生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市建設(shè)與展望

2023 年7 月召開的全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會(huì)提出，深化人工智能等數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，構(gòu)建美麗中國數(shù)字化治理體系，建設(shè)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明。

經(jīng)歷了近40 年的發(fā)展，中國初步建立了天地一體的生態(tài)環(huán)境立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，生態(tài)環(huán)境遙感已經(jīng)成為生態(tài)環(huán)境監(jiān)管不可或缺的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于生態(tài)、大氣、水、土壤等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評估和管理決策的各個(gè)領(lǐng)域，在全國生態(tài)狀況調(diào)查評估、污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)、應(yīng)急與監(jiān)督執(zhí)法等方面發(fā)揮著重要作用，顯著推動(dòng)著生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)管能力的提升，有力支撐了中國新時(shí)期環(huán)境保護(hù)管理與決策。隨著遙感平臺(tái)和傳感器的不斷改進(jìn)和增加，生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)量由TB 級快速增加到PB 級，在數(shù)據(jù)層面上已經(jīng)體現(xiàn)了體量大 （Volume）、類型多（Variety）、 時(shí)效性高（Velocity）、真實(shí)性強(qiáng)（Veracity） 和應(yīng)用價(jià)值高 （Value） 的“5V”特征，中國生態(tài)環(huán)境遙感進(jìn)入了一個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代。

不斷涌現(xiàn)的海量生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)需要大量的存儲(chǔ)和計(jì)算資源，而傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)處理分析應(yīng)用模式存在單機(jī)作業(yè)、線下數(shù)據(jù)交互、影像數(shù)據(jù)服務(wù)為主、人力密集型、自動(dòng)化程度低、遙感應(yīng)用流程長等問題，已無法滿足快速響應(yīng)、定制化應(yīng)用等需求。生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心研發(fā)了集數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生產(chǎn)、分發(fā)服務(wù)能力為一體的環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用平臺(tái)，系統(tǒng)形成了生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)運(yùn)行能力，但也存在數(shù)據(jù)可見性不強(qiáng)、應(yīng)用流程長、自動(dòng)化程度低、服務(wù)面窄、服務(wù)水平低等問題。

面對上述問題，我們圍繞生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)管新需求，提出采用“數(shù)據(jù)超市”模式構(gòu)建新型生態(tài)環(huán)境遙感云平臺(tái)，研究設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)思路和總體框架，分析平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，以期為構(gòu)建生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)處理分析應(yīng)用新模式提供參考。

一、數(shù)據(jù)超市內(nèi)涵和技術(shù)構(gòu)架

生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市是生態(tài)環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)服務(wù)體系的形象表達(dá)，基本思路是借鑒現(xiàn)代超市經(jīng)營理念，建立開放性的類似于“商品市場”的平臺(tái)，用戶可以是“買家”，通過超市選購所需原料或成品，直接購買或者再加工并應(yīng)用；用戶也可以是“賣家”，將自有服務(wù)資源在超市進(jìn)行上架展示，供其他用戶購買，實(shí)現(xiàn)數(shù)字資源循環(huán)再利用。

生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市建設(shè)按照集成化、一體化的思路，全面整合遙感數(shù)據(jù)、功能、應(yīng)用資源，構(gòu)建一站式“數(shù)據(jù)超市”系統(tǒng)，形成從原始數(shù)據(jù)到業(yè)務(wù)應(yīng)用的全業(yè)務(wù)鏈服務(wù)，讓數(shù)據(jù)“可查、可看、可用”。借鑒現(xiàn)代超市體系架構(gòu)，參考企業(yè)架構(gòu)框架（enterprise architecture，EA）理 論 和SOA（Service Oriented Architecture）面向服務(wù)架構(gòu)，我們從整體、全局和綜合的視角出發(fā)，來設(shè)計(jì)生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市總體架構(gòu)。生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市由資源庫、加工間、服務(wù)區(qū)三部分組成。

生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市總體架構(gòu)

二、關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

一是多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)籌獲取技術(shù)。統(tǒng)籌20 余顆優(yōu)于2 米的高分辨率衛(wèi)星，構(gòu)建虛擬衛(wèi)星星座，制定衛(wèi)星拍攝計(jì)劃，大幅提升了高分遙感覆蓋能力。全國2米衛(wèi)星月度覆蓋能力由29%提升至80%，1 米衛(wèi)星季度覆蓋能力由60%提升至65%，衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取效率由日提升到小時(shí)級。

