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多源遥感影像协同利用关键技术及应用

2017-04-28

随着我国经济的高速发展,地球空间信息产业已经成为国民经济新的增长点,对高分辨率遥感影像的需求异常迫切。在国家科技支撑计划项目、国家基础测绘项目以及国家地理国情监测项目的支持下,国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心面向当前测绘地理信息数据源建设中存在的问题,对多源遥感影像联合获取与协同利用关键技术开展了技术攻关,突破了基于天气信息的影像可获取性预测、基于样本模型的影像云雪雾范围自动提取、基于运筹学思想的影像智能优选等关键技术,解决了多源遥感影像协同利用的技术瓶颈问题,研建了影像协同利用综合服务平台,满足了不同行业的应用需求,填补了我国多源影像协同利用获取技术的空白。项目成果在第一次全国地理国情普查标准时点核准工作中,解决了短周期广覆盖影像获取技术难题,并在贵州、广东、青海等影像获取困难区得到了常态化应用,在基础测绘、地理国情监测、资源调查、生态文明建设等方面发挥了重要作用,取得了显著的经济效益和社会效益。

一、主要成果

(一)多源遥感影像协同获取机制

依托国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心资源三号卫星影像获取优势,通过部局协作、军民融合、行业共享、互惠互利等多种方式,与国内外的高分系列、天绘系列、SPOT等相关卫星影像数据源单位沟通协调,构建了多平台、多视角、多传感器、多时相的“虚拟星座”,实现多源卫星资源的共控共享。基于“虚拟星座”建立了常规获取与动态调整耦合的影像协同获取机制。常规获取机制是指面向常态化影像需求,各卫星在满足自身任务条件的情况下,以常规手段定期定时获取影像;动态调整机制是指针对应急或者紧急任务的影像需求,建立定期会商机制,根据影像覆盖情况实施调整各星影像获取计划,采用侧摆或者编程获取的方式获取目标区域的影像数据。两种机制耦合的影像协同获取机制是针对常规与紧急交叉任务,协同利用协调各颗卫星影像资源,以最优化的卫星配置最大化满足任务的影像需求。

(二)影像协同利用综合服务平台

影像协同利用综合服务平台在统筹获取多源遥感影像数据的基础上,可实现多源影像数据的智能化预测、标准化整合、精细化处理、最优化利用分析等功能,主要包括光学卫星影像可获取性预测模块、影像云雪雾自动提取模块以及多源影像智能优选模块等,形成了一套较为完善的影像协同利用服务流程,为多源遥感影像协同利用提供了强有力的软件支撑。

1.光学卫星影像可获取性预测模块

光学卫星影像可获取性预测软件模块基于全国气象台站数据预测目标区域的光学卫星覆盖情况,并根据预测结果形成相应的预测报告和专题图。主要子模块包括天气信息预处理模块、预测参数配置模块、可获取性预测模块、可视化模块及专题图制作模块等。

2.米影像云雪雾自动提取模块

影像云雪雾自动提取模块利用构建的云、雾、雪等要素的样本模型库,自动识别提取影像的云雪雾范围。模块具备导入云雪雾样本模型构建、云雪雾检查与评价、云雪雾检查结果统计与输出等功能。

3.多源遥感影像智能优选模块

多源遥感影像智能优化选择模块基于多源遥感影像数据库,根据设定的影像需求,自动选择时相、分辨率等综合条件最优的影像,生成目标区域的多源遥感影像覆盖方案。主要功能包括项目需求管理、遥感影像覆盖方案评价模型设置、优选结果管理及可视化等。

二、创新点

(一)突破了光学卫星影像可获取性预测、影像云雪雾范围自动提取、多源影像智能优选等关键技术,实现了卫星影像的高效获取、精细分析与优化利用,解决了多源遥感影像协同利用的技术瓶颈问题

通过获取海量天气台站数据,结合卫星运行轨迹模型,建立基于天气信息的光学卫星影像可获取性预测模型,实现了目标区域特定时间内的可获取性预测分析,为影像获取与服务方案的制定提供了重要的辅助决策信息。根据影像的云雪雾的纹理及光谱特征,发展了基于样本模型的影像云雪雾自动提取技术,实现了影像云雾覆盖区域的全自动化处理,解决了影像云区遮挡造成的数据无效问题,开创了无云覆盖的遥感影像服务新模式,极大地提升了卫星影像处理的精细化水平和影像利用率。提出了基于运筹学的多源影像智能优选模型,将遥感影像数据源、空间范围需求、时相需求、空间分辨率需求和空间分析方法等抽象为数学模型,制定影像优选指标体系、影像优选规则和优选权重方案,制定了科学合理的影像最优化利用方案,实现目标区域的最优化影像覆盖。

