基于新一代数字地球的智慧产业应用

2018-10-18航天科工海鹰集团有限公司卫星运营事业部苏晓玉袁鸿翼赵露

卫星应用 2018年9期

● 文|航天科工海鹰集团有限公司卫星运营事业部苏晓玉袁鸿翼赵露

一、引言

党的十九大提出了建设创新型国家、数字中国、智慧社会的战略目标。人民的美好生活需要推动新的科技革命并牵引新的产业变格。当前，我国已初步形成数字化、网络化、智能化、云化为支撑的新型社会活动生态，智慧城市、智慧农业、智慧林业、智慧人防等产业领域正在成为推动产业升级的新引擎。作为战略性、高科技、国家级创新企业，中国航天科工集团有限公司紧跟新一轮科技革命和产业变革发展态势，坚持走中国特色的军民融合发展之路，率先提出智慧产业概念，全面服务社会治理，促进大众民生改善，推动产业升级创新。

基于新一代数字地球卫星运营服务体系，充分利用“大数据、云计算”等先进技术，将通信、导航、遥感等卫星资源与天基互联网、天基物联网信息资源有机融合，支撑智慧产业体系建设，面向农业、林业、人防、城建、应急、海洋等领域，构建智慧产业数据体系、技术体系与产品体系，为政府、行业、社会公众等提供基于天空地立体观测体系的综合信息服务解决方案和系统集成建设，发展具有航天特色的智慧产业。

二、新一代数字地球定义

“数字地球”（Digital Earth）是美国1998年提出的概念，是指通过航天航空对地观测技术、地理空间信息技术、计算机网络通信技术等与地球科学高度综合集成，实现模拟地球发展变化、开展数据共享、支持决策应用等重大目标。

新一代数字地球将实现传统数字地球空间向时空的转变、信息技术（IT）向数据技术（DT）的转变，以及数据信息向智能决策的转变，集成通信、导航、遥感综合应用与多网融合和智能服务，全面面向服务化、定制化、智能化应用的时代。新一代数字地球包括空间维、技术维、应用维3个维度，由六大要素组成，天地组网、时空基准是基础，感知认知、实时共享是服务，智慧互联、智能决策是应用。

1.三个维度

空间维：“数字地球”的数据采集方式向纵深延伸，从地球表面扩展到了空间、海洋，包括深空、深海、两极等地球各个圈层，发展成为包含陆、海、空、天等多维度空间信息，以及各类地球上人、事、物活动数据组成的由数据、算法和模型构建的虚拟地球。

技术维：以“云计算、大数据、人工智能、物联网、移动互联网”等新技术驱动的一种新的数字地球发展形态。

应用维：将数字地球的创新成果全面深度融合应用于军事、社会、经济各领域之中，提升全社会的创新力和生产力，形成更广泛的以数字地球为基础设施和实现工具的军事和经济发展新形态。

2.六大要素

天地组网：无时不达、无处不通的网络是新一代数字地球服务发展的基础。通过天地组网，实现了地球上任何一点的共享访问，实现了一点入网，全网可达通联；一点入网，全网可见服务。

时空基准：通过北斗卫星导航系统提供全球连续统一的导航、定位、授时。同时通过各种星基、地基增强系统提供地球上任何一点分米级、厘米级、毫米级高精度位置服务。

感知认知：通过多种感知手段获取地球地、海、空、天多维空间信息，使得对地球看得清，通过认知手段使得对地球认得准、辨得明。感知认知实现了“不仅看得见，而且认得准 ” 。

实时共享：通过综合军民商等多种遥感资源，实现遥感数据综合观测、快速传输、快速处理、快速分发和共享服务，信息的采集将更加实时化，达到所见即所得的近乎实时的“直播地球”服务。

智慧物联：新一代数字地球为物联网应用提供了应用支撑，使得地球上人、事、物互联互通，使得人类以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到智慧的状态，从而构建更加智慧的地球。

智能决策：新一代数字地球就是全面深度融合于军事、社会、经济各领域之中，提升全社会的创新力和生产力，助力各行各业智能化应用，极大提高资源利用效率和生产水平。

三、基于新一代数字地球的智慧产业建设内容

1.智慧产业内涵

智慧产业是指数字化、网络化、信息化、自动化程度较高的产业，是智力密集型、技术密集型产业，而不再是劳动密集型的产业。智慧产业是以现实物理世界为基础，以数据、信息、知识资源为支撑，利用信息处理技术对各种事物进行深入的智慧分析提炼而实现具有较为完善的感知、认知、学习、成长、创新、决策、调控能力和行为意识的新型产业体系。

智慧产业是新一代数字地球服务体系与传统产业、产品制造业和服务业全方位深度融合所形成的产业和应用生态，智慧产业是新一代数字地球面向传统产业领域应用，是“云计算、大数据、人工智能”等新技术推动应用的新发展形态，是“新一代数字地球”天地组网、时空基准、感知认知、实时地球、智慧物联、智能决策在各产业领域的应用体现。

