海南高分卫星应用与发展

文|黄拔 王雷 杨天梁 崔贝

1.海南省地球观测重点实验室/中国科学院空天信息研究院海南研究院

2.中国科学院空天信息创新研究院

3.三亚中科遥感研究所

一、引言

于某个领域的典型应用案例分析，例如在城市精细化管理[1]、疾病预防[2]、城市消防[3]、自然资源管理[4]等领域。针对省域应用发展重点分析的研究还比较少。本文基于海南省高分应用推广情况及存在的问题进行了分析，并提出了海南高分应用发展重点方向。

二、海南省高分应用推广举措

海南高分数据与应用中心组织开展了基础设施建设、高分数据应用规划论证、技术培训、宣传普及、交流合作、应用技术研发和用户服务系统开发、枢纽平台建设及运维等大量工作。

1）建设海南高分数据与应用中心相关运维和存储设施，建成海南高分数据与应用中心枢纽平台网站和海南高分数据与应用中心数据服务门户，具备数据整合、信息提取、快速处理和分发的能力，为各类用户提供覆盖海南及周边海域高分数据查询和下载服务，为海南高分数据应用提供技术支撑。

2）推动“高分+”承载应用，组织省级培训班，大力推广高分数据应用。为进一步推动高分数据在海南省的推广应用工作，为政府、科研机构、企业之间搭建相关成果交流转化渠道，促进海南省高分数据应用的深度发展，海南高分数据与应用中心组织举办了海南省域高分数据推广应用活动、“中国航天日”系列活动等，为海南省高分数据推广应用和成果转化提供了重要的交流平台，对推动高分数据在海南省更多领域、更多行业应用起到了积极的促进作用。

3）形成了海南高分数据应用“三个清单”（产品清单、服务清单、标准规范清单），为相关企事业单位提供高分数据服务和解决方案。

4）依托海南热带海洋大学、海南大学、中科院等机构，开展面向海南提供空间信息领域的教育培训服务，引进优秀毕业生，为海南提供大量高水平的空间信息领域科研与工程型人才，从而为整个海南省空间信息产业化发展奠定人才基础。

三、海南省高分应用情况

1.总体应用情况

海南高分卫星应用领域包括自然资源、林业、生态环保、农业、住建、交通、海洋等。

在自然资源领域，为海南省土地利用动态监控系统、自然保护区动态监控系统、国土资源执法巡查、建设用地动态监管、城市绿化率分析、三维“一张图”展示及矿山年度动态监测等业务提供了数据支撑。为海南省申报热带雨林国家公园提供了客观、实时、准确的区域现状数据；为东西两翼中心城市建设和城镇改造提供了参考。

在林业方面，在全省各林区林场、自然保护区以及各市县单位重点生态区域范围内开展了人工林资源专项调查工作，旨在通过调查，彻底摸清全省林区、林场、保护区以及重点生态区域的人工林分布情况，为海南省林业发展、低效林改造、生态保护和修复作铺垫。

在海洋行业，开展海洋生态环境监测、海洋赤潮监测等应用，为海南及周边海域提供数据和决策支持。监测了海口如意岛填海造陆的进展，为海口市海洋环境监测中心掌握如意岛填海进展提供了数据支持。

在城市管理方面，基于高分卫星数据为主要数据源，开展了三亚市“双城双修”遥感监测，完成了海棠湾、三亚湾、市区公园、山体修复及新渔港建设等多项工程的监测，客观、清晰、精确地呈现了“双城双修”工作前后及过程中三亚市的逐步变迁，也为此项工作的持续开展和相关工作的深入进行提供了科学依据。在违法建筑执法中，利用高分影像进行多时相影像的比对，得出不同时段监测区域的建设情况，为海南省违法建筑监测提高了工作效率，并保证了数据的真实性。