(二)研建了影像协同利用综合服务平台,实现了多源遥感影像获取、整合、分析和利用的自动化与智能化,显著提高了影像获取与数据源保障能力

基于影像协同利用的理念、方法和技术体系,研发了多源影像协同利用服务平台软件系统。建立了多源卫星遥感数据及元数据的高效分类管理、影像协同利用任务的个性化定制、目标区域历史覆盖分析、目标区域可获取性预测分析、多源卫星影像智能优选、云区快速精准提取、影像数据请求与调度、影像协同利用进度控制与反馈、影像实体数据质量检查等功能模块,实现了多源影像的获取、整合、分析与应用的自动化运行,具备业务化的多源影像获取与分发服务能力,显著提高了遥感影像获取与数据源保障能力。

(三)形成了一套切实可行的多源遥感影像协同利用与服务模式,打破了影像数据行业壁垒,开创了多星联合、协同利用、互利共享的影像服务新模式

我国遥感卫星的发展已初具规模,然而随着各行业对遥感数据的需求不断提高,当前的“一星一议、单星作战”服务模式不仅难以满足遥感数据应用需求,也造成了一定程度的卫星资源浪费。鉴于此,项目基于“虚拟星座”的构想,面向各类影像应用需求,建立了国产民用卫星、军事卫星和国外商业卫星的影像联合获取模式,构建了一套集“协同任务规划-智能化获取-精细化分析-最优化利用-个性化服务”为一体的多源遥感影像协同利用与服务新模式,通过数据互通与共享机制,实现了共建单位的影像资源互利共享,打破了影像数据行业壁垒,开创了多星联合、协同利用、互利共享的影像服务新模式。

三、推广应用情况

(一)应用于第一次全国地理国情普查标准时点核准影像保障

第一次全国地理国情普查标准时点核准影像保障工作要求在3个月的核准时期内,实现全国陆地地区近950万平方公里、分辨率优于2.5米的遥感影像覆盖。项目组全力以赴,协同利用资源三号、高分系列、天绘系列及SPOT6/7等国内外卫星,全国任务区累计覆盖率达99.92%,影像保障工作满意度得分98.42,为第一次全国地理国情普查标准时点核准提供了强有力的影像数据支撑。

(二)应用于地理国情普查漏洞区影像协同利用保障

2014年,多源遥感影像协同利用技术应用于地理国情普查贵州、福建、广东、广西和云南5个影像获取困难省(自治区)14.93万平方公里的区域卫星影像补充覆盖工作,基本实现五省的全覆盖。该应用项目的实施,对影像空白区实现了高效补缝,有效保障了地理国情普查的顺利实施。

(三)应用于影像获取困难区现势影像数据库建设

贵州地区由于其特殊的地理位置和气候情况,是我国影像获取极困难省份之一。利用多源遥感影像协同利用技术,综合考虑资源三号、天绘一号和资源一号02C等多颗国产卫星数据资源,在较短的时间内实现贵州省全域17.62万平方公里优于2.5米分辨率的遥感影像全覆盖,建成贵州省年度国产现势影像库,并形成了动态更新机制,解决了贵州省长期以来受地理条件和天气的影响遥感数据难以获取的难题,其成功经验可为全国其他省市的遥感数据获取服务提供借鉴和参考。

(四)应用于生态文明建设

青海三江源区域是我国重要的水源地和生态保护区,利用多源遥感影像协同利用技术,以资源三号为主,高分一号影像作为补充,进行了云覆盖分析及去云补云精细化处理,实现了三江源区域影像全覆盖。在此基础上,生产了高质量的数字正射影像和高精度高保真的数字表面模型数据,构建了二维影像和三维地形耦合的三江源区域真实场景,为三江源地区生态文明建设提供了三维地理信息数据支撑。该影像保障服务模式在贵州雷公山、浙江乌岩岭等多个国家级自然保护区得到了应用。

(五)在相关卫星影像数据源单位的推广

利用多源遥感影像协同利用技术及应用的工作基础,针对中国国土航空物探遥感中心的需求,建立了资源一号02C、高分一号、高分二号等国产卫星影像数据自动质量检查与综合评价及智能优化选择平台,形成了一套适用于资源一号02C、高分一号、高分二号等国产卫星影像产品的质量检查和优质数据自动筛选的软件产品。

国家层面卫星影像联合获取机制的建立是构建资源节约型社会的重要举措,通过卫星影像联合获取机制的建设,可以从实际需求出发,科学地统筹安排空间基础设施的建设,避免重复浪费,使资源的利用更为合理、高效。另一方面,国家层面卫星影像联合获取机制可以最大限度地挖掘现有空间基础设施的数据获取能力,使满足特定影像获取需求成为可能,为国家重大项目的开展和社会保障服务提供完备的数据源支撑。多源遥感影像协同利用技术及应用项目成果成功解决了短周期广覆盖影像获取技术难题,缓解了影像数据源需求旺盛与获取能力欠缺的矛盾,极大增强了我国获取与生产地理空间信息的能力,提升了我国测绘服务保障水平,提高了国土资源调查与监测的数据保障能力,形成了一套切实可行的多源遥感影像协同利用与服务模式,对开创我国新型的影像获取保障模式具有重大意义。