商業(yè)遙感衛(wèi)星在海警維權(quán)執(zhí)法中的應(yīng)用探索

文 | 楊寬 馮書興 薛武

航天工程大學(xué)

一、引言

近年來，隨著我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈逐漸開放，民用資本大量涌入，商業(yè)遙感產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其在區(qū)域監(jiān)測、氣象監(jiān)測、海洋、地理測繪、災(zāi)害防治、軍事等領(lǐng)域中的作用日益突出。在商業(yè)遙感應(yīng)用范圍日益廣泛的今天，利用商業(yè)遙感衛(wèi)星提高海上維權(quán)執(zhí)法效能，對于海警部隊海上維權(quán)執(zhí)法、促進海警部隊建設(shè)發(fā)展具有重要意義。

二、商業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展及海上應(yīng)用現(xiàn)狀

中國遙感衛(wèi)星經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)形成穩(wěn)定的遙感衛(wèi)星體系，伴隨著國務(wù)院《關(guān)于創(chuàng)新重點領(lǐng)域投融資機制鼓勵社會投資的指導(dǎo)意見》[1]出臺，商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)逐步向社會資本放開。隨著2015年第一顆商用高分遙感衛(wèi)星吉林一號的成功發(fā)射，中國商業(yè)航天遙感在民間資本的帶動下煥發(fā)了活力，不斷向縱深發(fā)展，在社會多個領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力逐漸顯現(xiàn)。

1.商業(yè)遙感衛(wèi)星快速發(fā)展

中國遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)自上世紀80年代第一顆遙感衛(wèi)星至今經(jīng)過半個多世紀的技術(shù)沉淀，已逐步形成以“風(fēng)云”系列為主體的氣象遙感衛(wèi)星、“海洋”系列的海洋遙感衛(wèi)星、“高分”系列的高分辨率遙感衛(wèi)星。遙感技術(shù)覆蓋可見光、紅外成像、多光譜、雷達遙感、激光遙感等多種關(guān)鍵技術(shù)[2]。商業(yè)遙感在此基礎(chǔ)之上高速發(fā)展，已經(jīng)開始形成了以吉林一號、珠海一號、高景一號等為代表的新興商業(yè)遙感衛(wèi)星星座。伴隨遙感技術(shù)的進步和衛(wèi)星平臺的發(fā)展，商業(yè)遙感衛(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)不斷提升[3]。

在政府宏觀政策的引導(dǎo)下，商業(yè)資本與社會力量不斷涌入，商業(yè)遙感衛(wèi)星市場迅速增長。隨著我國商業(yè)星座建設(shè)計劃不斷推進，已經(jīng)有近20家公司發(fā)布了自己的星座計劃。吉林長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司計劃“十四五”期間實現(xiàn)138顆衛(wèi)星組網(wǎng)，屆時將具備10分鐘重訪全球任意地點的能力。吉林一號在軌衛(wèi)星數(shù)量已達70余顆，已經(jīng)完成了第一階段的60顆在軌衛(wèi)星組網(wǎng)的目標(biāo)，可實現(xiàn)全球重要目標(biāo)區(qū)域30分鐘內(nèi)重訪。中國四維的高景衛(wèi)星星座計劃采用“16+4+4+X”的模式，由16顆0.5m分辨率的光學(xué)衛(wèi)星、4顆高端光學(xué)衛(wèi)星、4顆微波衛(wèi)星以及若干顆微小衛(wèi)星組成0.5米級高分辨率衛(wèi)星系統(tǒng)[4]。北京二十一世紀空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司發(fā)射的北京三號衛(wèi)星與北京二號協(xié)同使用，分辨率可達到0.5m，通過智能算法可以實現(xiàn)對特定目標(biāo)區(qū)域1天近百次的觀測。

2.商業(yè)遙感衛(wèi)星海上應(yīng)用現(xiàn)狀

由于遙感衛(wèi)星軌道高、覆蓋面積廣等特點，可以在短時間內(nèi)偵測廣闊海域內(nèi)的信息。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，商業(yè)航天遙感在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用不斷向深層次擴展。

