高分衛星在山東省數字強省建設中的應用

文|劉振 尚延玲 劉鹍 盧婷 徐濤

1.濟南大學（高分辨率對地觀測系統山東數據與應用中心）2.日照市自然資源和規劃局

一、背景和意義

黨的二十大報告指出，要加快建設數字中國，要以信息化培育新動能，用新動能推動新發展。《數字中國建設整體布局規劃》指出，要以數字化全面賦能經濟社會發展，山東省在《數字山東發展規劃（2018—2022 年）》和《山東省“十四五”數字強省建設規劃》（以下簡稱“數字強省規劃”）中強調，以大數據、云計算、人工智能等為代表的新一代信息技術蓬勃發展，數字化越來越成為推動山東省經濟社會發展的核心驅動力。

山東省位于中國東部沿海、黃河下游，“山水林田湖”資源得天獨厚，境內地貌和生態類型多樣，地礦、濕地等獨具稟賦，黃河流經9 地市入海，7地市與海洋鄰接，歷史文化源遠流長，優秀的地物人文賦予了齊魯大地巨大的發展潛力。山東省數字化發展前景廣闊，目前，山東省正在實施黃河流域生態保護和高質量發展等一系列國家戰略，新舊動能轉換、鄉村振興、海洋強省等國家和省級戰略疊加發力，新基建和新一代信息技術發展成效顯著，為山東省數字化發展提供堅實的基礎和廣闊的發展前景，有力引領和助推著數字強省建設。山東省正加快推動經濟社會各領域數字化轉型發展，讓數字賦能成為驅動高質量發展的強勁引擎。

作為數字技術的重要組成部分，高分在山東省從數據、平臺、創新、產品、系統和機制等多個方面發力，不僅以空天信息技術支撐開放共融創新應用，而且為山東省數字水利、數字政府、數字生態、數字社會等多個領域的數字賦能發展提供了重要的數據和技術支撐。特別是在全面落實“努力在發展海洋經濟上走在前列”“打造鄉村振興的齊魯樣板”等方面助推山東數字海洋發展、數字農業發展和數字鄉村建設，為山東省數字強省建設貢獻了高分力量。

二、數字山東建設中的高分應用體系

高分辨率對地觀測系統山東數據與應用中心（以下簡稱“高分山東中心”）于2016 年12 月由國家國防科工局批復設立、山東省工業和信息化廳（省國防科工辦）主管，中心依托濟南大學、山東省黃河計量研究院進行建設，數據中心設在濟南大學。

數字化建設不僅要全面賦能經濟社會發展的方方面面，而且要立足區域突出特色。針對數字強省規劃，高分山東中心在高分地市機構建設、數據分發服務、高分應用平臺建設、智能創新技術研究、應用系統示范推廣等方面構建了高分服務數字山東建設的應用體系。

1.組織模式

高分賦能數字化，需要從全省一盤棋的高度出發，整體謀劃、一體推動。為讓高分數據更好地應用和服務山東省內眾多單位和用戶，高分山東中心首先從機構建設著手，在日照、煙臺、威海、淄博、濰坊、泰安、臨沂、德州、聊城、東營、濱州等13個地市設立了高分數據應用中心，形成了“省中心+地市中心”協同推進的高分應用模式。地市中心作為區域高分數據的應用和推廣服務方，不僅在高分共性數據和技術在本地區的應用推廣方面能夠提供高效、及時的服務，而且通過充分挖掘本地區單位和用戶的高分需求，做出了特色和成效。地市中心的設立對于打通高分數據、技術和用戶之間的鴻溝起到了重要的作用。同時，高分山東中心基于現有省內外衛星遙感和測繪領域的研發應用單位，組建了由70 余家會員單位組成的山東省高分應用產業聯盟，形成了產學研用的高分應用服務模式。

2.數據管理服務

為了有效實施高分賦能數字山東建設，高分山東中心研發并部署了山東省高分應用服務平臺，高效管理高分數據并面向單位部門和行業用戶提供高分衛星數據分發服務。自高分山東中心設立以來，已存檔高分系列衛星數據超過70TB，存儲處理數據和產品數據近100TB。在數據下載、入庫、管理、分發等業務中建立了自動化流程，通過分發系統、移動存儲等方式面向政府、科研院所、企事業單位等用戶分發數據5 萬余景，為數字山東建設提供了高分應用平臺和數據支撐。

