生態環境遙感數據超市建設與展望

2023 年7 月召開的全國生態環境保護大會提出，深化人工智能等數字技術應用，構建美麗中國數字化治理體系，建設綠色智慧的數字生態文明。

經歷了近40 年的發展，中國初步建立了天地一體的生態環境立體監測網絡，生態環境遙感已經成為生態環境監管不可或缺的重要組成部分，廣泛應用于生態、大氣、水、土壤等生態環境監測評估和管理決策的各個領域，在全國生態狀況調查評估、污染防治攻堅戰、應急與監督執法等方面發揮著重要作用，顯著推動著生態環境智慧監管能力的提升，有力支撐了中國新時期環境保護管理與決策。隨著遙感平臺和傳感器的不斷改進和增加，生態環境遙感數據量由TB 級快速增加到PB 級，在數據層面上已經體現了體量大 （Volume）、類型多（Variety）、 時效性高（Velocity）、真實性強（Veracity） 和應用價值高 （Value） 的“5V”特征，中國生態環境遙感進入了一個大數據時代。

不斷涌現的海量生態環境遙感數據需要大量的存儲和計算資源，而傳統遙感數據處理分析應用模式存在單機作業、線下數據交互、影像數據服務為主、人力密集型、自動化程度低、遙感應用流程長等問題，已無法滿足快速響應、定制化應用等需求。生態環境部衛星環境應用中心研發了集數據處理、產品生產、分發服務能力為一體的環境遙感監測應用平臺，系統形成了生態環境遙感監測業務運行能力，但也存在數據可見性不強、應用流程長、自動化程度低、服務面窄、服務水平低等問題。

面對上述問題，我們圍繞生態環境智慧監管新需求，提出采用“數據超市”模式構建新型生態環境遙感云平臺，研究設計平臺建設思路和總體框架，分析平臺的技術架構和關鍵技術，以期為構建生態環境遙感數據處理分析應用新模式提供參考。

一、數據超市內涵和技術構架

生態環境遙感數據超市是生態環境遙感大數據服務體系的形象表達，基本思路是借鑒現代超市經營理念，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用；用戶也可以是“賣家”，將自有服務資源在超市進行上架展示，供其他用戶購買，實現數字資源循環再利用。

生態環境遙感數據超市建設按照集成化、一體化的思路，全面整合遙感數據、功能、應用資源，構建一站式“數據超市”系統，形成從原始數據到業務應用的全業務鏈服務，讓數據“可查、可看、可用”。借鑒現代超市體系架構，參考企業架構框架（enterprise architecture，EA）理 論 和SOA（Service Oriented Architecture）面向服務架構，我們從整體、全局和綜合的視角出發，來設計生態環境遙感數據超市總體架構。生態環境遙感數據超市由資源庫、加工間、服務區三部分組成。

生態環境遙感數據超市總體架構

二、關鍵技術研究與實現

一是多源衛星數據統籌獲取技術。統籌20 余顆優于2 米的高分辨率衛星，構建虛擬衛星星座，制定衛星拍攝計劃，大幅提升了高分遙感覆蓋能力。全國2米衛星月度覆蓋能力由29%提升至80%，1 米衛星季度覆蓋能力由60%提升至65%，衛星數據獲取效率由日提升到小時級。

二是遙感影像大規模自動化處理技術。利用分布式計算框架，結合CPU-GPU 協同處理技術，構建流式計算模式，實現衛星數據高效實時處理。系統實現對國產主流高分遙感影像數據的正射校正、融合鑲嵌、質檢全流程自動化處理，處理能力達400 景/天，基本實現“當日獲取、當日處理”。業務化生產將植被指數、植被覆蓋度、葉面積指數、凈生態系統生產力、凈初級生產力、生物量、反照率、土壤水分指數、地表蒸散等11 個重要陸地生態參數產品進行了歸一化。

三是高性能影像地圖切片服務技術。攻克輕量級地圖快速切片和實時發布技術，顯著提升高分辨率衛星影像在線地圖發布時效。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“當日生產、當日發布”。

