高分卫星在山东省数字强省建设中的应用

文|刘振 尚延玲 刘鹍 卢婷 徐涛

1.济南大学（高分辨率对地观测系统山东数据与应用中心）2.日照市自然资源和规划局

一、背景和意义

党的二十大报告指出，要加快建设数字中国，要以信息化培育新动能，用新动能推动新发展。《数字中国建设整体布局规划》指出，要以数字化全面赋能经济社会发展，山东省在《数字山东发展规划（2018—2022 年）》和《山东省“十四五”数字强省建设规划》（以下简称“数字强省规划”）中强调，以大数据、云计算、人工智能等为代表的新一代信息技术蓬勃发展，数字化越来越成为推动山东省经济社会发展的核心驱动力。

山东省位于中国东部沿海、黄河下游，“山水林田湖”资源得天独厚，境内地貌和生态类型多样，地矿、湿地等独具禀赋，黄河流经9 地市入海，7地市与海洋邻接，历史文化源远流长，优秀的地物人文赋予了齐鲁大地巨大的发展潜力。山东省数字化发展前景广阔，目前，山东省正在实施黄河流域生态保护和高质量发展等一系列国家战略，新旧动能转换、乡村振兴、海洋强省等国家和省级战略叠加发力，新基建和新一代信息技术发展成效显著，为山东省数字化发展提供坚实的基础和广阔的发展前景，有力引领和助推着数字强省建设。山东省正加快推动经济社会各领域数字化转型发展，让数字赋能成为驱动高质量发展的强劲引擎。

作为数字技术的重要组成部分，高分在山东省从数据、平台、创新、产品、系统和机制等多个方面发力，不仅以空天信息技术支撑开放共融创新应用，而且为山东省数字水利、数字政府、数字生态、数字社会等多个领域的数字赋能发展提供了重要的数据和技术支撑。特别是在全面落实“努力在发展海洋经济上走在前列”“打造乡村振兴的齐鲁样板”等方面助推山东数字海洋发展、数字农业发展和数字乡村建设，为山东省数字强省建设贡献了高分力量。

二、数字山东建设中的高分应用体系

高分辨率对地观测系统山东数据与应用中心（以下简称“高分山东中心”）于2016 年12 月由国家国防科工局批复设立、山东省工业和信息化厅（省国防科工办）主管，中心依托济南大学、山东省黄河计量研究院进行建设，数据中心设在济南大学。

数字化建设不仅要全面赋能经济社会发展的方方面面，而且要立足区域突出特色。针对数字强省规划，高分山东中心在高分地市机构建设、数据分发服务、高分应用平台建设、智能创新技术研究、应用系统示范推广等方面构建了高分服务数字山东建设的应用体系。

1.组织模式

高分赋能数字化，需要从全省一盘棋的高度出发，整体谋划、一体推动。为让高分数据更好地应用和服务山东省内众多单位和用户，高分山东中心首先从机构建设着手，在日照、烟台、威海、淄博、潍坊、泰安、临沂、德州、聊城、东营、滨州等13个地市设立了高分数据应用中心，形成了“省中心+地市中心”协同推进的高分应用模式。地市中心作为区域高分数据的应用和推广服务方，不仅在高分共性数据和技术在本地区的应用推广方面能够提供高效、及时的服务，而且通过充分挖掘本地区单位和用户的高分需求，做出了特色和成效。地市中心的设立对于打通高分数据、技术和用户之间的鸿沟起到了重要的作用。同时，高分山东中心基于现有省内外卫星遥感和测绘领域的研发应用单位，组建了由70 余家会员单位组成的山东省高分应用产业联盟，形成了产学研用的高分应用服务模式。

2.数据管理服务

为了有效实施高分赋能数字山东建设，高分山东中心研发并部署了山东省高分应用服务平台，高效管理高分数据并面向单位部门和行业用户提供高分卫星数据分发服务。自高分山东中心设立以来，已存档高分系列卫星数据超过70TB，存储处理数据和产品数据近100TB。在数据下载、入库、管理、分发等业务中建立了自动化流程，通过分发系统、移动存储等方式面向政府、科研院所、企事业单位等用户分发数据5 万余景，为数字山东建设提供了高分应用平台和数据支撑。

