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

        2024-01-10 10:51:06孫中平
        中國生態(tài)文明 2023年6期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境遙感衛(wèi)星生態(tài)

        2023 年7 月召開的全國生態(tài)環(huán)境保護大會提出,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領(lǐng)域,在全國生態(tài)狀況調(diào)查評估、污染防治攻堅戰(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期環(huán)境保護管理與決策。隨著遙感平臺和傳感器的不斷改進和增加,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)、 時效性高(Velocity)、真實性強(Veracity) 和應(yīng)用價值高 (Value) 的“5V”特征,中國生態(tài)環(huán)境遙感進入了一個大數(shù)據(jù)時代。

        不斷涌現(xiàn)的海量生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)需要大量的存儲和計算資源,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,系統(tǒng)形成了生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)運行能力,但也存在數(shù)據(jù)可見性不強、應(yīng)用流程長、自動化程度低、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,研究設(shè)計平臺建設(shè)思路和總體框架,分析平臺的技術(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,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,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)資源在超市進行上架展示,供其他用戶購買,實現(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級。

        二是遙感影像大規(guī)模自動化處理技術(shù)。利用分布式計算框架,結(jié)合CPU-GPU 協(xié)同處理技術(shù),構(gòu)建流式計算模式,實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效實時處理。系統(tǒng)實現(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)檢全流程自動化處理,處理能力達400 景/天,基本實現(xiàn)“當日獲取、當日處理”。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 個重要陸地生態(tài)參數(shù)產(chǎn)品進行了歸一化。

        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時發(fā)布技術(shù),顯著提升高分辨率衛(wèi)星影像在線地圖發(fā)布時效。影像切片效率達1 景/分鐘,提升8.3 倍,全國2 米影像切片時間從2 個月壓縮到7 天,可實現(xiàn)“當日生產(chǎn)、當日發(fā)布”。

        四是生態(tài)環(huán)境遙感智能解譯技術(shù)。利用深度學習和面向?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)牧畜識別、基于深度學習的人類活動智能識別、基于深度學習的生態(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,實現(xiàn)多主題、多時空、多指標、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。研究突破情景表達技術(shù),實現(xiàn)復雜信息時空表達情景構(gòu)建,支撐央地協(xié)同、多主體參與的互動式會商監(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)一時空處理技術(shù),初步構(gòu)建了時空連續(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個大類,數(shù)據(jù)層數(shù)達3988 層,產(chǎn)品種類超500 種,總數(shù)據(jù)量達4.6拍字節(jié)。數(shù)據(jù)超市支持產(chǎn)品下載、實時調(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”全在線近實時服務(wù)。系統(tǒng)日處理高分辨率衛(wèi)星影像達400 景、制作發(fā)布衛(wèi)星影像瓦片1000 余景,基本實現(xiàn)衛(wèi)星遙感影像“當日獲取、當日處理、當日發(fā)布”。現(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,時間范圍自2013 年以來,可每日實時更新?!疤焯煊跋瘛碧峁┒鄷r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、 耗時長”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬€上優(yōu)選、實時應(yīng)用、高時效”,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用。數(shù)據(jù)超市集成主機、網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全系統(tǒng)等各類型軟硬件基礎(chǔ)支撐設(shè)備800 余套,計算節(jié)點225 個,計算能力達到46 萬億次/秒。數(shù)據(jù)超市整合算法模型139 個,功能模塊達506 個。通過算力資源、模型組件庫的集成,數(shù)據(jù)超市可以實現(xiàn)功能組件資源的重復利用。比如,面向人類活動線上線下一體化監(jiān)管,集成數(shù)據(jù)超市自動檢測、問題識別、野外核查、信息上報、跟蹤監(jiān)測等功能組件,實現(xiàn)了人類活動監(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、問題整改機制。

        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)等自動化處理功能組件和基礎(chǔ)設(shè)施,構(gòu)建即時、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,支持生態(tài)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源的即時在線高效利用?;谏鷳B(tài)環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)一體化云服務(wù)平臺,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,深度整合軟件、硬件和數(shù)據(jù)于一體,實現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的一體化、自動化、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。

        四、未來展望

        一是進一步提升生態(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、定位觀測能力的基礎(chǔ)上,增補高空與地面移動遙感監(jiān)測系統(tǒng),提升全天時、高精度、高時效監(jiān)測能力,將數(shù)據(jù)獲取時效由月、天提升到小時、分鐘級。

        二是進一步提升生態(tài)環(huán)境遙感數(shù)據(jù)超市實時智能服務(wù)能力。通過手機或智能終端APP、衛(wèi)星在軌智能處理、空基邊緣智能處理,實現(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)境信息實時服務(wù),推動遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用模式從事后處理向?qū)崟r智能轉(zhuǎn)變,從專業(yè)用戶服務(wù)向社會大眾服務(wù)轉(zhuǎn)變。

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        生態(tài)
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