构建新布局 赋能新业态——空天院成立五年应用成果与展望

文 | 顾燕杰 王大成 魏秋方 郭威 刘芳 陶金花 王福涛

中国科学院空天信息创新研究院

一、前言

一般认为，空天信息技术是指基于航天、航空、临近空间等，进行信息获取、传输、处理和应用的技术，由遥感、定位与导航、地理信息系统“3S”技术为基础的空天信息技术体系，可与各领域和行业应用信息深度融合，赋能产业、经济和社会数字化转型。空天信息技术已广泛应用于资源环境、社会经济、国家安全等领域，能够为国家管理和决策服务提供不可替代的空间信息支撑，具有重要的战略意义和经济价值。尤其是自2020 年以来，随着我国北斗卫星导航系统、高分辨率对地观测系统以及航空遥感系统等重大专项和重大基础设施的陆续建成，空天信息技术已进入黄金发展期。

中国科学院空天信息创新研究院（以下简称“空天院”）于2018 年在中国科学院电子学研究所、遥感与数字地球研究所、光电研究院的基础上整合组建，五年来改革融合工作成效显著，形成了空天信息领域高起点、大格局、全链条布局的研究方向，在空天信息技术应用这一重要研究领域上取得了系列重要进展。本文对其近年来的典型应用成果进行了总结，介绍其作为整合组建单位如何发挥建制化优势、加长研究和应用的链条、在国民经济及各研究领域发挥重要作用。

二、全面形成遥感数据获取—处理—应用的空天地一体化能力

1.空天地一体化遥感数据获取与处理能力

目前，空天院运行中国遥感卫星地面站和航空遥感飞机两大科学装置，并具有系留气球等浮空器平台，具备了空天地一体化的遥感数据获取能力。

其中，于1986 年投入运行的中国遥感卫星地面站是国际资源卫星地面站网成员，规模体量和关键技术指标位居世界前列，实现了覆盖我国全部国土和亚洲70%陆地区域的实时数据接收能力以及全球数据的快速获取能力。地面站保存了自1986年以来的400 多万景的遥感卫星原始数据资料，是我国珍贵的对地观测卫星数据档案库，也是全球接收处理卫星数量最多的机构之一。

于1985 年成立的中科院航空遥感中心全面运行4 架航空遥感飞机，具备十余套航空遥感载荷系统，可承担大型航空遥感综合科学实验、新型遥感载荷校飞、灾害与环境监测飞行等多类综合航空任务，提供科学试验、巡航、应急和订单等模式的多类型航空遥感服务，已成为新型航空和航天载荷的实验验证平台、支撑地球系统科学研究的综合平台，以及各类遥感应用的数据获取平台和应急监测平台。

2.遥感科学与空间地球信息基础研究能力

遥感科学国家重点实验室是我国唯一从事遥感科学基础研究的国家重点实验室，在全电磁波与地物目标的相互作用机理、遥感辐射传输模型、发展遥感科学基础理论等研究方面具有国内领先、国际先进水平，并持续开拓新型遥感信息获取与处理技术、研究定量遥感反演方法，建立地球系统多源遥感综合监测与模拟平台；通过研究定量遥感在地表能量、水和碳循环监测应用中的基础问题，推动我国遥感应用“从定性到定量”的跨越。

3.全球环境资源信息分析能力

空天院发展了适应大数据分析应用场景的新一代数字地球科学平台，形成了由遥感数据、社会经济数据及遥感分析模型算法和产品构建而成的全球环境资源信息分析能力，发展了面向全球和重点区域的高精度、立体化、全覆盖监测能力，突破了全球资源环境高分辨率、高精度监测系列关键技术，形成了光学、微波、激光雷达、高时频等国内外多源卫星协同的立体监测、预警、应急调查技术，建立了地球资源环境要素监测指标体系与方法体系。可面向各领域应用需求，形成“数字地球+应用”生态，已成功应用于重大自然灾害监测、全球变化信息模拟等领域。

4.共性产品生产和真实性检验能力

高分遥感共性产品的生成与服务是打通从高分卫星遥感数据到信息的转换链、降低高分卫星数据应用门槛的关键环节。近年来，空天院依托相关科技专项，不断提升这一能力。

例如，遥感卫星应用国家工程研究中心发布的“国家民用空间基础设施陆地观测卫星共性应用支撑平台”，是国家民用空间基础设施的重要组成部分，首次建成了覆盖全国、遥感全要素、规模最大的遥感共性产品真实性检验站网体系，实现24 种以上共性产品的高精度处理和共性技术服务等。遥感科学国家重点实验室等部门承建的“高分遥感共性产品真实性检验系统”投入试运行，可汇聚由42 个台站组成的高分共性产品全国真实性检验站网观测数据，具备几何、辐射、植被和水体等25 种高分共性产品算法测评与产品真实性检验服务能力。

此外，空天院牵头构建并负责运行科技部挂牌的国家高分辨遥感综合定标场（包头场），有效支持了11 型国产新型遥感载荷的严格航空校飞以及我国七大系列国产遥感卫星的在轨定标与性能评测，是全球自主辐射定标场网首批示范场之一。

