“星圖智慧不僅加快推動青島市嶗山區(qū)衛(wèi)星應(yīng)用和空天信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也對教育工作和科研事業(yè)起著重要的支撐作用。”近日，在空天信息與數(shù)字經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展論壇上，山東科技大學(xué)測繪與空間信息學(xué)院教授孫林表示。
衛(wèi)星測繪是基于各類測繪衛(wèi)星獲取地理信息和提供地理信息服務(wù)的重要手段，衛(wèi)星測繪能力和應(yīng)用水平是國家對地觀測能力的直接反映。加強(qiáng)衛(wèi)星測繪能力建設(shè)，提升衛(wèi)星測繪應(yīng)用水平，對于搶占對地觀測制高點(diǎn)、滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對地理信息技術(shù)和應(yīng)用的迫切需求、推進(jìn)測繪地理信息事業(yè)改革創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。
此次大會，業(yè)內(nèi)專家與領(lǐng)導(dǎo)齊聚一堂，以“天眼感知世界，智慧引領(lǐng)未來”為主題，探討空天信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)社會的高效轉(zhuǎn)型，共話未來共謀發(fā)展。
多項高科學(xué)技術(shù)共同發(fā)力
孫林指出，空氣污染、水污染、生物多樣性減少等問題日益突出，生態(tài)環(huán)境不容樂觀。針對這些生態(tài)環(huán)境問題，目前普遍采用的站點(diǎn)監(jiān)測方法以單點(diǎn)采集為主，范圍小、成本高、效率低，而且主觀性過強(qiáng)，不夠客觀，很難針對所提供的環(huán)境數(shù)據(jù)制定相關(guān)的環(huán)境政策。而遙感技術(shù)作為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中一個非常重要的手段，有著常規(guī)技術(shù)戰(zhàn)略監(jiān)測所沒有的優(yōu)勢。
國務(wù)院印發(fā)的《 “十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確指出，要做大做強(qiáng)衛(wèi)星及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，進(jìn)一步促進(jìn)高端裝備與新材料產(chǎn)業(yè)突破發(fā)展，引領(lǐng)中國制造新跨越。建立天地一體化的生態(tài)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，可以充分利用大數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感技術(shù)，對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行全面客觀科學(xué)及時的評價。遙感的覆蓋范圍廣、成本低、速度快，而且能夠動態(tài)監(jiān)測，結(jié)果比較客觀 。
航天遙感是世界各國競相發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，根據(jù)美國UCS發(fā)布數(shù)據(jù)，截至2021年1月1日，全球在軌遙感衛(wèi)星有909顆。我國共有在軌活躍遙感衛(wèi)星181顆，在軌衛(wèi)星數(shù)量世界第二。從分辨率、光譜上看，都有了很大提高。同時，空間遙感平臺和遙感器日益豐富，觀測方式及數(shù)據(jù)類型也更加多樣化。
光譜分析是人類借助光認(rèn)知世界的重要方式。地球上不同的元素及其化合物都有自己獨(dú)特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”。如果說肉眼光學(xué)成像能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質(zhì)的成分信息。
高光譜遙感的特點(diǎn)是能在可見光到短波紅外的光譜區(qū)間連續(xù)成像，傳統(tǒng)的彩色相機(jī)只能記錄紅綠藍(lán)三個通道的影像，且每個通道的帶寬很寬，而高光譜成像所記錄的通道數(shù)量可以達(dá)到數(shù)百個，且光譜通道很窄，分辨率很高，其光譜探測范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類肉眼的感知范圍，能夠探測人眼無法看到的大量信息，提高人們對自然和物質(zhì)的認(rèn)識。
因為能在非常窄的光譜波段內(nèi)獲取豐富的信息，利用高光譜技術(shù)獲取的信息分辨率很高，甚至能分辨出觀測物質(zhì)的分子和原子結(jié)構(gòu)，這是普通的光學(xué)遙感所達(dá)不到的。
高光譜技術(shù)高速發(fā)展，聯(lián)合激光雷達(dá)技術(shù)等，都提供了有效的數(shù)據(jù)保障，多尺度的數(shù)據(jù)為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供了巨大的支持。
當(dāng)前，國際上衛(wèi)星測繪快速發(fā)展，衛(wèi)星性能不斷提升，空間、時間和光譜分辨率、敏捷機(jī)動能力、定位精度等均實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，應(yīng)用水平和商業(yè)模式不斷升級創(chuàng)新，與大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的深度融合趨勢明顯。近年來，我國衛(wèi)星測繪工作取得了長足進(jìn)展，衛(wèi)星性能顯著提升，應(yīng)用成效顯著。
孫林表示，“我國云檢測等數(shù)據(jù)處理能力的水平也在逐步提高，保證了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高質(zhì)量、高效率的使用。在數(shù)據(jù)處理方面，我國已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，為應(yīng)用提供了良好保障?！?