（1）船只監(jiān)視

隨著海洋貿(mào)易和漁業(yè)活動增多，對于海上船只的監(jiān)視管理已經(jīng)變得愈發(fā)重要，航天遙感由于其成像特點，對于海上船只監(jiān)視有著巨大的優(yōu)勢。2020年12月20日，發(fā)射的海絲一號（HISEA-1）衛(wèi)星[5]，是一顆米級分辨率、C波段的合成孔徑雷達（SAR）遙感衛(wèi)星，可以穿透海洋上方的水汽云層，具有全天時、全天候獲取大范圍高分辨率海上艦船目標(biāo)的能力?！澳虾?zhàn)略態(tài)勢感知計劃”（SCSPI）自2020年起通過利用國內(nèi)外商業(yè)遙感衛(wèi)星影像對南海區(qū)域內(nèi)的島礁等靜態(tài)目標(biāo)和艦船等動態(tài)目標(biāo)進行監(jiān)測[6]，將船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）等信息與商業(yè)遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過智能計算等技術(shù)對南海及其周邊活動的艦船進行快速識別，構(gòu)建南海海域態(tài)勢感知能力。

（2）海洋監(jiān)測

商業(yè)遙感衛(wèi)星不但可以監(jiān)測海上船只的情況，還可以監(jiān)測海岸線以及海洋環(huán)境變化等情況。商業(yè)遙感衛(wèi)星通過采集海洋水質(zhì)與光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含海表溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、氮磷濃度等要素的不同季節(jié)海域水體模型，實現(xiàn)對于近海水質(zhì)的監(jiān)測：通過對葉綠素的吸收帶不同范圍的辨別來實現(xiàn)對于海域內(nèi)的赤潮識別；通過對海域內(nèi)油膜反射率的區(qū)分實現(xiàn)對于海上溢油污染的檢測；通過結(jié)合遙感數(shù)據(jù)與地面調(diào)查數(shù)據(jù)能夠更加高效地發(fā)現(xiàn)填海造陸問題。2021年6月11日發(fā)射的海絲二號多光譜水色小衛(wèi)星，通過對水色傳感器通道的獨特設(shè)計[5]，可以實現(xiàn)對南海島礁地形、海洋生態(tài)環(huán)境的觀測。此外，珠海一號高光譜衛(wèi)星（OHS），通過采用推掃成像方式，可實現(xiàn)3～8nm的光譜分辨率[7]，對于海表的健康監(jiān)測和海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)評估有著重要的作用。

三、中國海警態(tài)勢感知與情報偵察現(xiàn)狀及需求分析

1.海警職責(zé)

《海警法》賦予了海警部隊大量的監(jiān)督管理職責(zé)。2021年2月1日新實施的《海警法》對于海警的職責(zé)進行了明確的劃定，其中第十六條：海警機構(gòu)有權(quán)依法對我國管轄海域航行、停泊、作業(yè)的外國船舶進行識別查證，并跟蹤監(jiān)視有違法嫌疑的外國船舶。第十七條：對非法進入我國領(lǐng)海及其以內(nèi)海域的外國船舶，海警機構(gòu)有權(quán)責(zé)令其立即離開，或者采取扣留、強制驅(qū)離等措施[8]。第十八條、第二十條、第二十三條還分別就對于在我國海域內(nèi)船舶、島礁建造物、海洋開發(fā)利用、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海洋漁業(yè)等方面的監(jiān)督檢查職責(zé)進行了明確。

首先，完善集成電路產(chǎn)業(yè)的風(fēng)險投資機制：一方面，由國家在技術(shù)創(chuàng)新初期投入一定比例的種子基金，建立風(fēng)險投資基金，通過風(fēng)險投資機構(gòu)以股份的形式向社會公開募集；另一方面，通過稅收優(yōu)惠等政策，吸引國外風(fēng)險投資基金尤其是跨國公司投資我國的集成電路產(chǎn)業(yè)。同時，政府可以設(shè)立專項資金，成立集成電路產(chǎn)業(yè)風(fēng)險擔(dān)保基金，為一些國家戰(zhàn)略重點發(fā)展的技術(shù)項目提供部分的融資擔(dān)保。

2.海上維權(quán)執(zhí)法存在的問題

中國大陸的海岸線長1.8萬余千米，另有海島線1.4萬余千米，海岸線總長超過3.2萬千米[9]，管轄的海域面積近300萬平方千米[10]，而以海警部隊現(xiàn)有人數(shù)規(guī)模，面對巨大的海上維權(quán)執(zhí)法過程中的情報獲取數(shù)據(jù)分析處理壓力，如何能夠借助高科技手段高效獲取近海沿岸地區(qū)情報數(shù)據(jù)，快速輔助海警指揮機構(gòu)科學(xué)分析、準(zhǔn)確決策成為一個重要探索方向。

