文 | 李月皓 王曉凡 白麗 劉揚(yáng) 韓昱
西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司
青海省祁連山地區(qū)是我國重要的生態(tài)屏障區(qū),生態(tài)系統(tǒng)敏感[1]。近年來,由于社會經(jīng)濟(jì)活動對生態(tài)系統(tǒng)的破壞,導(dǎo)致該地區(qū)的生態(tài)安全形勢十分嚴(yán)峻,生態(tài)保護(hù)任務(wù)繁重。為推進(jìn)祁連山生態(tài)保護(hù)與修復(fù),政府決定在青海祁連山區(qū)建設(shè)“山水林田湖一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系,祁連山區(qū)高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺是重要的組成部分[2]。
面向祁連山“山水林田湖一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、評估、預(yù)警需求,結(jié)合祁連山氣候氣象、地形地貌、地理區(qū)位現(xiàn)狀,充分發(fā)揮遙感技術(shù)對于山區(qū)植被、土壤、土地、礦產(chǎn)、生物等生態(tài)多樣化監(jiān)測優(yōu)勢,在多源多尺度遙感衛(wèi)星資源支撐下,綜合應(yīng)用先進(jìn)的遙感、地理信息、分布式存儲、網(wǎng)絡(luò)安全以及通信等技術(shù),構(gòu)建高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺。平臺的建設(shè)將加強(qiáng)遙感環(huán)境監(jiān)測能力建設(shè),通過接入高分系列、資源系列等高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),構(gòu)建全方位、全覆蓋的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),并對遙感影像進(jìn)行自動智能化處理,提供生態(tài)監(jiān)測分析應(yīng)用服務(wù),實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與評估,為祁連山“天空地一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系構(gòu)建提供支撐。
高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺作為祁連山區(qū)“山水林田湖一體化”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系建設(shè)項(xiàng)目的重要組成部分,涉及星源包括高分系列衛(wèi)星、資源系列衛(wèi)星、環(huán)境系列衛(wèi)星、高景系列衛(wèi)星、風(fēng)云衛(wèi)星、MODIS、Landsat7/8 等國內(nèi)外二十余顆遙感衛(wèi)星及載荷。不同衛(wèi)星的載荷設(shè)計(jì)、光譜設(shè)計(jì)和分辨率設(shè)計(jì)等不同,造成其數(shù)據(jù)格式各異,涉及多種分類產(chǎn)品、植被生物參量產(chǎn)品和地表物理參量產(chǎn)品。平臺根據(jù)不同的生態(tài)監(jiān)測應(yīng)用需求,選擇合適的輸入數(shù)據(jù),進(jìn)行最佳算法處理,準(zhǔn)確生成監(jiān)測產(chǎn)品,提升對祁連山區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)支持能力。祁連山區(qū)高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺主要由高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)平臺和高分遙感數(shù)據(jù)一站式應(yīng)用平臺組成。服務(wù)平臺包含高分?jǐn)?shù)據(jù)接入系統(tǒng)、高分?jǐn)?shù)據(jù)共性技術(shù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng);應(yīng)用平臺包含遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺、數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)以及祁連山區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)。
(1)高分?jǐn)?shù)據(jù)接入系統(tǒng)
高分?jǐn)?shù)據(jù)接入系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心制定數(shù)據(jù)采集計(jì)劃和提交數(shù)據(jù)采集申請,及時(shí)接入各數(shù)據(jù)分發(fā)單位定期向青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心推送的包括高分系列、資源系列、風(fēng)云系列、環(huán)境系列、高景系列等遙感數(shù)據(jù)資源[3]。高分?jǐn)?shù)據(jù)接入系統(tǒng)支持用戶按照數(shù)據(jù)分發(fā)單位、接入數(shù)據(jù)星源、數(shù)據(jù)覆蓋范圍等要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集計(jì)劃申請并提交至數(shù)據(jù)分發(fā)單位,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接入的全流程監(jiān)控和可視化展示,支持對接入數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)分發(fā)單位、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)接入狀態(tài)等多維度統(tǒng)計(jì)分析,并支持統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果報(bào)表導(dǎo)出,方便用戶業(yè)務(wù)運(yùn)行。
(2)高分?jǐn)?shù)據(jù)共性技術(shù)處理系統(tǒng)
高分?jǐn)?shù)據(jù)共性技術(shù)處理系統(tǒng)采用并行計(jì)算技術(shù),搭建遙感數(shù)據(jù)處理資源池,建立對國內(nèi)主流低、中、高分辨率遙感衛(wèi)星如高分系列、資源系列、風(fēng)云系列、環(huán)境系列、高景系列等多星多載荷的遙感影像的自動化產(chǎn)品生產(chǎn)線,具備多源遙感數(shù)據(jù)讀取、影像格式的轉(zhuǎn)換和輸出、1—4 級圖像產(chǎn)品的幾何校正、正射校正、影像融合等數(shù)據(jù)預(yù)處理能力,并能夠?qū)?shù)據(jù)產(chǎn)品存放在指定目錄,供數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行入庫和管理。
