高分辨率遙感林業應用技術與服務平臺設計與應用

文|李增元 高志海 張煜星 陳爾學 張旭 覃先林夏朝宗 李曉松 凌成星 李崇貴 李凡

1.中國林業科學研究院資源信息研究所

2.國家林業局調查規劃設計院

3.中國科學院空天信息創新研究院

4.可持續發展大數據國家研究中心

5.西安科技大學

一、研究背景

林業在維護生態平衡中起著決定性作用，特別是森林具有巨大的固碳功能，在應對氣候變化、維護生態安全中發揮著特殊作用。重大林業生態工程的實施對保護我國的森林資源、改善生態環境發揮了重要的作用。為了科學評價森林可持續經營與林業生態可持續發展狀況和水平，急需科學、翔實和連續的監測和評價數據支持。林業監測業務的發展對高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數據和處理技術的需求與日劇增，如森林資源二類調查、林業生態工程等監測需要米級或亞米級空間分辨率遙感數據支持[1-2]。由于缺少自主的高分辨率遙感數據，目前林業調查和監測主要依賴國外數據源，這些數據價格昂貴，衛星的數據獲取能力也十分有限，很難滿足林業調查和監測主體業務的應用需求[3]。服務于林業調查和監測的海量遙感數據處理、專題信息提取和產品生產技術以及高分辨率遙感應用系統的缺乏是制約高分辨率遙感林業業務化應用的主要障礙[4-5]。

本平臺依托高分辨率對地觀測系統國家重大科技專項（簡稱高分專項）以及國家其他科技和產業化專項的支持，針對我國森林資源調查、濕地監測、荒漠化監測、林業生態工程監測和森林災害監測等主要林業調查和監測業務對高分的應用需求，利用多源遙感協同、多尺度遙感建模、機器學習與空間定量分析相結合的方法，研究解決高分辨率遙感林業調查和監測應用關鍵技術，制定高分辨率遙感林業應用的相關標準規范，形成滿足我國林業監測業務需求的高分遙感林業應用技術體系；研制和集成云架構下的海量遙感數據管理、高性能集群遙感數據并行處理和面向服務的林業應用專題產品自動化生產等技術，建設高分林業遙感應用服務平臺和應用系統，實現高分林業應用專題產品生產、共享與服務，并開展應用示范和推廣。高分辨率林業遙感應用技術體系和應用系統的建立，不但可滿足林業調查和監測業務對高分遙感數據和產品的需求，而且對優化林業調查和監測技術流程、提升林業調查和監測的智能化和自動化水平均具有重要的現實意義。

二、平臺技術路線

高分林業遙感應用服務平臺具備高分及專題數據的海量存儲與管理能力，具有完全自動化的并行預處理生產線，以及半自動化的專題應用產品生產線。對內為森林資源調查、濕地資源監測、荒漠化監測、林業生態工程監測、森林災害監測等應用提供支撐，對外通過高分專網從中國資源衛星應用中心（高分數據中心）和自然資源部國土衛星遙感應用中心獲取所需的高分遙感影像數據，通過林業專網和因特網將林業遙感應用產品共享分發至相關林草行業用戶。圖1 為高分辨率遙感林業應用技術與服務平臺技術路線圖。

圖1 高分辨率遙感林業應用技術與服務平臺技術路線圖

高分辨率遙感林業應用技術與服務平臺包括9 個子系統，分別是通用支撐服務子系統、數據資源管理子系統、計算資源管理子系統、開發域協同管理子系統、應用系統管理子系統、接口與界面管理子系統、高分林業遙感預處理子系統、應用數據庫管理子系統、林業高分產品共享與分發子系統等。圖2 為高分林業遙感應用服務平臺登錄界面。