三、空天信息典型应用例举

目前，空天信息技术已在各个领域实现了广泛应用，不仅包括国土资源调查、农作物和森林监测、地质矿产调查、城市发展监测、海洋和海岸带资源调查、气象与地质灾害监测评估等传统领域，还在一些新型领域得到了创新性应用，比如“双碳”区域精准监测和服务“一带一路”的信息化决策。以空天院近年来部分重大成果为例，本部分介绍其典型应用情况。

1.政府管理和国际事务空天信息决策保障

针对国家重大战略需求，空天院在全球变化、“双碳”、粮食安全、重大自然灾害等全球性问题上取得了一系列重要研究成果，为我国国家安全和社会经济可持续发展提供独立的决策信息支持。

例如，可持续发展大数据国际研究中心研发并发布“可持续发展大数据平台系统”，列入联合国可持续发展技术促进机制在线平台，是全球首批入列该在线平台的24 家合作方之一；发布地球大数据支撑可持续发展目标系列报告，为实现联合国可持续发展目标提供有力的科学依据和决策支持。2023 年2 月，第77 届联合国大会主席克勒希到中科院参访可持续发展大数据国际研究中心时表示，“中方为实现联合国2030 年可持续发展议程开展的科学研究，为世界其他国家树立了榜样”。

此外，以技术积淀为依托，空天院相关团队全面支撑国家《全球生态环境遥感监测年度报告》，充分彰显遥感科技界对服务人类社会、解决全球生态环境问题的独特贡献；连续发布遥感监测绿皮书系列《中国可持续发展遥感监测报告》，围绕中国的土地利用、植被状况、典型城市群区域大气状况、粮食生产形势、水资源与水环境等热点问题展开论述，为国家“十三五”规划的实施提供科学数据支撑；依托全球农情遥感速报系统定期向国家提供我国及全球粮食生产形势信息，为增强全球粮食信息透明度、应对全球粮食安全挑战、实现联合国零饥饿可持续发展目标提供数据和科学信息支撑（图1）。

图1 空天院大宗粮油作物遥感监测专题报告成果图（空天院CropWatch 团队供图）

2.国土资源遥感监测

城市扩展是城市化过程以及中国土地利用变化最为直接的表现形式，是国内外资源环境与城市发展研究的热点领域。空天院国土资源团队以遥感和地理信息系统为技术依托，面向国家经济建设和环境保护的需求，在全国范围资源环境遥感应用领域，以土地利用、土地覆盖、土壤侵蚀等为主要内容，开展了系列调查、监测、分析和评估研究，持续开展中国城市扩展遥感监测研究已有40 年时间，并于2006 年率先完成了中国省会（首府）、直辖市和特别行政区城市20 世纪70 年代至2005 年长时序、高频次的城市扩展遥感监测，实现了中国75 个典型城市扩展的年度监测，最终形成了20 世纪70 年代初至2022 年城市扩展遥感监测数据库。图2 为1973-2022 年北京市城市扩展遥感监测图。

图2 1973-2022 年北京市城市扩展遥感监测（空天院国土资源团队供图）

此外，空天院发布的全球首套30m 耕地复种指数数据产品，填补了30m 分辨率全球复种指数遥感数据产品的空白；发布全球首套2020 年全球30m 精细地表覆盖产品，及时反映了2020 年全球陆地区域（除南极洲）在30m 空间分辨率下的地表覆盖分布状况，为地表相关应用提供了最新的数据支撑，对于全球变化、可持续发展分析以及地理国情监测等领域具有重要意义。

3.生态环境遥感监测

遥感技术自初步发展阶段，就为国家合理利用资源、保护生态环境提供了重要的科技支撑，目前更是服务国家生态文明和美丽中国建设的重要手段。

例如，空天院水环境遥感团队自2003 年开始从事水环境遥感研究工作，利用卫星遥感技术，持续开展全国和区域范围内陆水体水质、城市黑臭水体等遥感监测工作。针对湖库的水质和水污染事件，科研团队研发了大范围内陆水体水质遥感监测模型，对蓝藻水华、水色指数、叶绿素a、悬浮物、透明度、浊度、有色可溶性有机物、营养状态等级等进行了持续监测。其中，面向国家部委水环境卫星遥感监测的业务化需求，科研团队开发了水环境遥感监测系统，用于快速完成卫星遥感数据处理和水质监测，支撑了国家在大范围水环境监测中的应用需求（图3）。

图3 2013 年和2022 年夏季汾河太原段水体透明度对比（空天院水环境遥感团队供图）

在服务地方环保监测方面，空天院国家遥感应用工程技术研究中心连续四年开展北京市裸露土地遥感动态监测。针对某区大量裸露土地造成扬尘大气污染，而地面调查存在调查不全面、时效性差、人力物力消耗大、治理进度与治理效果难以掌控等问题，运用卫星遥感技术可以全面掌握辖区裸露土地分布与治理进展情况，为深入推进裸露土地精细化管理提供数据和技术支持，为首都蓝天保卫战贡献了空间信息技术的力量（图4）。