(3)數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng)
數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng)作為平臺的數(shù)據(jù)中心,基于全球統(tǒng)一時(shí)空地理框架,利用虛擬化技術(shù),搭建遙感數(shù)據(jù)存儲資源池,建設(shè)多源遙感數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)接入分系統(tǒng)的接入數(shù)據(jù)、高分?jǐn)?shù)據(jù)共性技術(shù)處理系統(tǒng)生產(chǎn)的自動化預(yù)處理數(shù)據(jù)、祁連山生態(tài)狀況監(jiān)測與評價(jià)專題數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期存儲管理[4]。同時(shí),數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、二三維可視化服務(wù)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)服務(wù)。數(shù)據(jù)管理同時(shí)支持對歷史數(shù)據(jù)的兼容管理,通過歷史數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)的整合與集成、數(shù)據(jù)庫管理與更新,實(shí)現(xiàn)各類型數(shù)據(jù)安全有效的組織管理,為高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺提供數(shù)據(jù)支撐,實(shí)現(xiàn)高分遙感數(shù)據(jù)的產(chǎn)品生產(chǎn)、分發(fā)與應(yīng)用。
(4)遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺
遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺是高分遙感數(shù)據(jù)一站式應(yīng)用平臺的基礎(chǔ)支撐平臺,為一站式服務(wù)平臺提供影像加工功能、顯示控制功能、系統(tǒng)管理功能、生產(chǎn)調(diào)度功能、組件管理功能、專題制圖功能,通過構(gòu)建組件化的松耦合體系,方便生態(tài)環(huán)境監(jiān)測功能組件在平臺中進(jìn)行擴(kuò)充和覆蓋,為開展祁連山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評估業(yè)務(wù)提供軟件集成平臺。
(5)數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)
數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)作為高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺的門戶,以祁連山區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)為基礎(chǔ),面向生態(tài)環(huán)境監(jiān)測行業(yè)用戶的需求,提供基礎(chǔ)到高級的影像數(shù)據(jù)、大氣環(huán)境、水資源、土地資源、植被覆蓋等重點(diǎn)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測、自然保護(hù)區(qū)動態(tài)監(jiān)測、大型工程/區(qū)域開發(fā)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境影響監(jiān)測、冰川與水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)動態(tài)監(jiān)測等重點(diǎn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)的行業(yè)專題數(shù)據(jù)的獲取、定制加工及可視化展示服務(wù)。
(6)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)
祁連山區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分析系統(tǒng)是高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺的業(yè)務(wù)核心,主要基于數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的多項(xiàng)功能,進(jìn)行祁連山區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)提取和歸一化植被指數(shù)(NDVI)等生態(tài)參數(shù)反演,梳理整合面向區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)效果綜合評估等需求的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分析指標(biāo)體系,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展指標(biāo)體系的擴(kuò)充、維護(hù)、更新與擴(kuò)展,并建立長時(shí)間序列土地利用和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)集[5]。在上述指標(biāo)體系的支撐下,開展祁連山區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測分析工作,生成生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估專題圖以及評估報(bào)告,為生態(tài)環(huán)境政策制定、政策效果評估與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管工作提供決策支撐。
平臺設(shè)計(jì)的技術(shù)流程主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié),具體如圖1 所示。
圖1 平臺技術(shù)流程圖