3.技术创新

高分山东中心充分发挥依托建设单位济南大学在学科和科研方面的优势，为了让高分数据更快更好地服务部门和用户，在基于人工智能的关键核心技术方面开展了系列研究，在遥感目标检测、遥感图像分割、变化检测、高光谱目标分类和高效可视化等算法研究中取得创新成果，相关成果发表在领域内顶级期刊和相关会议，申请和授权发明专利10 项、获得软件著作权20 余项，成果应用产生了良好的社会效益和经济效益，为数字山东建设提供了空间信息新动能驱动。

4.成果和特色应用

数字化赋能重在落地，高分山东中心立足山东，在传统卫星遥感应用领域夯实优势，同时在新兴领域和特色领域做出成效，共研发了面向十大领域的300 余个专题产品案例，部署7 个智能应用系统，不仅在农业、水利、生态保护等传统遥感应用领域发挥了优势和作用，而且以高分融合山东省医养健康大数据平台、高分支持环保文保决胜千里之外等案例在卫健领域和文保领域做出了特色。高分成果在支撑山东省数字水利、数字农业、数字政府、数字社会、数字生态以及智慧黄河、智慧海洋等方面走在前列，为做大做强奠定了坚实基础。

三、高分服务数字山东建设典型案例

高分山东中心基于山东省省情，聚焦“高分+AI”为特色优势的空间信息应用和共性产品开发，同时统筹地市中心和联盟单位资源，聚焦国家和山东省战略，在数字农业、数字水利、数字生态、数字政府以及智慧黄河等领域研发专题产品，有力支撑了山东省数字强省建设。

1.高分服务数字农业——农作物种植分布与长势监测

数字强省规划提出，推进种植业数字化、智能化发展，推动卫星遥感、大数据分析等信息技术在大田种植等领域的深度融合应用。基于高分卫星数据，可以通过智能解译和指数反演技术提取大宗农作物的种植面积和长势情况。高分山东中心自2018 年开始，连续进行年度山东省小麦种植分布遥感解译、小麦长势分析等专题图生产，为指导农业生产和保障粮食安全提供了重要的数据支撑。图1 显示了基于高分一号、高分二号和高分六号的2022 年度小麦种植区域分布和长势情况，小麦智能提取面积为6003 万亩，与上一年度相比增加了12 万亩；基于全省1600 个验证点数据分析，识别准确率大于93.1%。

图1 2022 年山东省小麦种植区域分布图和长势分析图

2.高分服务数字水利——河湖监测

数字强省规划要求推进数字水利建设，提升对河湖水系的智能感知能力，建设“水利一张图”。高分山东中心自2018 年开始，连续承担山东省水利部门河湖遥感监测项目，基于高分影像，通过专题图和平台（图2）对省市级河湖划界岸线利用情况进行定期监测，摸清河湖管理范围内存在的涉河湖各类违法行为，建立遥感监测问题清单，协助全面核查整治河湖管理范围内存在的漏查漏报、新增反弹以及整改标准不高等涉河湖各类违法行为。平台于2019 年上线运行，对山东省境内近2000 条省、市级河道进行监管，为河湖保护和水政执法提供数据基础，有效服务于山东省河长制、湖长制工作。

图2 基于高分数据的山东省河湖岸线监测专题图（左）和系统（右）

3.高分服务数字政府——政府决策与治理

针对数字政府建设，数字强省规划提出以数据创新应用驱动治理理念、治理手段、治理模式变革，在政府决策、生态治理协同化等方面发挥数据和技术优势。面向耕地保护需求，高分山东中心建立了耕地违法占监管的智能解译模型和系统软件；针对自然资源和国土空间利用治理需求，高分山东中心进行了滨海湿地、城市绿地、土地利用等专题图制作；针对“实景三维山东”建设需求，提出了基于高程数据和高分影像的三维建模算法；面向森林火灾监测预警需求，开发了林火实时监测平台系统（图3）。其中，渤海滨海湿地中出现了围海水面、围涂养殖和围涂盐田等情况，其中围海水面面积达156.04 km2，围涂养殖面积达127.91 km2，为湿地保护提供了数据基础；林火实时监测平台系统已在县域示范应用2022 年9 月到10 月间报告火点12 个，核查确认10 个危险火点，对森林防火起到了重要作用。