在农业行业，利用高分卫星影像提取了海南省种植业用地的空间分布状况，为海南省农业资源监测与综合利用提供了基础数据。

海南省高分应用产品体系，涉及国家重大战略规划、资源调查与监测、环境监测与评价、城市精细化管理、农业、海洋等6 个业务应用领域的14项专题产品（如图1 所示）。

图1 海南省高分应用产品体系图

2.行业应用案例

（1）海洋行业应用

赤潮是水体中藻类短期内大量聚集或爆发性增殖引起的一种海洋现象，它不仅破坏海洋渔业生产、恶化海洋环境、影响滨海旅游业，而且还会影响人类健康[5]。2021 年2 月底至3 月初，三亚附近海域出现大规模赤潮现象，通过高分卫星遥感数据对本次赤潮发生、发展和消亡过程中生物光学参数、赤潮物种、赤潮面积、赤潮强度等信息进行监测。对比分析2021 年2 月20 日和2021 年2 月23 日的高分卫星影像，发现三亚附近海域内疑似出现了赤潮现象，通过遥感影像可以明显看到2 月23 日图中海面出现了大量红色条带（红色区域），疑似为赤潮现象。从2021 年2 月26 日的影像可以发现赤潮向三亚海域迁移扩散，赤潮现象进一步发展。从2021 年3 月1 日的影像可以发现赤潮在三亚海域基本消失。还存留的赤潮藻类基本已靠岸、上岸。本次赤潮的发生、发展和消亡过程如图2 所示。

图2 三亚附近海域赤潮高分遥感监测图

2021 年3 月4 日对影像中赤潮藻类靠岸地点进行实地考察。发现海面基本无赤潮现象，岸上残留有大量上岸藻类。

（2）住房和城市建设应用

基于高分卫星数据开展违法建筑监测，通过对遥感影像进行正射校正、几何校正、匀光匀色、裁剪等处理，得到监测区域正射影像，提供项目施工情况分析报告，为相关部门开展违建清查工作提供技术与决策参考。例如海南省某区域建筑物高分遥感违建监测，监测区域（红色区域，见图3）存在13 处施工现象或已经完成房屋主体建设，2019 年11 月23 日影像显示未见施工情况，2021 年1 月15日影像可见存在施工痕迹，工棚已经搭建，2021 年6 月30 日影像可见施工痕迹，房屋尚未封顶。

图3 违法建筑高分遥感监测专题图

通过使用高分影像作为底图，与不同时间段的影像数据作叠加分析，通过对比可以得出不同时段该地区房屋的建设情况，来判断是否为违法用地[6]。高分遥感影像对海南省违法用地监测提供了强有力的影像支撑，提高了监测的工作效率，并保证了数据的真实性，缩短了工作时间。

（3）农业行业应用

农业信息监测充分利用遥感技术并耦合地理信息系统技术和全球定位系统技术，针对监测区域典型的农田土地利用特点，开展特色水果、常年瓜菜和设施大棚的遥感监测，构建适宜于本地的经济作物和设施大棚遥感精细监测体系，及时准确掌握本区域内水果、瓜菜及设施大棚空间分布情况，为现代农业建设提供重要的技术支撑和数据支持。

在遥感解译过程中，由于不同作物间具有相似的光谱特征，即“异物同谱”现象；而同一作物在不同环境下呈现出不同的光谱特征，具有“同物异谱”[7]现象。因监测区域作物种类多、作物种植随机性和零散性，导致“同物异谱”“异物同谱”现象更为严重，因此获取并构建丰富的地物遥感解译标志非常必要，也是开展遥感识别的前提和基础。通过实际调查等多种方式，获得本地大量作物不同生长期的样本数据。在此基础上，根据开展不同作物在高分辨率影像上的光谱特征、纹理特征和形状特征，以及这些特征在时序上的变化特点，明确不同作物特有的典型遥感识别特征，构建经济作物和设施大棚样本库和遥感解译标志库。

