天空多源遥感海上目标识别与监视系统设计与应用

文 | 雷建胜 邓守峰 艾宁义

天津航天中为数据系统科技有限公司

一、引言

我国是海洋大国，海洋经济已成为国民经济增长的重要动力，2021 年全国海洋经济生产总值突破了9 万亿元，而庞大的经济总量背后也对海洋经济建设活动的监管带来巨大压力。同时，由于历史和现实的原因，我国海上安全形势日趋严峻和复杂，以与海上邻国的权益争端为甚，有关国家通过岛屿侵占、油气盗采、非法测绘、非法捕捞、非法闯入等方式频频侵犯我国领海权益，但目前仍缺乏行之有效的管控手段。

针对海洋经济建设活动监管和海上安全保障面临的问题，依托国家重点研发专项“海上目标识别与监视系统集成与应用示范”项目（编号2017YFC1404900），天津航天中为数据系统科技有限公司成立项目组，设计集成了天空多源遥感海上目标识别与监视系统，并在实际业务中验证系统性能。

二、系统架构

天空多源遥感海上目标识别与监视系统以广域海上目标识别与监视业务应用为牵引，整合天空基软硬件资源，形成感知层、通信层、处理层、数据层、应用层，系统框架如图1 所示。

图1 天空多源遥感海上目标识别与监视系统架构

感知层利用高分辨率遥感卫星和无人机形成监测网络，发挥卫星高位监测和无人机灵活机动的互补优势，获取广阔监测区域的遥感影像。

通信层借助卫星通信、微波、4G/5G 等通信手段建立监测现场与指挥中心及业务管理部门的联系，保障空中与地面、前方与后方的稳定通信，保障监测过程中稳定的实时监控和对监测资源的指挥调度。

处理层将获取的遥感影像和监测数据处理成目标识别和监测态势专题产品，同时对数据、任务、人员信息及权限、系统资源等进行增、删、改、查及管理。

数据层主要是目标监视监测过程需要的业务数据库和基础数据库，包括海域海岛权属数据、地理信息数据、目标样本库等，还包括船岸基监测资源及业务部门的支援数据。

应用层为用户开展天空协同任务规划、无人机飞行监控、目标识别与变化检测等任务提供操作接口，同时为与国家海域动态监视监测管理系统、综合业务管理平台、蓝海信息网络综合管控系统等业务平台交互数据提供数据及应用服务接口。

三、系统组成

1. 感知分系统

天空多源遥感感知分系统包括天基感知平台和空基感知平台。

（1） 天基感知平台

天基感知平台以国产高分辨率卫星为主，适时补充国外商业遥感卫星，以多星组合应用的方式实现监测区域卫星遥感影像全覆盖。引入的国产高分辨率卫星资源在传感器类型、分辨率、影像获取周期等方面均具有互补性。

（2） 空基感知平台

空基感知平台由无人机和移动监测平台组成。

无人机包括大中小型固定翼无人机、无人值守无人机、船载无人机，其载荷能力、任务半径、监测目标、适用场景等方面能力具有互补性，具备可见光、红外、SAR、倾斜摄影、搜索雷达等多源监测数据的获取能力，实现近岸、中远海目标监测覆盖。

无人机移动监测平台在车辆中集成通信设备（卫星通信、4G/5G 通信、微波、北斗等）、VPDN 网络设备、视频会议终端、工控机等设备，具有应急通信、指挥调度、现场监视、现场办公、设备储运等功能，是无人机现场监测与后方指挥中心的“信息中转站”。

2. 传输分系统

卫星拍摄的遥感影像由运营单位通过专有链路传输至地面。本系统建设了一条带宽为10Mbit/s 的卫星数据专线，用于从卫星运营单位获取需要的卫星影像。

空基传输分系统在无人机平台、无人机移动监测平台、测控车、无人值守机舱中分别集成了Ku卫星通信、微波通信、4G/5G 等多种通信手段，完成无人机飞行状态、目标监测信息等数据的远程传输。天空基感知与传输拓扑图如图2 所示。

图2 天空基感知与传输拓扑图

3. 数据处理分系统

天空遥感数据处理分系统由天空协同任务规划、无人机飞行监控、固定目标识别与变化检测、移动目标识别与跟踪、数据管理与处理、空基前端快速数据处理等软件组成（图3），分系统受海域管理部门的综合业务管理平台指挥调度。遥感数据处理过程由天空协同任务规划软件驱动，最终数据成果推送至综合业务管理平台。

图3 天空基遥感数据处理分系统组成图

天空协同任务规划软件是天空基遥感数据处理分系统的“门户”，负责与综合业务管理平台对接，完成监测任务和成果数据的上传下达。同时，软件集成了天空协同任务规划算法，推演天基与空基监测资源分配的最优方案，并监控和管理任务全过程。

无人机飞行监控软件和空基前端快速数据处理软件共同完成无人机飞行监控任务。其中，空基前端快速数据处理软件部署在无人机移动监测平台中，完成对异构无人机的协议匹配、现场控制、原始数据管理，并借助无人机移动监测平台的网络和通信设备将监测数据远程传输至无人机飞行监控软件。无人机飞行监控软件部署在指挥中心，接收空基监测现场数据并作为服务端供其他软件调用。