2.智慧产业的数据体系

基于天空地立体观测体系，进行天地组网，建立统一的时空基准，实现全球、全天候、全天时、全方位的数据获取与传输，对实时、海量、多源数据进行有效存储，并对数据进行清洗、分类、分析，面向产业应用，提供数据服务，形成从“数据获取-数据传输-数据存储-数据处理-数据分析-数据服务”的数据体系。围绕智慧产业发展过程中的数据产品、数据工程、数据标准规范和数据安全保密等方面进行体系建设。

3.智慧产业的技术体系

为推动智慧产业发展，基于新一代数字地球与智慧产业的技术体系建立“四横两纵”的智慧产业技术架构，实现对海量多源数据全生命周期的组织管理、共享服务和综合应用，解决产业发展过程中数据的大吞吐量、高并发性、方便兼容的问题。“四横”指资源层、数据层、服务层和应用层。“两纵”指政策法规与标准规范体系和安全保障体系（图1）。

图1 智慧产业技术架构图

应用层主要由应用支撑层与面向服务的应用层组成。应用支撑层支持移动端、桌面端、浏览器端和嵌入端等多种终端模式。面向服务的应用层将面向智慧农业、智慧林业、智慧交通、智慧海洋等智慧领域提供应用服务。

服务层采用SOA架构设计，基于遥感大数据服务云平台、高精度位置服务云平台、天基通信服务云平台提供统一标准的网络服务，实现数据服务、信息服务、软件服务、知识服务，为业务系统提供支撑保证了系统的灵活性，未来新增的业务系统可非常方便地获取或访问系统数据，又屏蔽底端业务的复杂性。

数据层主要实现对导航数据、通信数据、遥感数据进行组织、管理、挖掘和分析功能。利用统一时空基准、统一网格编码方式，按照瓦片金字塔方式进行组织管理，利用元数据空间快速索引，提供上层应用与服务各类空间信息资源的高效访问。

资源层主要包括通信、导航、遥感卫星群、地面测运控站及信关站、地面应用中心等天基感知资源和地面系统，以及支持系统运行的计算存储、资源调度、通信网络等软硬件基础设施。为了保证系统的强大的计算能力、灵活性及可扩展性，该系统底层采用云管理平台支撑。

两纵主要由政策法规与标准规范体系和安全保障体系组成，通过梳理智慧产业中数据指标体系，建立智慧产业的数据标准、技术标准和管理标准；在安全保障体系方面，建立涵盖物理安全、网络安全、应用安全、数据安全、管理安全的数据安全服务体系。

4.智慧产业的产品体系

（1）时空大数据平台

基于统一的时空基准框架，集成位置感知数据、多媒体感知数据、遥感感知数据，实现在“天、空、地”三个层面上的数据采集与集成能力，将4D空间数据、基础空间数据、音视频等时空多媒体数据与农、林、环保、城建等业务数据进行无缝融合，完成多源时空大数据的资源统一汇集、高效存储与管理、智能空间分析与可视化、精准的空间统计与挖掘，为智慧产业时空大数据的服务和应用提供数据保障。

（2）共享云服务平台

共享云服务平台基于SOA架构理念设计，提供统一标准的网络服务，为业务系统提供支撑，提供统一资源标准规范，满足智慧产业领域各类用户对信息的共性和个性需求，具备通用性和可扩展性，推动智慧产业各类信息资源有序共享和互联互通互操作。遵循地理空间联盟（OGC）的服务标准，提供包括WMS（Web地图服务）、WFS（Web要素服务）、WFS-G（地名地址服务）等，以及影像数据服务、三维数据服务、时态数据服务、知识服务、功能服务及基础设施服务。

（3）多种终端综合应用平台

采用“云+端”的时空大数据服务模式，提供桌面端、浏览器端、移动端及嵌入端等多类终端信息应用支撑平台，为智慧产业不同领域提供时空大数据可视化、快速的空间分析、精准的空间统计与挖掘等功能应用。

四、基于新一代数字地球的智慧产业应用

1.智慧农业

在智慧农业方面，以新一代数字地球为基础，依托部署在农业生产现场的各种传感节点和无线通信网络，建立智慧农业大数据平台，集信息采集、信息发布、动态监测、分析决策与空间信息管理为一体，可直观、形象、动态显示农业数据资源的空间分布状况，对农业农村信息进行综合管理和地图展示。智慧农业大数据平台实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策，最终实现农业的现代化和可持续发展的新兴产业。通过发展智慧农业，使土地得到科学利用，节省时间和资源，提高工作效率，最大限度降低成本。