二是遙感影像大規(guī)模自動(dòng)化處理技術(shù)。利用分布式計(jì)算框架，結(jié)合CPU-GPU 協(xié)同處理技術(shù)，構(gòu)建流式計(jì)算模式，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效實(shí)時(shí)處理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對國產(chǎn)主流高分遙感影像數(shù)據(jù)的正射校正、融合鑲嵌、質(zhì)檢全流程自動(dòng)化處理，處理能力達(dá)400 景/天，基本實(shí)現(xiàn)“當(dāng)日獲取、當(dāng)日處理”。業(yè)務(wù)化生產(chǎn)將植被指數(shù)、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、凈初級生產(chǎn)力、生物量、反照率、土壤水分指數(shù)、地表蒸散等11 個(gè)重要陸地生態(tài)參數(shù)產(chǎn)品進(jìn)行了歸一化。

三是高性能影像地圖切片服務(wù)技術(shù)。攻克輕量級地圖快速切片和實(shí)時(shí)發(fā)布技術(shù)，顯著提升高分辨率衛(wèi)星影像在線地圖發(fā)布時(shí)效。影像切片效率達(dá)1 景/分鐘，提升8.3 倍，全國2 米影像切片時(shí)間從2 個(gè)月壓縮到7 天，可實(shí)現(xiàn)“當(dāng)日生產(chǎn)、當(dāng)日發(fā)布”。

四是生態(tài)環(huán)境遙感智能解譯技術(shù)。利用深度學(xué)習(xí)和面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)，開展系列智能解譯技術(shù)研究，解譯精度和時(shí)效明顯提升。突破基于亞米級高分遙感影像的草原區(qū)牧畜識(shí)別、基于深度學(xué)習(xí)的人類活動(dòng)智能識(shí)別、基于深度學(xué)習(xí)的生態(tài)變化智能檢測、基于多源遙感的河流干涸斷流快速篩查、基于熱點(diǎn)網(wǎng)格的大氣污染星地協(xié)同監(jiān)管、海洋水體水色異常遙感快速提取等生態(tài)環(huán)境智能解譯關(guān)鍵技術(shù)，較傳統(tǒng)手段的工作效率總體提升3 ～5 倍。

五是多元數(shù)據(jù)時(shí)空可視化分析技術(shù)。系統(tǒng)集成云服務(wù)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、三維可視化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)多主題、多時(shí)空、多指標(biāo)、多要素、多樣化的成果展現(xiàn)與分析。利用集成與展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)成果的快速融合、三維集成、立體展示與綜合分析能力。研究突破情景表達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息時(shí)空表達(dá)情景構(gòu)建，支撐央地協(xié)同、多主體參與的互動(dòng)式會(huì)商監(jiān)管決策。

三、建設(shè)成效

一是海量遙感數(shù)據(jù)可視化便捷使用。系統(tǒng)利用地理網(wǎng)格、多模態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一時(shí)空處理技術(shù)，初步構(gòu)建了時(shí)空連續(xù)、共用共享的綜合數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫涵蓋基礎(chǔ)地理、影像產(chǎn)品、參量產(chǎn)品、環(huán)境專題、觀測數(shù)據(jù)、評估產(chǎn)品等10個(gè)大類，數(shù)據(jù)層數(shù)達(dá)3988 層，產(chǎn)品種類超500 種，總數(shù)據(jù)量達(dá)4.6拍字節(jié)。數(shù)據(jù)超市支持產(chǎn)品下載、實(shí)時(shí)調(diào)用、加工定制，簡單便捷，只需要三步就可以完成數(shù)據(jù)訂購。第一步，多方式查看、檢索各類數(shù)據(jù)，按需要挑選數(shù)據(jù)；第二步，點(diǎn)擊加入“購物車”，提交數(shù)據(jù)使用或加工申請；第三步，審批通過后，這些數(shù)據(jù)便可直接下載、加工或調(diào)用。

