jù)。

（3）一張圖服務

一張圖數(shù)據(jù)服務將特定區(qū)域、時相范圍的數(shù)據(jù)經(jīng)過鑲嵌勻色處理后，發(fā)布成為在線地圖服務，提供給用戶實時訪問，或系統(tǒng)直接調(diào)用。用戶無需考慮任何前期投入，通過互聯(lián)網(wǎng)即可實時在線接入不同分辨率、不同區(qū)域、不同時相的一張圖數(shù)據(jù)。一張圖服務提供打包購買（預付費）、按量付費（后付費）兩種計費方式，尤其是按量付費模式，用戶可以按訪問影像面積實時出賬，做到“用多少，付多少”，降低了使用數(shù)據(jù)成本，提升了服務接入效率。

（4）智能處理服務

智能處理服務基于北京二號衛(wèi)星星座標準影像產(chǎn)品，實現(xiàn)了在線波段組合、在線疊加分析、NDWI/NDVI 在線處理等在線影像處理服務。智能處理服務提供按需購買算法，按量付費結(jié)合的計費模式，方便用戶按需使用、按需收費。

（5）智能提取服務

智能提取服務依托北京二號衛(wèi)星星座鑲嵌影像產(chǎn)品，基于機器學習、人工智能等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)挖掘分析和數(shù)據(jù)知識轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了高分辨率遙感影像識別目標和要素，支持飛機、油罐、彩鋼房、風力發(fā)電、建筑物等多種地物信息提取。收費模式與智能處理服務相同。

（6）增值產(chǎn)品服務

面向用戶提供北京二號衛(wèi)星星座存檔數(shù)據(jù)訂購、編程任務下單以及產(chǎn)品生產(chǎn)增值服務，數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成后快速交付用戶，可實現(xiàn)在線存儲和在線下載。

四、影像智能服務應用

基于上述平臺架構(gòu)和平臺組成，面向不同用戶、不同需求重點，可靈活、快速構(gòu)建服務平臺，分別為國家科學觀測中心、中國—東盟地理信息產(chǎn)業(yè)園及多個區(qū)域城市管理部門等政府或行業(yè)部門提供服務應用，包括為國家對地觀測科學數(shù)據(jù)中心商業(yè)（北京衛(wèi)星）分中心云服務平臺、中國—東盟衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用公共技術(shù)服務平臺和區(qū)域衛(wèi)星遙感綜合應用服務系統(tǒng)等。

1. 國家對地觀測科學數(shù)據(jù)中心商業(yè)（北京衛(wèi)星）分中心云服務平臺

國家對地觀測科學數(shù)據(jù)中心商業(yè)（北京衛(wèi)星）分中心云服務平臺，依托二十一世紀公司北京系列衛(wèi)星天地一體化系統(tǒng)和世紀智云遙感大數(shù)據(jù)云服務基礎(chǔ)設施構(gòu)建（圖2）。通過“云+端”場景化應用，借助彈性伸縮化算力、聚焦數(shù)據(jù)服務化平臺，構(gòu)建基于SaaS 模式的服務應用。對于有軟件開發(fā)和生產(chǎn)能力的，提供平臺服務+數(shù)據(jù)接口；對于沒有軟件開發(fā)和生產(chǎn)能力的，則直接提供云服務產(chǎn)品，有效降低用戶成本，提高數(shù)據(jù)使用和業(yè)務應用的效率，為科研用戶打造聚焦北京系列衛(wèi)星的全鏈條空間數(shù)字服務平臺，提供高質(zhì)量、高精度、高分辨率的遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)以及海量數(shù)據(jù)智能分析服務。

圖2 國家對地觀測科學數(shù)據(jù)中心商業(yè)（北京衛(wèi)星）分中心云服務平臺界面

2. 中國—東盟衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用公共技術(shù)服務平臺

中國—東盟衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用公共技術(shù)服務平臺，以私有云環(huán)境為支撐，采取“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一管理、同步服務”的方式，組建了“數(shù)據(jù)主中心+數(shù)據(jù)分中心”3 個層次組成的數(shù)據(jù)資源和服務體系，依托北京系列衛(wèi)星天地一體化系統(tǒng)和世紀智云遙感大數(shù)據(jù)云服務基礎(chǔ)設施，根據(jù)學科或區(qū)域數(shù)據(jù)資源的需求和特點，提供更加個性化、按需化的數(shù)據(jù)服務或離線服務，實現(xiàn)了從集中式“數(shù)據(jù)服務平臺”向分布式“數(shù)據(jù)服務平臺”的轉(zhuǎn)變，面向廣西地區(qū)以及東盟地區(qū)經(jīng)濟建設提供多平臺、多時相、多尺度、多層次的北京二號衛(wèi)星星座影像產(chǎn)品，提供一體化的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在線訂購與分發(fā)、在線實時數(shù)據(jù)瀏覽、智能化在線分析、數(shù)據(jù)共享接入等服務，構(gòu)建新型的遙感數(shù)據(jù)服務模式，進一步提升廣西數(shù)據(jù)服務水平（圖3）。

圖3 中國—東盟衛(wèi)星數(shù)據(jù)應用公共技術(shù)服務平臺界面

3. 區(qū)域衛(wèi)星遙感綜合應用服務系統(tǒng)