現(xiàn)在的中國海警先是經(jīng)過2013年《國務(wù)院機構(gòu)改革和職能轉(zhuǎn)變方案》整合了公安邊防海警、中國海監(jiān)、中國漁政、海關(guān)緝私等海上執(zhí)法機構(gòu)[11]，而后2018年又在此基礎(chǔ)上進行了體制調(diào)整，將海警隊伍完全劃歸武警部隊。自2018年至今海警積極加強部署，探索現(xiàn)代化條件下海上維權(quán)執(zhí)法的可行性。

海警現(xiàn)有的偵察監(jiān)視手段主要是艦載雷達、光學(xué)觀測。艦載雷達系統(tǒng)是通過主動發(fā)射無線電波的方式，對目標(biāo)物反射回的電波進行處理計算來獲得距離、方位、速度等信息，受電磁環(huán)境作用影響較大，容易被對方艦船電磁干擾，對于關(guān)閉AIS系統(tǒng)的艦船目標(biāo)難以識別，同時也會暴露自身的坐標(biāo)位置，達到執(zhí)法維權(quán)的隱蔽性效果較為困難；而光學(xué)偵察手段則是利用光的折射原理，將遠處的景物通過折射匯聚于目鏡處而形成實像，受氣象條件以及地球曲率等作用影響較大，難以同時對大面積海域內(nèi)的島嶼、海岸線以及海洋環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測。

總體來說，海警部隊現(xiàn)有的一些監(jiān)視手段雖然可以暫時在一定程度上滿足自身海上維權(quán)執(zhí)法需要，但由于偵察監(jiān)視范圍小，易受電磁、氣象等環(huán)境因素影響，難以滿足未來的海上維權(quán)執(zhí)法需求。

3.需求分析

中國海警當(dāng)前對于駛?cè)胛覈Ｓ虻倪`法犯罪船舶以及侵入我國海域的外國船舶，主要的識別查證手段是借助AIS系統(tǒng)。如果駛?cè)氲拇煌ㄟ^一些手段關(guān)閉或者屏蔽掉船舶上的AIS系統(tǒng)，則海警機構(gòu)就無法識別定位駛?cè)胛覈拇?；如果采用遙感影像與AIS影像相融合的方法，通過對比遙感影像與AIS系統(tǒng)中的艦船目標(biāo)，檢測出未能被AIS系統(tǒng)識別的船只，進行重點關(guān)注，則可以大大提高海上執(zhí)法效能。對于我國海域內(nèi)的海上開采以及島礁、海岸線變化等情況，如果采用傳統(tǒng)的方法動態(tài)跟蹤關(guān)注其變化情況則需要耗費大量的人力資源，而通過遙感影像結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測、目標(biāo)分割等技術(shù)則可以在不增加人力成本的基礎(chǔ)上進行動態(tài)關(guān)注目標(biāo)區(qū)域變化情況。

未來海上維權(quán)執(zhí)法戰(zhàn)場將從原來的水下、海上、空中等維度擴展到太空領(lǐng)域，天基系統(tǒng)將成為海警主要的偵察、通信、導(dǎo)航手段。當(dāng)前海警部隊對于天基的衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用相對成熟，但是對于天基的衛(wèi)星遙感影像應(yīng)用范圍有限。目前商業(yè)航天蓬勃發(fā)展，遙感相關(guān)的地理信息企業(yè)達2萬多家，從業(yè)人員超過40萬人，建成了覆蓋大陸及周邊地區(qū)的衛(wèi)星遙感信息接收體系[4]。商業(yè)遙感衛(wèi)星影像由于其覆蓋面積廣、獲取方便等特點可以被應(yīng)用于海上目標(biāo)檢測、海洋監(jiān)測等領(lǐng)域中，借助大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，對海上目標(biāo)及海洋區(qū)域遙感影像進行智能化分析處理，以加強海上預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測，輔助海警的指揮決策，緩解現(xiàn)有海上維權(quán)執(zhí)法中情報獲取、分析、處理的壓力，提高海警部門維權(quán)執(zhí)法效能。