图4 北京某区裸露土地变化图（空天院王大成团队供图）

在大气环境遥感领域，空天院自2008 年开始从事空气质量卫星环境遥感研究工作，形成了多源卫星遥感大气污染综合监测技术，自主研发了颗粒物、污染气体、温室气体、秸秆焚烧、沙尘、气溶胶等遥感监测模型，建立了大气环境卫星遥感监测服务平台，可支撑空气质量监测、评估和精准溯源。其成果在北京冬奥会、上海进博会、上海世博会、广州亚运会、北京奥运会以及APEC 会议和阅兵仪式等国家重大事件的空气质量保障监测中（图5），以及国务院“大气十条”和“蓝天保卫战”评估工作中发挥了重要作用。此外，牵头的国家重点研发计划“下一代碳卫星技术方案研究”项目已初步完成面向全球碳盘点的我国下一代碳卫星总体方案设计及载荷技术指标论证，成为指导卫星和载荷系统自主研制的核心基础，为下一代碳卫星研制提供有效支撑。

图5 2022 年2 月9 日大气颗粒物卫星实时监测结果（空天院陈良富团队供图）

4.自然灾害遥感监测与评估

在自然灾害减灾救灾中，遥感以其快速、机动及从宏观到微观全面观测的优势，在灾情应急监测评估、次生灾害跟踪监测、灾后重建决策支持等方面发挥着重要作用，为国内外抢险救灾、救援救助业务决策提供了准确的信息支撑。

从最早的卫星影像应用于1987 年大兴安岭森林火灾监测，到航空遥感飞机助力1998 年长江流域等特大洪涝灾害监测，再到卫星与航空遥感在2008 年汶川地震、2010 年玉树地震、2013 年芦山地震中的典型应用，空天院在历次重大自然灾害中利用遥感技术为灾区应急救灾、抢险和灾后重建中山地灾害的防灾减灾问题提供咨询和建议，为国家决策提供了强有力的数据保障与信息支持。

面对国际重大灾害，空天院也积极开展了一系列遥感应急监测评估工作，包括2013 年澳大利亚林火，2015 年尼泊尔地震，2016 年厄瓜多尔地震，2018 年老挝南部阿速坡省溃坝，2019 年台风伊代—莫桑比克中部洪涝，2022 年孟加拉国、巴西、巴基斯坦洪灾等。2023 年2 月土耳其地震发生后，空天院立即启动重大灾害应急响应工作，迅速开展遥感数据获取、灾情监测与评估工作，并通过空天院运维的国家对地观测科学数据中心、国家综合地球观测数据共享平台等共享至联合国训练研究所、国家冰川冻土沙漠科学数据中心、自然资源部生态地质与灾害防控重点实验室等机构，为国家相关部门开展灾情研判和制订抢险救援对策提供了强有力的支持（图6）。

图6 土耳其地震灾区加济安泰普省努尔达伊市凯末尔帕夏房屋倒塌应急监测图（空天院王福涛团队供图）

5.特色行业应用

随着技术的进步和社会的发展，空天信息技术将实现普及化应用。“泛空间信息时代”已经到来，将赋能新业态，进入千家万户，成为现代生活中的必需品。

近年来，空天院与最高人民检察院等单位长期深度合作，立足全国生态环境、资源保护等领域检察公益诉讼新型办案需求，运用卫星遥感和时空大数据技术，提升了空天信息技术对检察办案质效提高的支撑能力，相关成果入选国家“十三五”科技创新成就展。其科技支撑的“长三角地区检察机关推动大运河流域水环境综合治理”案件，入选最高人民检察院2022 年度十大法律监督案例，由最高检向全国发布。

由空天院牵头承担的“北斗星动能”科技应用示范工程，以精准导航与控制、目标场景立体监测为抓手，赋能新业态，带动研制一批无人农场、精细农业、海洋牧场、生态监测等方面的无人化装备和空天信息应用系统，并在山东济南、烟台、东营、黄河入海口、莱州湾等典型区域开展大型综合应用示范，带动山东北斗产业生态，打造北斗创新应用高地，在全国起到引领性、示范性和带动性作用，支撑山东经济结构转型和高质量发展。

四、未来展望

国家“十四五”规划着重强调要强化国家战略科技力量，要发展壮大战略性新兴产业，在空天等前沿科技和产业变革领域，实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。空天院作为空天信息领域的国立科技力量，将始终以“充分体现国家意志、有效满足国家需求、代表国家最高水平”为最高标准，充分发挥完整创新链条和整建制优势的科技布局，拓展应用场景，打造覆盖空天信息全产业链的生态，助力产业发展由“大”变“强”。

未来，空天信息技术将成为全球变化和地球系统科学研究的重要支撑，特别是随着人工智能、大数据技术的带动，其应用将深入各行各业，并更加智能化、精准化、大众化，越来越多地走进寻常百姓家。