图3 山东渤海滨海湿地专题图（左）和卫星监测森林火点系统图（右）

4.高分服务生态保护——黑臭水体和水质分析

数字强省规划针对生态保护提出了构建天地一体的生态环境监测、实现对污染源和生态状况的感知和监控。高分卫星数据具有多光谱、高光谱的优势，高分山东中心基于黑臭水体遥感识别算法结合目视解译，对余姚市河段黑臭水体分布进行了遥感监测（图4），结果表明，余姚市内水体2821处，总水体面积64.075km2，利用遥感手段获得黑臭水体848 段，总面积为5.133km2，面积占比为8%；其中黑臭水体以坑塘居多，为644 个，占比为76%；河流数量其次，为193 个，占比为23%。对南四湖叶绿素浓度反演发现，叶绿素浓度较高部分主要分布于南四湖湖畔及河流水道入湖处、湖水流动性较弱区域，造成叶绿素浓度偏高的主要原因为湖畔淡水鱼养殖池塘的设立，附近村庄及工厂生活、工业污水由水道向湖水的排放等，造成湖泊水体藻类植物的繁衍与扩散。

图4 黑臭水体监测（左）和叶绿素浓度反演图（右）

5.高分服务灾害应急——地质灾害和海洋灾害监测

面向山东省灾害应急需求，高分山东中心基于高分等数据开展了地质、海洋等领域的灾害调查监测研究，以遥感数据助力山东经济社会稳定发展（图5）。山东省地矿资源丰富，采矿导致区域地质环境复杂化，高分山东中心针对济宁市采煤沉陷区和采煤塌陷地现状，进行了济宁市采煤塌陷地动态监管系统数据库更新，将InSAR 监测结果与高分辨率影像融合，为当地采煤塌陷地治理工作提供了基础数据支撑；面向山东海洋强省建设需求，针对智慧海洋生态保护连续进行山东沿海浒苔灾情监测，图5 中右图显示了浒苔从2022 年6 月初到7 月底的分布区域和面积情况，为海洋旅游和养殖业提供了数据支撑。

图5 地面沉降监测（左）和浒苔灾情监测（右）

6.高分服务数字乡村建设——美丽乡村和乡村治理

山东省数字强省建设提出推动新一代信息技术在农村各领域广泛深入应用,推进乡村数字治理，高分山东中心制作了山东省2020 年度美丽乡村验收村庄分布图，对300 个美丽乡村村庄的空间位置进行了标记，同时辅以高分辨率卫星影像和航拍正射影像，为美丽乡村建设提供地理数据支撑。针对乡村振兴和乡村治理中存在的土地利用调查需求，中心对县域、镇域进行了土地利用变化图斑提取，监测非建设用地变为建设用地的区域，图6 中右图是基于高分二号卫星影像对梁山县变化图斑的监测结果，共提取出197 个变化图斑，为当地乡村建设和治理提供了监测数据。

图6 美丽乡村村庄分布图（左）和县域乡村建设用地监测结果图（右）

7.高分服务智慧黄河——黄河安澜和生态保护

面向国家黄河战略，山东省制定了《山东省黄河流域生态保护和高质量发展规划》，并在数字强省规划中着重提出了“智慧生态黄河”的建设目标，高分山东中心围绕黄河安澜、生态保护等方向，以黄河流域山东段“一张图”为基础，研发“智慧黄河创新平台”、黄河三角洲湿地分析专题图等产品（图7）。其中，黄河三角洲自然湿地面积近10 年呈现增加趋势，2021 年较2010年增加364.8km2，自然湿地主要分布于黄河口国家公园。此外，中心创新地将高分影像和黄河流域文化相融合，建立了“高分+文物”“高分+思政课程”的服务模式。

图7 智慧黄河创新平台（左）和黄河三角洲湿地分析图（右）

四、结论与讨论

数字中国建设和山东省数字强省建设对高分应用提出了更高的要求，基于高分卫星大数据优势和以人工智能为核心的空天信息技术的创新研究，高分在山东省建立了服务数字化的山东模式，同时带动了山东卫星遥感和地理信息产业的发展。在持续助力数字全面赋能经济社会发展的过程中，高分将在数据统筹、科技创新和应用示范等方面培育新动能，推进高分成为数字中国建设的重要引擎。