海上移动目标识别与跟踪软件部署在无人机移动监测平台中，软件集成了船舶识别算法，在无人机航拍可见光视频中标记船舶位置，控制吊舱锁定特定目标并持续跟踪。

海上固定目标识别软件集成了岛礁变化检测和海上石油平台识别两种算法，在无人机或卫星遥感影像中完成海上固定目标的识别与变化检测。

数据处理软件和数据管理软件根据任务需要对二三维数据进行拼接、建模、融合等处理，制作数据切片发布至服务端，提供数据存储、检索服务，完成监测数据的远程访问和管理。

四、应用模式

卫星遥感监测覆盖范围广，无人机监测机动灵活、分辨率高，卫星与无人机相互引导、相互补充，实现天空协同监测。

1） 在业务层面，无人机发现异常目标时调度卫星开展更大范围监测；卫星发现异常目标则调度更高分辨率卫星或无人机开展精细化监测。

2） 在应用层面，海上固定目标以卫星和无人机遥感影像为主要监测手段，无人机航拍视频作为应急任务中指挥调度和调查取证手段；海上移动目标以无人机航拍视频为主要监测手段，卫星影像作为辅助手段用于事后调查取证。

3） 在执行层面，天空协同任务规划软件根据任务信息推演遥感卫星过境情况和无人机资源可用性，综合分析遥感覆盖能力，规划调配天空基资源，生成最优监测方案，下发至卫星和无人机监测平台开展协同监测。

图4为天空多源遥感海上目标识别与监视系统工作流程图。

图4 天空多源遥感海上目标识别与监视系统工作流程图

五、应用案例与示范

1. 海南日月人工岛变化检测

日月湾综合旅游度假区是海南重点项目，日月人工岛项目是一项标杆工程，总填海面积97 公顷。其中，月岛填海项目在取得海洋环评批复前即开工建设，2016 年开始围堰，2017 年月岛外部围堰已完全形成，直至中央第三生态环境保护督察组进驻海南省期间月岛才实际停止违法填海行为。2020 年10 月海南省人民政府网公布《海南省贯彻落实中央第三生态环境保护督察组督察报告整改方案》，提出将依法收回月岛项目海域使用权，注销海域使用权证书并完成月岛项目拆除。

2021 年6 月中旬，项目组利用日月湾附近的监视浮标发现月岛上有大型器械多日连续施工，有一部分防波堤被拆除。6 月19 日，项目组利用天空协同任务规划软件创建日月岛监测任务，调度中型固定翼无人机搭载可见光相机开展现场核查，并调取历史卫星影像，最后利用固定目标变化检测软件分别在无人机影像和卫星影像基础上检测了月岛变化。

本次无人机监测获取了日月岛0.1m 分辨率的正射影像，利用固定目标变化检测软件将之与2019年8 月15 日相同分辨率正射影像对比，识别两期影像差异。识别结果表明，2021 年6 月19 日的日月岛较2019 年8 月15 日变化面积为0.14km（图5）。

图5 日月岛变化检测结果（无人机影像）

在2016 年8 月17 日和2021 年5 月18 日的两期高分二号（GF-2）卫星影像（分辨率1m）基础上检测日月岛变化，识别结果表明日月岛变化面积为0.40km（图6）。

图6 日月岛变化检测结果（卫星影像）

2. 船只目标监测

（1） “非法测绘”船只监测示范

2021 年6 月19 日，项目组在海南陵水组织了海上目标识别与监视系统综合示范验证试验，模拟了天空船岸系统对不明船只非法测绘的监视与处置场景：船只异常航线被岸基监测分系统识别为疑似非法测绘行为并触发告警，综合业务管理平台向天空基分系统、电科1 号船基分系统下发抵近监视任务指令。

示范过程中，船载无人机抵达事发海域对目标船只抵近跟踪和调查取证，实时视频传回指挥大厅（图7）。

图7 指挥大厅远程监控示范现场

试验后调取了事发区域的PlanetScope 卫星影像（分辨率3m），展示了试验现场监测船、执法船及可疑目标的态势（图8），作为对违法行为处置的证据。

图8 PlanetScope 卫星对试验现场的监测影像

（2） 船只监测距离示范

2020 年8 月，项目组利用大型固定翼无人机CH-4 搭载光电吊舱、对海搜索雷达和船舶自动识别系统（AIS），在三亚东南海域开展了针对海上船只监测的应用示范。本次应用示范最大飞行高度3000m，最远飞行170km（受空域限制），获取了海面目标船只的身份信息、光学影像、雷达图像等信息，验证了“空基载荷对海上船只（船长30m）目标发现距离不小于50km”“空基系统具备通信半径内的监测视频实时传输能力”等指标。图9 为CH-4 无人机飞行航线和飞行监控界面。

图9 CH-4 无人机监测船只

本次试验过程中海况良好，能见度高。试验以机载AIS 设备为指引，随机选取海面船只作为监测目标，测试可见光和红外影像发现船只的极限距离。影像与AIS 数据对比结果表明：可见光对18m 长船只的最远发现距离为22.8km，红外对53m 长船只的最远发现距离为21.2km。

机载雷达获取多批次目标航迹、距离、位置、速度等信息，在其中选取一条15m 长的船只连续跟踪（批号为844，图10）。监测时机载雷达显示无人机与目标船只的距离为52.36km，AIS 监控系统显示与目标船只的距离为29.17 n mile，约合54.02km，机载雷达与AIS 发现目标的距离相近，二者监测结果相互得到印证。

图10 雷达与AIS 发现目标船只监控界面

六、结束语

认识海洋、经略海洋的基础在于感知海洋。在新的国内和国际形势下，开展我国管辖海域管理对于推动海洋装备自主化创新、保障海洋经济发展、维护海洋权益具有重要意义。以海上目标识别与监视系统集成与应用示范项目为起点，开展我国管辖海域海上目标立体化感知体系建设，持续加快我国管辖海域目标监视技术创新发展和能力建设，并向深海大洋逐步拓展，必将为我国从海洋大国迈向海洋强国发挥重要作用。