3.技術創新

高分山東中心充分發揮依托建設單位濟南大學在學科和科研方面的優勢，為了讓高分數據更快更好地服務部門和用戶，在基于人工智能的關鍵核心技術方面開展了系列研究，在遙感目標檢測、遙感圖像分割、變化檢測、高光譜目標分類和高效可視化等算法研究中取得創新成果，相關成果發表在領域內頂級期刊和相關會議，申請和授權發明專利10 項、獲得軟件著作權20 余項，成果應用產生了良好的社會效益和經濟效益，為數字山東建設提供了空間信息新動能驅動。

4.成果和特色應用

數字化賦能重在落地，高分山東中心立足山東，在傳統衛星遙感應用領域夯實優勢，同時在新興領域和特色領域做出成效，共研發了面向十大領域的300 余個專題產品案例，部署7 個智能應用系統，不僅在農業、水利、生態保護等傳統遙感應用領域發揮了優勢和作用，而且以高分融合山東省醫養健康大數據平臺、高分支持環保文保決勝千里之外等案例在衛健領域和文保領域做出了特色。高分成果在支撐山東省數字水利、數字農業、數字政府、數字社會、數字生態以及智慧黃河、智慧海洋等方面走在前列，為做大做強奠定了堅實基礎。

三、高分服務數字山東建設典型案例

高分山東中心基于山東省省情，聚焦“高分+AI”為特色優勢的空間信息應用和共性產品開發，同時統籌地市中心和聯盟單位資源，聚焦國家和山東省戰略，在數字農業、數字水利、數字生態、數字政府以及智慧黃河等領域研發專題產品，有力支撐了山東省數字強省建設。

1.高分服務數字農業——農作物種植分布與長勢監測

數字強省規劃提出，推進種植業數字化、智能化發展，推動衛星遙感、大數據分析等信息技術在大田種植等領域的深度融合應用。基于高分衛星數據，可以通過智能解譯和指數反演技術提取大宗農作物的種植面積和長勢情況。高分山東中心自2018 年開始，連續進行年度山東省小麥種植分布遙感解譯、小麥長勢分析等專題圖生產，為指導農業生產和保障糧食安全提供了重要的數據支撐。圖1 顯示了基于高分一號、高分二號和高分六號的2022 年度小麥種植區域分布和長勢情況，小麥智能提取面積為6003 萬畝，與上一年度相比增加了12 萬畝；基于全省1600 個驗證點數據分析，識別準確率大于93.1%。

圖1 2022 年山東省小麥種植區域分布圖和長勢分析圖

2.高分服務數字水利——河湖監測

數字強省規劃要求推進數字水利建設，提升對河湖水系的智能感知能力，建設“水利一張圖”。高分山東中心自2018 年開始，連續承擔山東省水利部門河湖遙感監測項目，基于高分影像，通過專題圖和平臺（圖2）對省市級河湖劃界岸線利用情況進行定期監測，摸清河湖管理范圍內存在的涉河湖各類違法行為，建立遙感監測問題清單，協助全面核查整治河湖管理范圍內存在的漏查漏報、新增反彈以及整改標準不高等涉河湖各類違法行為。平臺于2019 年上線運行，對山東省境內近2000 條省、市級河道進行監管，為河湖保護和水政執法提供數據基礎，有效服務于山東省河長制、湖長制工作。

圖2 基于高分數據的山東省河湖岸線監測專題圖（左）和系統（右）

3.高分服務數字政府——政府決策與治理

針對數字政府建設，數字強省規劃提出以數據創新應用驅動治理理念、治理手段、治理模式變革，在政府決策、生態治理協同化等方面發揮數據和技術優勢。面向耕地保護需求，高分山東中心建立了耕地違法占監管的智能解譯模型和系統軟件；針對自然資源和國土空間利用治理需求，高分山東中心進行了濱海濕地、城市綠地、土地利用等專題圖制作；針對“實景三維山東”建設需求，提出了基于高程數據和高分影像的三維建模算法；面向森林火災監測預警需求，開發了林火實時監測平臺系統（圖3）。其中，渤海濱海濕地中出現了圍海水面、圍涂養殖和圍涂鹽田等情況，其中圍海水面面積達156.04 km2，圍涂養殖面積達127.91 km2，為濕地保護提供了數據基礎；林火實時監測平臺系統已在縣域示范應用2022 年9 月到10 月間報告火點12 個，核查確認10 個危險火點，對森林防火起到了重要作用。