四、應(yīng)用探索

中國海警現(xiàn)有的情報獲取方式作用區(qū)域范圍有限，難以滿足大范圍、高頻率的全海域覆蓋需求。當(dāng)前商業(yè)遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，在海上艦船檢測、海洋漁業(yè)管理、海洋生態(tài)環(huán)境保護等領(lǐng)域已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用。將商業(yè)遙感衛(wèi)星影像納入現(xiàn)有的海警情報體系，可以實現(xiàn)空間高低搭配、技術(shù)優(yōu)勢互補。如何能夠從應(yīng)用機制、應(yīng)用模式、應(yīng)用技術(shù)等方面探索商業(yè)遙感衛(wèi)星在海警部隊的應(yīng)用，積極利用已有的社會資源有效補充海警部隊建設(shè)過程中存在的不足，是中國海警走向現(xiàn)代化過程中面臨的重要議題。

1.應(yīng)用機制

結(jié)合當(dāng)前海警的組織架構(gòu)，可以由海警總隊與商業(yè)遙感衛(wèi)星公司建立商業(yè)合作關(guān)系，采購目標(biāo)海域高分辨率、高時效性的遙感影像，從頂層架構(gòu)建立軍民結(jié)合合作機制。為了滿足時效性要求，直接通過商業(yè)遙感衛(wèi)星公司將不同單位所需目標(biāo)區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像分發(fā)至相關(guān)單位，為海警總隊提供整個中國海域的衛(wèi)星影像，為海區(qū)指揮部、屬地支隊指揮機構(gòu)、機動支隊指揮機構(gòu)、屬地大隊指揮機構(gòu)提供所屬目標(biāo)區(qū)域的衛(wèi)星影像（圖1）。

圖1 遙感影像在海警中的應(yīng)用機制設(shè)想

以屬地大隊指揮機構(gòu)為節(jié)點將所獲取的衛(wèi)星遙感影像利用深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)進行分析處理，產(chǎn)生文本標(biāo)記、矢量圖層等信息數(shù)據(jù)，輔助本級單位進行指揮決策的同時將信息數(shù)據(jù)上傳至上級單位。上級單位在收到數(shù)據(jù)信息進行輔助決策的同時，依次上傳至更上一級單位，依次遞歸上傳，直至海警總隊。衛(wèi)星遙感影像雖然數(shù)據(jù)量大，但是可以依靠租用地方專用網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。未來隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、星座組網(wǎng)成功、智能算法優(yōu)化，可以大大縮短數(shù)據(jù)傳輸、智能分析處理的時間。

2.應(yīng)用模式

由于海警部隊不同的任務(wù)對于情報獲取的時效性要求不同，可以針對不同的應(yīng)用場景設(shè)計不同的應(yīng)用模式（圖2），區(qū)分不同任務(wù)的優(yōu)先級，合理優(yōu)化商業(yè)遙感衛(wèi)星影像的使用方案，提高商業(yè)遙感衛(wèi)星影像的使用效率。

圖2 模式設(shè)想

（1）常規(guī)模式

一是海上常態(tài)執(zhí)法。對于海上常態(tài)執(zhí)法活動，可以采用常態(tài)模式對海警定期推送目標(biāo)區(qū)域遙感影像數(shù)據(jù)。海警單位在接收數(shù)據(jù)后，進行常態(tài)化、自動化目標(biāo)檢測、標(biāo)記數(shù)據(jù)上傳實現(xiàn)，減輕執(zhí)勤人員負擔(dān)，有效補充現(xiàn)有的情報信息獲取方式，為指揮人員決策提供輔助參考。對海上偷渡、販毒、走私、采挖、越界侵漁等違法活動可以進行追蹤以及事后取證，為海警的常態(tài)執(zhí)法活動提供有力證據(jù)支撐。

二是海上監(jiān)測預(yù)警。通過對定期推送的遙感影像數(shù)據(jù)進行目標(biāo)檢測、智能化分析，輔助指揮人員對海域和島礁建造建筑物以及布設(shè)的各類固定或者浮動裝置進行定期的監(jiān)測預(yù)警，同時為關(guān)系到海域糾紛的事務(wù)提供證據(jù)支撐。對于海洋的開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護、漁業(yè)管理進行常態(tài)化監(jiān)測管理，規(guī)范海洋秩序。

（2）重點模式

對于某一重要時期的重點區(qū)域可以重點關(guān)注：商業(yè)衛(wèi)星遙感影像公司優(yōu)先推送高時效性、高分辨率的目標(biāo)區(qū)域影像數(shù)據(jù)，實時進行數(shù)據(jù)智能化分析處理。