二是“天天影像”全在線近實(shí)時(shí)服務(wù)。系統(tǒng)日處理高分辨率衛(wèi)星影像達(dá)400 景、制作發(fā)布衛(wèi)星影像瓦片1000 余景，基本實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像“當(dāng)日獲取、當(dāng)日處理、當(dāng)日發(fā)布”?，F(xiàn)已制作發(fā)布高空間分辨率衛(wèi)星影像瓦片在線地圖服務(wù)“天天影像”近30 萬景，時(shí)間范圍自2013 年以來，可每日實(shí)時(shí)更新。“天天影像”提供多時(shí)相、專題任務(wù)集、元數(shù)據(jù)等多種形式的數(shù)據(jù)調(diào)用服務(wù)，已被9 個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和核查APP 調(diào)用，年調(diào)用量超8500 萬次。衛(wèi)星影像使用模式已從“線上檢索、 線下應(yīng)用、 耗時(shí)長”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬€上優(yōu)選、實(shí)時(shí)應(yīng)用、高時(shí)效”，數(shù)據(jù)使用的便捷性和效率顯著提升。

三是功能組件資源集成與復(fù)用。數(shù)據(jù)超市集成主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全系統(tǒng)等各類型軟硬件基礎(chǔ)支撐設(shè)備800 余套，計(jì)算節(jié)點(diǎn)225 個(gè)，計(jì)算能力達(dá)到46 萬億次/秒。數(shù)據(jù)超市整合算法模型139 個(gè)，功能模塊達(dá)506 個(gè)。通過算力資源、模型組件庫的集成，數(shù)據(jù)超市可以實(shí)現(xiàn)功能組件資源的重復(fù)利用。比如，面向人類活動(dòng)線上線下一體化監(jiān)管，集成數(shù)據(jù)超市自動(dòng)檢測、問題識(shí)別、野外核查、信息上報(bào)、跟蹤監(jiān)測等功能組件，實(shí)現(xiàn)了人類活動(dòng)監(jiān)管全業(yè)務(wù)流程快速搭建。針對生態(tài)破壞問題“空天地”一體化會(huì)商決策，集成數(shù)據(jù)超市生態(tài)破壞問題研判、三維可視化、無人機(jī)指揮系統(tǒng)接入、地面觀測場數(shù)據(jù)接入、多方在線視頻會(huì)商、文件資料共享等功能組件，快速建立問題發(fā)現(xiàn)、問題核實(shí)、問題整改機(jī)制。

四是生態(tài)環(huán)境遙感一體化云服務(wù)。面向地方環(huán)保部門快速部署和監(jiān)管應(yīng)用，集成數(shù)據(jù)超市數(shù)據(jù)推送、處理、管理、解譯、服務(wù)等自動(dòng)化處理功能組件和基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建即時(shí)、在線、高效、輕量級生態(tài)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)一體化云服務(wù)平臺(tái)，支持生態(tài)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的即時(shí)在線高效利用?；谏鷳B(tài)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)一體化云服務(wù)平臺(tái)，采用“工業(yè)制造4.0”理念，研制生態(tài)環(huán)境遙感云服務(wù)一體機(jī)，深度整合軟件、硬件和數(shù)據(jù)于一體，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的一體化、自動(dòng)化、智能化、可視化處理與管理，具備高性能、易部署、易應(yīng)用等特點(diǎn)。

四、未來展望

一是進(jìn)一步提升生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市的生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)獲取能力。在發(fā)展天基衛(wèi)星、無人機(jī)、定位觀測能力的基礎(chǔ)上，增補(bǔ)高空與地面移動(dòng)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，提升全天時(shí)、高精度、高時(shí)效監(jiān)測能力，將數(shù)據(jù)獲取時(shí)效由月、天提升到小時(shí)、分鐘級。

二是進(jìn)一步提升生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市實(shí)時(shí)智能服務(wù)能力。通過手機(jī)或智能終端APP、衛(wèi)星在軌智能處理、空基邊緣智能處理，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)從獲取、處理到應(yīng)用端的分鐘級生態(tài)環(huán)境信息實(shí)時(shí)服務(wù)，推動(dòng)遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用模式從事后處理向?qū)崟r(shí)智能轉(zhuǎn)變，從專業(yè)用戶服務(wù)向社會(huì)大眾服務(wù)轉(zhuǎn)變。