新技術(shù)應(yīng)用到生態(tài)監(jiān)測多個方面
基于各方面的良好支持，孫林團(tuán)隊利用遙感和人工智能等技術(shù)，提取了山東省40多種各類地表參數(shù)。這些數(shù)據(jù)生產(chǎn)以后，可以為山東省的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測實時提供數(shù)據(jù)支撐，包括歷史數(shù)據(jù)和事實數(shù)據(jù)的支撐，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供更好的支持。
比如，針對鍋爐廢氣、汽車尾氣等產(chǎn)生的大量二氧化氮造成的嚴(yán)重的臭氧污染問題，為了更高效地進(jìn)行臭氧治理，孫林團(tuán)隊制作了中國高分辨率高質(zhì)量大氣污染數(shù)據(jù)集。團(tuán)隊采用遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高頻次、全覆蓋的監(jiān)測，近年分辨率也從2000米左右提升到了5000米，被許多環(huán)保氣象部門所采用。孫林團(tuán)隊此項研究的監(jiān)測數(shù)據(jù)免費(fèi)向社會公開，為疾病防控等社會問題的研究治理提供了可靠的分析數(shù)據(jù)來源。
黑臭水體是近年來各項城市十分重視的生態(tài)環(huán)境問題。為了解決深圳市的黑臭水體問題，孫林團(tuán)隊同深圳毛竹斯合作，針對突發(fā)性的黑臭水體問題，開發(fā)了黑臭水體監(jiān)測系統(tǒng)。
“把不同尺度的衛(wèi)星數(shù)據(jù)放入這個系統(tǒng)里以后，它就能實時得到不同區(qū)域的污染程度數(shù)據(jù)，同時我們利用高光譜技術(shù)做了葉綠素等參數(shù)的提取，可以有效看出哪個河段有污染、污染程度怎么樣。”孫林解釋道。
山東省秸稈火點(diǎn)監(jiān)測技術(shù)同樣是孫林團(tuán)隊一項利用遙感的新技術(shù)研究。團(tuán)隊采用多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)，把無人機(jī)監(jiān)測以及衛(wèi)星監(jiān)測聯(lián)合起來，利用新型算法盡可能提高數(shù)據(jù)精確度，以實現(xiàn)火點(diǎn)衛(wèi)星監(jiān)測。一旦衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)，App就能把人準(zhǔn)確帶到火點(diǎn)的位置。在2021年為山東省監(jiān)控匯報的187起火情中，監(jiān)測的準(zhǔn)確率達(dá)到接近100% 的高精確值。如果把時間、空間拓展開，結(jié)合監(jiān)測的多項參數(shù)，可以及時準(zhǔn)確地分析出火情的誘因，并找到源頭。
孫林指出，“無論是正在燃燒，還是已燒完的火點(diǎn)，系統(tǒng)都可以監(jiān)測到。這樣精確的監(jiān)控系統(tǒng)，也大大降低了縱火率，不僅可以節(jié)省大量人力，也對環(huán)境污染起到了很好的保護(hù)作用”。
目前，遙感技術(shù)應(yīng)用的另一大趨勢是進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評估。我國目前大力推動生態(tài)總值的評價，各省也針對不同的生態(tài)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行評估。山東省在2021年中一共評估了六項生態(tài)參數(shù)。其中，利用遙感技術(shù)分析黃河流域的生態(tài)質(zhì)量，以及黃河流域的森林退化程度，都對發(fā)揮黃河流域在生態(tài)環(huán)境中的不可替代性起到了重要作用。
「衛(wèi)星遙感推動海洋事業(yè)發(fā)展」
我國對海洋衛(wèi)星應(yīng)用范圍的重點(diǎn)規(guī)劃包括全球變化探測、海洋軍事應(yīng)用、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋執(zhí)法與權(quán)益維護(hù)、海域使用動態(tài)調(diào)查等多個方面。