因监测区域作物种类繁多且一年四季均适宜种植作物，导致实际田间作物种植时间不一致（尤其瓜菜），不同作物在不同生长期所表现出的影像特征不同，因此仅基于单一时期遥感数据开展多种作物识别及提取易造成错分或漏分。该监测案例在充分吸收借鉴国内外遥感地物分类的基础上，利用多时相多源遥感数据（高分一号、高分二号、高分六号等），基于不同作物遥感解译标志，结合数字高程模型（DEM）等数据，利用随机森林算法、支持向量机、最大似然法、决策树分类等方法，构建基于时序信息的遥感精细识别方法，实现监测区域不同经济作物和设施大棚的准确识别和提取。图4 为三亚市2021 年下半年水果种植空间分布遥感监测图。

图4 水果种植空间分布高分遥感监测图

利用上述构建的分类方法开展监测区域经济作物及设施大棚遥感识别，并基于大量真实样本开展精度验证。在验证精度不达标时，重新修订改进分类算法，直至精度达标，最终获得监测区域目标经济作物及设施大棚种植面积及空间分布情况，为当地农业局等部门决策提供依据。

（4）其他应用

围绕高分遥感数据看海南自贸港的发展与变化，推出《遥感海南》栏目，从海洋、环保、林业、农业、城市等大众感兴趣的角度出发，通过图片、视频等多手段、多渠道方式用高分遥感影像直观展示高分应用成果和海南的发展，提高公众对遥感的了解与兴趣。

目前《遥感海南》栏目已发布了多期，主题包括城市复苏：疫情过后的复工复产[8]；海南自拍：2020 年4 月13 日海南全岛建设自由贸易试验区两周年，对外发布一组最新的海南部分城镇高分遥感卫星影像图；视频系列：一眼看海南、3D 解剖海南等，通过视频从数十万米的高空看海南的江河山脉及旅游景点；农业遥感、重点园区影像比对、江东的变化、追寻海南红色记忆等。

四、存在的问题

目前海南高分应用体系处于从“试验应用型”向“业务服务型”转变的发展阶段，相关的企业数量少且产值规模小，还存在一定的不足，主要体现在：

1）发展基础薄弱：海南地区经济体量较小，与高分应用相关的产业整体规模较小、产能较低，产业领域存在着很大的发展局限性。

2）分析和应用服务能力不足：根据海南高分应用实际情况，需要优化现有的海南高分数据与应用中心枢纽平台，与省内现在已经开展高分应用的单位合作，总结和形成面向各领域的高分应用共性关键技术和数据产品解决方案，瞄准海南省的自然资源监管、生态资源监测、海洋资源开发等重大任务，推动“高分+”承载应用，形成大数据挖掘分析应用的能力。

3）对于高分领域的各项应用宣传不足，各类相关的培训较少，很多单位和部门有遥感数据相关的需求，却缺乏海南地区合适的高分应用合作对象。

结合上述提出的问题，在下一阶段海南高分卫星应用中，应充分利用海南的政策优势，完善海南高分产业发展实施机制，加强宣传推广，推动高分卫星数据在海南的应用。

五、海南省高分应用发展重点分析

随着高分数据源不断丰富，涵盖不同空间分辨率、不同覆盖宽度、不同谱段、不同重访周期的高分数据体系已基本形成。在海南自由贸易港的建设发展进程中，要充分发挥好经济特区、生态环境和政策优势等方面的比较优势，加快实施创新驱动发展战略，不断增强省内企业技术创新和科技成果转化的内生动力，形成全省加快高新技术产业尤其是高分卫星遥感应用领域发展的新热潮，为打造空间科技创新战略高地、服务海南自由贸易港建设等国家重大战略提供有力支撑。

1）支撑乡村振兴等国家发展战略，面向重大工程实施或重大政策执行情况的监测与决策提供支撑。在农业资源要素调查、农业生产过程监测、农业灾害监测与损失评估、农业项目管理和重大农业政策执行情况监测等农业主体业务中实现高分遥感数据规模化应用，开展农业灾害、“两区”划定、经济作物及农业设施、典型热带作物重大病虫害、水稻病虫害遥感监测、撂荒地等遥感监测评价工作。为摸清全省农业要素“家底”、实现农业过程科学监管、推进农业数字化管理体系建设提供有效的数据和技术支撑。