圖3 山東渤海濱海濕地專題圖（左）和衛星監測森林火點系統圖（右）

4.高分服務生態保護——黑臭水體和水質分析

數字強省規劃針對生態保護提出了構建天地一體的生態環境監測、實現對污染源和生態狀況的感知和監控。高分衛星數據具有多光譜、高光譜的優勢，高分山東中心基于黑臭水體遙感識別算法結合目視解譯，對余姚市河段黑臭水體分布進行了遙感監測（圖4），結果表明，余姚市內水體2821處，總水體面積64.075km2，利用遙感手段獲得黑臭水體848 段，總面積為5.133km2，面積占比為8%；其中黑臭水體以坑塘居多，為644 個，占比為76%；河流數量其次，為193 個，占比為23%。對南四湖葉綠素濃度反演發現，葉綠素濃度較高部分主要分布于南四湖湖畔及河流水道入湖處、湖水流動性較弱區域，造成葉綠素濃度偏高的主要原因為湖畔淡水魚養殖池塘的設立，附近村莊及工廠生活、工業污水由水道向湖水的排放等，造成湖泊水體藻類植物的繁衍與擴散。

圖4 黑臭水體監測（左）和葉綠素濃度反演圖（右）

5.高分服務災害應急——地質災害和海洋災害監測

面向山東省災害應急需求，高分山東中心基于高分等數據開展了地質、海洋等領域的災害調查監測研究，以遙感數據助力山東經濟社會穩定發展（圖5）。山東省地礦資源豐富，采礦導致區域地質環境復雜化，高分山東中心針對濟寧市采煤沉陷區和采煤塌陷地現狀，進行了濟寧市采煤塌陷地動態監管系統數據庫更新，將InSAR 監測結果與高分辨率影像融合，為當地采煤塌陷地治理工作提供了基礎數據支撐；面向山東海洋強省建設需求，針對智慧海洋生態保護連續進行山東沿海滸苔災情監測，圖5 中右圖顯示了滸苔從2022 年6 月初到7 月底的分布區域和面積情況，為海洋旅游和養殖業提供了數據支撐。

圖5 地面沉降監測（左）和滸苔災情監測（右）

6.高分服務數字鄉村建設——美麗鄉村和鄉村治理

山東省數字強省建設提出推動新一代信息技術在農村各領域廣泛深入應用,推進鄉村數字治理，高分山東中心制作了山東省2020 年度美麗鄉村驗收村莊分布圖，對300 個美麗鄉村村莊的空間位置進行了標記，同時輔以高分辨率衛星影像和航拍正射影像，為美麗鄉村建設提供地理數據支撐。針對鄉村振興和鄉村治理中存在的土地利用調查需求，中心對縣域、鎮域進行了土地利用變化圖斑提取，監測非建設用地變為建設用地的區域，圖6 中右圖是基于高分二號衛星影像對梁山縣變化圖斑的監測結果，共提取出197 個變化圖斑，為當地鄉村建設和治理提供了監測數據。

圖6 美麗鄉村村莊分布圖（左）和縣域鄉村建設用地監測結果圖（右）

7.高分服務智慧黃河——黃河安瀾和生態保護

面向國家黃河戰略，山東省制定了《山東省黃河流域生態保護和高質量發展規劃》，并在數字強省規劃中著重提出了“智慧生態黃河”的建設目標，高分山東中心圍繞黃河安瀾、生態保護等方向，以黃河流域山東段“一張圖”為基礎，研發“智慧黃河創新平臺”、黃河三角洲濕地分析專題圖等產品（圖7）。其中，黃河三角洲自然濕地面積近10 年呈現增加趨勢，2021 年較2010年增加364.8km2，自然濕地主要分布于黃河口國家公園。此外，中心創新地將高分影像和黃河流域文化相融合，建立了“高分+文物”“高分+思政課程”的服務模式。

圖7 智慧黃河創新平臺（左）和黃河三角洲濕地分析圖（右）

四、結論與討論

數字中國建設和山東省數字強省建設對高分應用提出了更高的要求，基于高分衛星大數據優勢和以人工智能為核心的空天信息技術的創新研究，高分在山東省建立了服務數字化的山東模式，同時帶動了山東衛星遙感和地理信息產業的發展。在持續助力數字全面賦能經濟社會發展的過程中，高分將在數據統籌、科技創新和應用示范等方面培育新動能，推進高分成為數字中國建設的重要引擎。