圖2 高分林業遙感應用服務平臺登錄界面

針對國家級、省級、區域或縣級對森林資源調查、濕地資源調查與監測、荒漠化監測、林業生態工程監測、森林災害監測等應用領域的不同需求，平臺集成了5 個林草行業應用子系統，分別是：高分森林資源調查應用示范子系統、高分濕地監測應用示范子系統、高分荒漠化監測應用示范子系統、高分林業生態工程監測應用示范子系統、高分森林災害監測應用示范子系統。圖3 為高分森林資源調查應用示范子系統界面。

圖3 高分森林資源調查應用示范子系統界面

三、平臺設計能力

1.平臺硬件條件設計

針對海量高分遙感數據處理和林業應用服務業務需求[6]，創新了云架構下資源協同管理和林業專題產品生產流程定制技術，實現了高分林業遙感應用平臺的高效穩定運行和按需服務。

該平臺具有PB 級的數據存儲能力，計算節點數達 48 個，集群的計算能力大于 5T flops，數據日處理和專題產品日生產能力均達到 0.2TB。平臺具備 200 個并發用戶同時使用的能力，支持國產高分辨率衛星數據的批量化和自動化輻射校正、幾何校正和正射校正處理，實現了高分遙感數據并行處理和遠程多客戶端的同步操作運行，以及專題產品的網絡發布與共享，面向全林業行業開放應用。

2.平臺專題產品生產設計

平臺提供專題產品生產能力，省級專題產品包括：森林類型分布圖、森林資源年度監測報告、森林分布圖；區域級專題產品包括：荒漠化程度現狀圖、濕地類型分布圖、濕地植被類型分布圖、濕地動態變化分布圖、濕地區域洪泛受災區結果圖、火情監測分布圖、區域災害分布圖、“一帶一路”國內區域濕地分布圖、沙地喬木疏林（榆樹和樟子松等）空間分布圖；縣級專題產品包括：縣級森林蓄積量分布圖、縣級森林類型制圖、小班地類信息變化更新圖、沙化土地類型分布圖、植被覆蓋度分布圖、荒漠化程度現狀圖、退耕還林工程造林地塊分布圖、退耕還林工程造林成林分布圖、天然林保護工程森林分布圖和工程區森林變化分布圖、退耕還林工程區森林分布圖、退耕還林工程區森林變化分布圖、變色立木分布圖、森林蓄積量分布圖、森林動態變化分布圖、稀疏植被葉面積指數分布圖、稀疏植被凈初級生產力分布圖、森林長勢分布圖、優勢樹種分布圖、典型森林火災燃燒蔓延監測圖和典型森林火災損失評估圖。

平臺集成了森林類型分布圖、森林資源年度監測報告、荒漠化程度現狀圖、濕地植被類型分布圖等32 種林業應用專題信息產品服務，為包括國家林業和草原局資源司、國家林業和草原局濕地保護管理中心、黑龍江省林業監測規劃院、黑龍江省大興安嶺規劃設計院等24 家國內相關業務部門提供了產品服務。

平臺現已分發高分一號（GF-1）衛星數據69409 景，高分二號（GF-2）數據20257 景，高分三號（GF-3）數據457 景，高分四號（GF-4）數據743 景，高分五號（GF-5）數據21 景，高分六號（GF-6）數據709 景，高分七號（GF-7）數據302 景，共支持18 家單位19 類日常業務。

四、平臺創新點與先進性

1.主要創新點

（1）高分林業遙感應用服務平臺構建與協同管理技術

創新性地提出并實現了以域為單元的平臺資源管理模式，通過平臺域邏輯分組、虛擬化應用程序、平臺與虛擬化集群交互、存儲權限控制等技術，為每個高分林業應用專題提供獨立的虛擬環境，包括共享存儲空間、虛擬資源、數據資源、計算資源等。改進了高性能、高可靠、高可用的 NAS 統一存儲平臺，解決了多業務間數據資源和計算資源共享與協同管理的技術瓶頸，滿足了海量高分遙感數據處理、管理和服務中對大容量、高 I/O 帶寬和高系統擴展性的要求。