其中，海洋一號衛(wèi)星制作了40多種遙感產(chǎn)品，國內(nèi)用戶達(dá)到一百多個，用戶范圍覆蓋了國內(nèi)的海洋管理和生產(chǎn)作業(yè)、科研院所、大專院校、軍事應(yīng)用等部門。海洋二號衛(wèi)星制作了20多種遙感產(chǎn)品，國內(nèi)用戶達(dá)到20 多個。
利用海洋衛(wèi)星，可以判斷出海洋上的風(fēng)速和風(fēng)向，基于光學(xué)衛(wèi)星的云圖，可以找到臺風(fēng)的中心并了解周邊的風(fēng)浪情況。為了預(yù)防自然災(zāi)害，減少破壞，國家海洋衛(wèi)星被普遍應(yīng)用于臺風(fēng)監(jiān)測中，至今沒有抓丟過一個西太平洋和南海的臺風(fēng)。
盡管雷達(dá)衛(wèi)星也存在缺陷，但微波輻射劑可以改善這一缺陷。用微波輻射劑獲取的臺風(fēng)最高風(fēng)速可以高達(dá)70米每秒，相比雷達(dá)的30米每秒，可以顯著提高對能量估算的精度，對海洋上動力輸送的研究也會起到巨大作用。同時，利用中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT），結(jié)合海洋一號C衛(wèi)星、海洋二號B衛(wèi)星和風(fēng)云四號等開展的災(zāi)害性海浪和海面風(fēng)場聯(lián)合監(jiān)測，在世界上第一次實現(xiàn)了對臺風(fēng)情況下浪場的監(jiān)測。
在資源部、交通運(yùn)輸部也廣泛應(yīng)用了衛(wèi)星對海洋溢油監(jiān)測，以及綠潮、赤潮的監(jiān)測。通過衛(wèi)星進(jìn)行的全球海洋動力環(huán)境監(jiān)測對海洋活動、濱海城市安全、水下保障、能量與物質(zhì)輸送都有著重要意義，在臺風(fēng)過境前后，可以很快地對海上水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)箱、淹沒區(qū)等地區(qū)實現(xiàn)快速精確的監(jiān)控。
同時，通過衛(wèi)星遙感可以進(jìn)行海上風(fēng)能評估與風(fēng)電場環(huán)境監(jiān)測，可以對許多發(fā)電廠、核電站的選址提供參考，比如廣東省海洋發(fā)電廠的選址就是基于此進(jìn)行的。同時，也可以對核電站的運(yùn)行和排水情況進(jìn)行實時監(jiān)測。對于海洋內(nèi)生態(tài)修復(fù)的情況，海洋衛(wèi)星也可以監(jiān)測到諸如紅樹林、珊瑚礁、海草床等生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)情況。
目前，我國的衛(wèi)星遙感發(fā)展既有著難得的機(jī)遇，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)——如何持續(xù)突破定量化觀測、業(yè)務(wù)化生產(chǎn)、精細(xì)化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，如何提升星地一體業(yè)務(wù)化運(yùn)行能力和海洋遙感數(shù)據(jù)的共享與服務(wù)能力，加強(qiáng)省市節(jié)點(diǎn)建設(shè)，都是我國衛(wèi)星遙感發(fā)展的重點(diǎn)方向。
抓住機(jī)遇、面對挑戰(zhàn)，才能推動我國衛(wèi)星遙感從近海監(jiān)測走向全球海洋監(jiān)測，積極參與全球海洋治理，為構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體提供服務(wù)保障。
不可否認(rèn)的是，衛(wèi)星遙感必將在新時代建設(shè)中繼續(xù)發(fā)揮更重要的作用。在最后的總結(jié)中，孫林指出：“如今，衛(wèi)星遙感數(shù)量不斷增多、質(zhì)量也不斷提高，要想更好地發(fā)揮衛(wèi)星遙感對環(huán)境監(jiān)測的保障作用，就要做好多種數(shù)據(jù)的有效融合?！?