2）服务海南自由贸易港建设，重点应用在航运及港口监测[9]、城市便利、风险防控等方面，着力支撑海南打造成为我国全面深化改革开放试验区、国家生态文明试验区、国际旅游消费中心、国家重大战略服务保障区。

在海南自由贸易港建设总体方案中提出建立更加自由开放的航运制度，对航道岸线、洲滩淤积、港口、船只等专题信息进行定期监测的需求也日渐增加。利用高分数据对港口及船舶进行监测，形成船舶、港口码头监测专题产品，一方面服务于航道交通量计算、海上交通事故的监测等，航道部门可以掌握特定区域的船舶通航情况，统计特定时间的船舶流量，分析船舶密度、习惯航线等；另一方面，通过码头、港口边界线的自动提取，航道部门可以掌握新建码头的水域占用情况，掌握码头后方堆场使用情况，为水工建筑是否违法占用航道提供依据。

高分数据在城市便利的应用具体包括城市规划精细化管理、风景名胜区精细化管理、城市环境治理、城市园林绿化精细化管理等。城市要实施精细化管理，需要细化城市地下、地面、地上空间的相关管网、道路、桥梁、建筑物等目标的管理。随着时间的推移，城市也在不断地发生变化。高分辨率遥感数据可清晰、客观地显示和挖掘城市地理空间相关要素信息，实现对城市大区域的定期观测，有助于把握城市的全貌和历史变迁。

高分数据应用可以对全省整体感知，增强物与物、人与物之间的联系，全面、精确、实时地掌握各类风险动态，提前预防、控制可能发生的危险事故和突发事件，在危机事件发生后，能够做到信息共享与协调联动，实现人与技术的充分融合。针对地质灾害、气象灾害、海洋灾害、森林火灾等，利用高分遥感数据开展致灾要素、承灾体、历史灾害和综合减灾能力等风险要素的调查与评估，构建天空地海多源立体监测体系助力灾害风险评估，解决高分辨率和高精度灾害重点隐患调查的难题。

3）支撑海南海洋强省建设，由于海南特殊的地理位置和丰富的资源，开展海南省海洋生态环境监测、海洋赤潮监测、海洋溢油监测等卫星应用，并形成针对高分数据以及监测产品生产专题成果，为海南及周边海域的生态文明、旅游、国家重大战略服务保障提供数据、技术、服务和决策支持。

4）不断丰富高分应用成果，大力拓展高分应用新领域，扩大高分应用广度与深度，使高分数据进入国民经济各领域。重点包括资源调查与监测、生态环境保护和治理、执法监督、森林火情监测预警等。

5）高分应用服务公众用户，面向公众开展科普实践活动，积极传播航天、遥感科技知识，激发公众尤其是青少年对科技创新的热情，让更多人直观感受与了解海上丝绸之路、数字海南等。

六、结束语

海南高分遥感的应用成果成效显著，已经进入自然资源、住建、农业、生态环保、海洋等部门的业务主体，满足了用户在城乡建设监测评价、农业调查统计、生态环境监测、海洋监测等方面的数据需求，成为政府治理能力和治理体系不可或缺的重要支撑。

2021 年4 月7 日，国家发改委、商务部联合发布《关于支持海南自由贸易港建设放宽市场准入若干特别措施的意见》提出，推动卫星遥感、北斗导航、卫星通信、量子卫星、芯片设计、运载火箭、测控等商业航天产业链落地海南。与国内其他省市相比较，海南高分数据与应用中心在开展高分遥感区域示范工程，实施空间信息资源战略方面，具有信息化基础建设优势、空间地理应用行业优势和相关行业应用优势。

海南高分卫星应用将重点服务海南自贸港建设，进一步扩大产业规模，提升用户数量，充分利用海南自贸港建设的各项政策优势和迫切需求，形成具有海南特色的高分应用产品体系，向相关部门提供各类高分应用解决方案，让高分应用切实推广到海南发展的各个领域，支撑各级政府的治理能力现代化。

致谢：高分辨率对地观测系统海南数据与应用中心和海南省地球观测重点实验室对本论文的监测数据提供了支撑，在此表示衷心的感谢！