一是海上救援。救援過程最大的問題就是進行目標(biāo)搜尋的過程，如何快速、準(zhǔn)確搜索求救目標(biāo)是有效實施救援的關(guān)鍵。可以積極探索基于衛(wèi)星遙感影像目標(biāo)識別技術(shù)對不同時期的影像進行分析處理，最大限度地減小搜救范圍，縮短搜救時間，使求救目標(biāo)得到有效救援。

二是海上維權(quán)。我國與周邊國家尚存在海洋爭端，對特殊時期的敏感海域，可利用商業(yè)遙感衛(wèi)星高頻覆蓋掃描目標(biāo)海域，密切關(guān)注目標(biāo)海域的最新動態(tài)情況，利用獲取的衛(wèi)星遙感影像為海上維權(quán)指揮決策提供輔助性參考，同時也為處理海洋爭端提供法理依據(jù)，使我國海上維權(quán)活動做到有理、有力、有節(jié)。

3.應(yīng)用技術(shù)問題

商業(yè)遙感衛(wèi)星在海警應(yīng)用中依然有一些技術(shù)問題值得探索：

一是單家商業(yè)衛(wèi)星公司是否可以支撐同時段大規(guī)模的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。對于同時段的大規(guī)模數(shù)據(jù)分發(fā)，首先進行效能評估。如果數(shù)據(jù)量過大，可以采用不同商業(yè)遙感數(shù)據(jù)公司分區(qū)負責(zé)的方案。這樣既能夠保證商業(yè)市場有效競爭，避免企業(yè)壟斷，培育市場，又可以保證系統(tǒng)分發(fā)的穩(wěn)定性。

二是如何開發(fā)適合海警特點的智能化技術(shù)。海警總隊可以聯(lián)合地方高校、企業(yè)積極開展海上目標(biāo)檢測比賽、人工智能算法比賽，采用“走出去，引進來”的戰(zhàn)略，吸引地方性人才，積力之所舉，眾智之所為[12]，積極探索基于海警特點的智能化技術(shù)應(yīng)用。

三是如何建設(shè)高效能、高利用率的數(shù)據(jù)節(jié)點。海警總隊聯(lián)合軍地高校、企業(yè)按“海警總隊提需求，軍地高校設(shè)計方案，地方企業(yè)作產(chǎn)品”的架構(gòu)（圖3），由海警總隊提出當(dāng)前問題、目標(biāo)需求，以軍地高校為依托進行產(chǎn)品方案的優(yōu)化設(shè)計，通過地方企業(yè)實施方案。集多方力量合力打造高品質(zhì)、可擴展的產(chǎn)品服務(wù)，提高使用效能，避免重復(fù)建設(shè)。

圖3 需求—方案—產(chǎn)品

四是如何能夠不斷進行產(chǎn)品迭代優(yōu)化。采用海警總隊、海區(qū)指揮部一級定期化派駐商業(yè)單位的辦事處，與海警部隊人員聯(lián)合對基層單位進行周期性走訪、調(diào)研，提供產(chǎn)品使用、維護等技術(shù)服務(wù)，收集使用過程中出現(xiàn)的問題，梳理產(chǎn)品與當(dāng)前需求的矛盾，形成聯(lián)合匯總報告，分別上報至海警總隊和商業(yè)公司，改進產(chǎn)品，合理優(yōu)化，進行技術(shù)迭代。積極探索軍民結(jié)合模式下的商業(yè)遙感在海警的應(yīng)用前景。

五、結(jié)束語

海警作為海上維權(quán)和執(zhí)法的重要部門，擔(dān)負了重要的海上維權(quán)執(zhí)法工作。面對巨大的維權(quán)和執(zhí)法壓力，應(yīng)積極利用社會已有的資源有效提升執(zhí)法維權(quán)效率。隨著遙感衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的快速崛起，商業(yè)遙感技術(shù)的成熟，衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及人工智能、大數(shù)據(jù)處理的發(fā)展，以商業(yè)遙感衛(wèi)星影像為切入點，綜合人工智能等新興技術(shù)，對商業(yè)遙感衛(wèi)星支援下的海警維權(quán)執(zhí)法活動進行試點，為日后大規(guī)模技術(shù)應(yīng)用提供重要的數(shù)據(jù)參考。積極探索基于商業(yè)遙感衛(wèi)星影像的現(xiàn)代化海警維權(quán)執(zhí)法方式，對提升整個海警維權(quán)執(zhí)法效能有著重大意義。