（2）高分林業遙感專題產品生產流程定制與按需服務技術

突破多語言自動服務封裝、可視化服務編排和算法服務資源組合，特定流程的并行化和虛擬化應用與平臺交互等技術，實現了海量高分數據從接收入庫、預處理、林業專題產品流程化生產到業務化應用的全過程控制管理。通過協同調度和外部訂單響應技術實現了高分林業遙感專題產品定向定制生產和普適化按需服務。

（3）研制了 21 種高分林業專題產品生產線

本平臺集成構建了森林資源調查等 5 大專題應用系統，支撐了高分林業專題產品的業務化生產和應用，利用高分遙感林業應用關鍵技術研究成果，研制了面向不同林業調查和監測業務應用的系列專題產品生產技術流程；開發了服務于高分森林資源調查、濕地資源監測、荒漠化監測、林業生態工程監測和森林災害監測應用模塊 14 個，構建了高分森林資源調查、高分濕地資源監測、高分荒漠化監測評價、高分林業生態工程監測、高分森林災害監測等 5 個專題應用系統，通過與平臺集成形成了 21種專題產品的生產線，實現了高分林業專題應用產品的定制化生產，提高了林業調查和監測的效率，支撐了我國新一代林業調查和監測業務。

2.技術先進性

本平臺首次建立了基于云架構的高分林業遙感應用系統，采用基于云構架的資源協同管理和林業專題產品生產流程定制技術，實現了高分遙感數據并行處理和遠程多客戶端的同步操作運行，以及專題產品的網絡發布與共享。通過平臺的建設使得森林、濕地和沙化土地高分遙感精細分類精度均達85% 以上，大區域遙感監測精度普遍提高了5% ～10%；森林蓄積量遙感定量估測精度達75% 以上，沙地稀疏植被覆蓋度估測精度達 85% 以上；平臺面向全林業行業開放應用，服務時效保障率達90% 以上。該項成果獲得了2018 年國家科技進步獎二等獎、中國地理信息產業協會（國家測繪地理信息局）“2017 地理信息科技進步獎”一等獎、“2017 中國林業科學研究院重大科技成果獎”（排名第一）。

五、平臺應用

隨著自主高分衛星的先后發射，該平臺形成的關鍵技術成果和高分林業應用專題產品逐步在林地年度變更調查、森林資源規劃設計調查、濕地資源調查、荒漠化和沙化土地監測、林業生態工程監測、森林火災監測等林業調查和監測業務中得到整體應用，拓展到全國森林資源清查、林地征占用檢查、石漠化監測、森林病蟲害監測等林業調查與監測業務。截至目前，共向國家林業和草原局華東林業調查規劃設計院等 60 多家林業調查規劃設計和管理單位分發高分數據 20 多萬景，生產和分發高分共性處理產品和林業專題監測產品 25 種（部分結果如圖4、5、6、7 所示）。應用成果在全國“三個系統一個多樣性”保護、建設與管理工作中產生了巨大輻射作用，為大規模國土綠化、森林質量提升、自然保護區、森林和濕地公園等林業重大規劃、設計和評估提供了實時精準的技術和產品支撐。

圖4 黑龍江省森林類型分布圖

圖5 黑龍江涼水林區小班蓄積量遙感估測

圖6 渾善達克沙地分類結果

圖7 三峽庫區森林資源分布圖

成果直接應用于森林資源、濕地資源、荒漠化/ 沙化土地、林業生態工程、森林火災和病蟲害等的調查監測工作，促進了自主高分遙感數據在林業資源調查監測、監督管理和資產評估中的廣泛應用，提高了行業的遙感技術應用水平，提升了林業調查的科技含量。應用成果為加快推進生態保護和修復，構筑生態安全屏障、筑牢綠水青山的宏觀決策和管理提供了科學依據，對支撐“一帶一路”倡議、京津冀協同發展、長江經濟帶、鄉村振興等國家戰略實施，促進綠色發展，建設生態文明和美麗中國，應對氣候變化等都具有重大意義。