四是生態環境遙感智能解譯技術。利用深度學習和面向對象等技術，開展系列智能解譯技術研究，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、基于熱點網格的大氣污染星地協同監管、海洋水體水色異常遙感快速提取等生態環境智能解譯關鍵技術，較傳統手段的工作效率總體提升3 ～5 倍。

五是多元數據時空可視化分析技術。系統集成云服務技術、大數據分析技術、三維可視化技術等，實現多主題、多時空、多指標、多要素、多樣化的成果展現與分析。利用集成與展示技術，實現多源數據成果的快速融合、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，實現復雜信息時空表達情景構建，支撐央地協同、多主體參與的互動式會商監管決策。

三、建設成效

一是海量遙感數據可視化便捷使用。系統利用地理網格、多模態數據統一時空處理技術，初步構建了時空連續、共用共享的綜合數據庫。數據庫涵蓋基礎地理、影像產品、參量產品、環境專題、觀測數據、評估產品等10個大類，數據層數達3988 層，產品種類超500 種，總數據量達4.6拍字節。數據超市支持產品下載、實時調用、加工定制，簡單便捷，只需要三步就可以完成數據訂購。第一步，多方式查看、檢索各類數據，按需要挑選數據；第二步，點擊加入“購物車”，提交數據使用或加工申請；第三步，審批通過后，這些數據便可直接下載、加工或調用。

二是“天天影像”全在線近實時服務。系統日處理高分辨率衛星影像達400 景、制作發布衛星影像瓦片1000 余景，基本實現衛星遙感影像“當日獲取、當日處理、當日發布”?，F已制作發布高空間分辨率衛星影像瓦片在線地圖服務“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、專題任務集、元數據等多種形式的數據調用服務，已被9 個業務系統和核查APP 調用，年調用量超8500 萬次。衛星影像使用模式已從“線上檢索、 線下應用、 耗時長”轉變為“線上優選、實時應用、高時效”，數據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。數據超市集成主機、網絡、存儲、安全系統等各類型軟硬件基礎支撐設備800 余套，計算節點225 個，計算能力達到46 萬億次/秒。數據超市整合算法模型139 個，功能模塊達506 個。通過算力資源、模型組件庫的集成，數據超市可以實現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管，集成數據超市自動檢測、問題識別、野外核查、信息上報、跟蹤監測等功能組件，實現了人類活動監管全業務流程快速搭建。針對生態破壞問題“空天地”一體化會商決策，集成數據超市生態破壞問題研判、三維可視化、無人機指揮系統接入、地面觀測場數據接入、多方在線視頻會商、文件資料共享等功能組件，快速建立問題發現、問題核實、問題整改機制。

四是生態環境遙感一體化云服務。面向地方環保部門快速部署和監管應用，集成數據超市數據推送、處理、管理、解譯、服務等自動化處理功能組件和基礎設施，構建即時、在線、高效、輕量級生態環境衛星數據一體化云服務平臺，支持生態環境衛星數據資源的即時在線高效利用?；谏鷳B環境衛星數據一體化云服務平臺，采用“工業制造4.0”理念，研制生態環境遙感云服務一體機，深度整合軟件、硬件和數據于一體，實現衛星數據的一體化、自動化、智能化、可視化處理與管理，具備高性能、易部署、易應用等特點。

四、未來展望

一是進一步提升生態環境遙感數據超市的生態環境遙感數據獲取能力。在發展天基衛星、無人機、定位觀測能力的基礎上，增補高空與地面移動遙感監測系統，提升全天時、高精度、高時效監測能力，將數據獲取時效由月、天提升到小時、分鐘級。

二是進一步提升生態環境遙感數據超市實時智能服務能力。通過手機或智能終端APP、衛星在軌智能處理、空基邊緣智能處理，實現遙感數據從獲取、處理到應用端的分鐘級生態環境信息實時服務，推動遙感數據應用模式從事后處理向實時智能轉變，從專業用戶服務向社會大眾服務轉變。