2.智慧林业

在智慧林业方面，基于新一代数字地球的“天地组网”“感知认知”，在林区实现无线宽带网络无缝覆盖，加强各种智能传感设备在林区布设，建立智慧林业大数据平台，实现森林资源数据的整合及二三维一体化管理。叠加营造林管理、公益林区划界定、森林采伐管理、森林有害生物防治、林地保护管理、林业重点工程管理、湿地公园管理、沙化治理管理、古树名木管理等所有林业业务数据，建立“林业一张图”，实现公共基础数据、林业基础数据、林业专题数据与林业综合数据多属性、多层次的整合。基于“林业一张图”，借助网络对外发布地图成果，以二维数据和三维数据的方式实现“林业一张图”集成展示，统一管理多源、海量的数据，全方位服务于森林资源管理的各个环节，实现多期影像数据的图层对比，为森林资源管理部门和林业各部门提供资源业务信息服务，为领导决策提供支持服务以及为各个业务人员提供数据和应用支撑服务。

3.智慧人防

在智慧人防方面，基于新一代数字地球，建立人防大数据管理系统和电子沙盘系统，在统一时空基准、统一地图投影、统一地理格网框架下，对基础空间数据、人防综合信息数据、人防军标符号库、人防工程信息数据等进行整合及统一管理，并采用二三维GIS技术、虚拟显示技术，实现人防工程、工程内部设备设施、感知与监控设备等业务数据基于高分辨率地理影像的集成展示与查询、定位等功能，同时可接入实时监测、视频数据，从而实现人防工程可视化、实景化展示，对疏散地域的地理环境和重要目标具体位置与周边环境进行统筹分析等，为人民防空行动与实施提供态势感知、破坏评估、辅助决策支持，提高城市人防在防空袭、防灾害、防事故、防恐怖袭击方面的能力，使其战时发挥战备效益，平时积极发挥经济效益和社会效益。

4.智慧城建

在智慧城建方面，基于新一代数字地球，以综合管廊、轨道交通、管线、海绵城市、地质水文环境等地下空间业务应用为建设重点突破口，搭建“统一标准、统一架构、统一应用”的城建空间数据服务平台，实现城建领域空间信息的集中统一管理、信息共享、数据分析与挖掘，为全面、准确地掌握城市基础设施建设的现状、规划、建设等提供空间数据网络应用服务，为政府宏观决策提供准确翔实的数据，为城市规划管理和城市建设提供信息服务，为地下管网管廊的应急维修处置、地下轨道交通的合理规划与建设、地下人防工程的维修与维护等城市基础设施建设建立从数据到信息到知识的服务。

5.智慧应急

在智慧应急方面，基于新一代数字地球，根据应急管理部新的组织架构特点、业务融合模式，建设新一代智慧应急平台，提供从数据整合、业务整合、系统整合、协同整合的一体化解决方案。智慧应急平台采用“一张图”模式，建立基于地理信息系统的城市风险“一张图”，对基础地理信息和专业部门的风险隐患、防护目标、队伍、物资等数据进行空间化整合，结合云计算、物联网、大数据、北斗导航等先进技术，提升应急系统的智能辅助水平，提升应急管理效率。创建智慧应急平台“一张网”，由已自建的政务专网、集群通信网、基于租用运营商光纤通道或者通信网络之上构建的虚拟政务专网、卫星应急专网、可临时现场开通的移动应急通信网组成。确保在全国范围内任何地方出现应急事故，均能实现各级指挥中心与现场的音视频及数据通信，实现对应急事件的高效指挥。

6.智慧海洋

基于新一代数字地球，围绕“海洋强国”的体系方针，以“创新、协调、绿色、开放、共享”为设计理念，建设我国智慧海洋业务整合系统。将新一代全面感知技术与海洋装备相结合，实现管辖海空域的多维信息感知、立体监测，为综合管控和应急决策提供数据基础。在空中、海面、水底形成整套立体感知网，全面掌握实时探测信息、环境信息等，并对数据信息进行建库存档。采用各类宽带有线、无线网络技术实现智慧海洋中物与物、人与物、人与人的全面互联、互通、互动，构建空天、海面、海底一体的广域通信网络，有机整合各类感知手段获取的海洋信息，并实现信息资源的可靠传输、全面及时的共享、信息的双边交换，为用户提供跨网透明传输、自适应格式转换等。运用云计算、高性能并行计算、机器学习等技术，打造一套面向海洋公共信息服务和海洋行业专用信息服务的一体化信息服务平台，实现海量海洋信息数据的共享、建模分析、态势预测，为政府、军事、政治、经济、民众用户等提供个性化定制的服务平台，服务于科学高效的决策支持和智能化应急响应机制。

五、关键技术

1.时空大数据综合可视化技术

面对海量的多源数据，已经无法通过人工分析的方法得以深刻理解并进一步形成正确的概念和看法，通过可视化技术可以帮助用户直观地展示和理解空间大数据。数据可视化技术凭借计算机的巨大处理能力及计算机图像和图形学基本算法以及可视化算法把海量的数据转换为静态或动态图像或图形呈现在人们的面前，并允许通过交互手段控制数据的抽取和画面的显示，为人们分析、理解数据、形成概念、查询信息提供了强有力的手段。