1)平臺向中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提交包含高分系列、資源系列、環(huán)境系列、風(fēng)云系列、高景系列等衛(wèi)星數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集申請,并及時(shí)接收數(shù)據(jù);
2)數(shù)據(jù)接入完成后將數(shù)據(jù)推送至數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲管理;
3)通過高分遙感數(shù)據(jù)共性處理系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)提取、幾何精校正、正射校正、影像融合、產(chǎn)品質(zhì)檢、產(chǎn)品歸檔等業(yè)務(wù)流程,實(shí)現(xiàn)影像產(chǎn)品預(yù)處理流程自動化;
4)面向用戶需求創(chuàng)建多種提取地表類型和生產(chǎn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)的功能模塊,生產(chǎn)的數(shù)據(jù)能夠滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面數(shù)據(jù)分析的需求;
5)數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成后存入數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng),數(shù)據(jù)管理與更新維護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各級數(shù)據(jù)的全生命周期的存儲管理,為數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)高分遙感數(shù)據(jù)的產(chǎn)品生產(chǎn)、分發(fā)與應(yīng)用。
高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺緊密圍繞祁連山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù),充分發(fā)揮遙感技術(shù)對于生態(tài)多樣化監(jiān)測優(yōu)勢,通過獲取和接收持續(xù)、穩(wěn)定、可靠、多尺度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),對不同空間分辨率、光譜分辨率及不同時(shí)相的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行全鏈路各環(huán)節(jié)的處理,并形成全覆蓋、全信息、多尺度、多時(shí)相、多模式、多級別的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品資源庫群,實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用服務(wù)專題產(chǎn)品的高速自動化生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)祁連山區(qū)山水林田湖生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測、評估、預(yù)警,滿足了用戶對于數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求,為生態(tài)環(huán)境監(jiān)管、考核組合管護(hù)模式及科技生態(tài)監(jiān)管提供支撐。保障高精度、大規(guī)模、多頻次、高時(shí)效、常態(tài)化的祁連山生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測任務(wù)。
祁連山地廣人稀,單一系類或少數(shù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)源很難實(shí)現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測的全面性。多源、多尺度的遙感監(jiān)測體系具有在時(shí)間、空間、光譜分辨率上的互補(bǔ)性,能夠?qū)崿F(xiàn)對祁連山生態(tài)環(huán)境在不同時(shí)空尺度上的有效識別、動態(tài)變化監(jiān)測、質(zhì)量評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警?;谶b感數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺,能夠?qū)⒍鄠鞲衅?、多分辨率、多時(shí)相、多波段的數(shù)據(jù)處理算法模塊化,提供多源數(shù)據(jù)協(xié)同處理、智能數(shù)據(jù)挖掘分析、質(zhì)控與精度評估、空間分析與制圖等基礎(chǔ)服務(wù),為構(gòu)建作業(yè)驅(qū)動、處理自動、并行處理、高效存儲的工作流提供支持。不僅能夠形成1—4 級多傳感器影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品,而且能夠融合處理形成高、中、低尺度范圍的高級影像產(chǎn)品,為祁連山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供快速及時(shí)、覆蓋全面、層次豐富的基礎(chǔ)底圖。
遙感數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用需要以可視化的方式展現(xiàn)輸出結(jié)果(包括各種原始數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、分類產(chǎn)品、參數(shù)產(chǎn)品等),這些數(shù)據(jù)都將通過圖像處理技術(shù)生成相應(yīng)的快視圖,集成展現(xiàn)給用戶。因此將涉及到生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的圖像處理技術(shù),包括不同類型不同格式影像數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)插值和采樣、歸一化處理、圖像增強(qiáng)、位圖生成及專題圖像的整飾技術(shù)(按照相應(yīng)的配置要求自動增加相關(guān)的標(biāo)題、色標(biāo)、經(jīng)緯線等),為用戶提供更加真實(shí)準(zhǔn)確、畫面更加豐富的細(xì)節(jié)地圖服務(wù)。此外,二三維地理信息系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的空間分析功能,包括緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、空間統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和三維應(yīng)用分析。為環(huán)保部門在環(huán)境問題預(yù)測防護(hù)及應(yīng)急救援提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和科學(xué)決策支持。
高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺采用“平臺+組件”架構(gòu),松耦合體系,可視化流程配置,隔離基礎(chǔ)平臺與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測核心業(yè)務(wù),同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)接口及協(xié)議,支持二次開發(fā),標(biāo)準(zhǔn)插件無縫插拔,有效提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)擴(kuò)展性[6]。考慮到用戶專業(yè)水平不同,同時(shí)由于遙感專題產(chǎn)品自身具有多樣性及產(chǎn)品生產(chǎn)過程復(fù)雜、多變,為了更好地滿足用戶需要,方便用戶使用,平臺提供靈活可配置的可視化流程配置工具,為用戶提供更好的服務(wù)。
在不同遙感尺度下,高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺具備基于“面向?qū)ο?深度學(xué)習(xí)”的生態(tài)地物要素高精度智能提取能力,有效促進(jìn)祁連山一體化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的精準(zhǔn)性。
面向?qū)ο蠓椒ń鉀Q了地物分割的問題,將不同的地物分割到不同的對象之中,這對分類起了至關(guān)重要的作用。分割后的不同尺度對象可以進(jìn)一步形成訓(xùn)練樣本,進(jìn)行“深度學(xué)習(xí)”,通過“深度學(xué)習(xí)”來掌握不同對象的紋理特性,形成深度學(xué)習(xí)模型反過來指導(dǎo)對象分類[7]。目前“面向?qū)ο?深度學(xué)習(xí)”是遙感地物要素分類用于工程實(shí)踐的最優(yōu)處理方法,本項(xiàng)目將二者結(jié)合起來,用于生態(tài)地物要素的高精度類別劃分過程,大幅提升生態(tài)地物要素高精度智能提取能力。
選取祁連山區(qū)的祁連縣作為典型區(qū)域,以2019 年6 月13 日的高分一號數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,應(yīng)用祁連山區(qū)高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺,生產(chǎn)了當(dāng)日祁連縣二級土地利用類型空間分布圖(圖2)、當(dāng)日祁連縣植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)空間分布圖(圖3),并基于平臺和氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)了2019 年祁連縣年均降水空間分布產(chǎn)品圖(圖4)。
圖2 祁連縣二級土地利用類型空間分布圖
圖3 祁連縣NPP 空間分布圖
圖4 2019 年祁連縣年均降水空間分布產(chǎn)品圖
土地利用類型是人類社會對地球表層的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行影響的最直接結(jié)果,作為橋梁連接著社會經(jīng)濟(jì)活動和自然環(huán)境變化過程。二級土地利用類型需要基于野外人工驗(yàn)證輔助確認(rèn),其結(jié)果對土地精細(xì)化管理和農(nóng)業(yè)、林業(yè)有序發(fā)展具有重要作用。如圖2 所示,祁連縣空間分布具有明顯的空間差異,東南部主要以居民地和農(nóng)田為主,草地和林地主要分布在西北地區(qū),區(qū)域內(nèi)分布有條帶狀未利用地和裸地。
NPP 是指植物在單位時(shí)間單位面積上產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分,是表征植物活動的關(guān)鍵變量,是陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量研究的重要環(huán)節(jié),能夠反映氣候和植被變化狀況。如圖3 所示,裸地、未利用地分布區(qū)域NPP 較低,農(nóng)田、森林、草地分布區(qū)域NPP 較高,與土地利用類型保持較高的相關(guān)性。
降水是地表徑流的本源,亦是地下水的補(bǔ)給來源。降水在空間分布上的不均勻與時(shí)間變化上的不穩(wěn)定性是地表類型變化和災(zāi)害發(fā)生的重要原因。如圖4 所示,祁連縣中部小范圍地區(qū)和西北部地區(qū)降水量較少,東南部地區(qū)降水量較高,水量充沛,能夠支撐農(nóng)業(yè)、林業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。
祁連山區(qū)高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺能夠通過接入高分系列、資源系列等高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù),構(gòu)建全方位、全覆蓋的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),高效高精度地完成遙感數(shù)據(jù)的處理和專題數(shù)據(jù)的計(jì)算過程,提供生態(tài)監(jiān)測分析應(yīng)用服務(wù),實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與評估。該平臺對實(shí)現(xiàn)祁連山區(qū)人與自然和諧相處的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)具有重要意義。
未來,要以統(tǒng)籌規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、技術(shù)先進(jìn)、科學(xué)管理的建設(shè)原則為指導(dǎo),遵循國家生態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范規(guī)定,繼續(xù)提升祁連山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測力度,加深加強(qiáng)祁連山區(qū)高分遙感數(shù)據(jù)一站式服務(wù)與應(yīng)用平臺建設(shè),真正筑牢這道西部生態(tài)安全屏障。