一

引言

目前我国在天基、空基、岸基、海基等方面已建成大量基础设施，并在海南、江苏等沿海城市建设无人机基地，采集了大量的海洋数据；但在多基协同和数据融合方面，现有技术手段尚未形成全面的、多维度的海洋协同监测体系，无法满足当前业务应用。因此，需深入分析现有监测技术手段的特点，针对海洋应用要求，提出一种科学合理的天空地海多基协同信息融合的海洋应用模式。

二

海洋多基信息协同应用需求

近年来，经过数字海洋和透明海洋工程的实施，在海洋信息化建设方面取得了丰硕的成果，但仍无法有效支撑海洋强国建设战略和“一带一路”倡议目标的实现，目前主要存在几点不足：

①海洋多源信息获取能力薄弱；

②中远海海洋信息通信传输手段不足；

③海洋多源信息融合应用水平较低，无法在海洋动态监管、防灾减灾等业务中及时获取精细化的海洋信息辅助决策。

1. 海洋多源遥感监测需求

海洋环境复杂、资源丰富，随着人口的增长和陆地非再生资源的大量消耗，开发利用海洋对人类生存与发展的意义日显重要。因此，需利用先进的遥感技术，指导人们科学合理地开发、利用海洋。与常规的调查手段相比，海洋遥感技术具有独特的优点。

1）遥感监测不受地理位置、天气和人为条件限制，可覆盖地理位置偏远、环境条件恶劣的海域及因政治原因无法进行常规调查的海域。

2）遥感监测能提供大面积影像，尤其是天基遥感像幅面积可达上千平方公里，对海洋资源普查、防灾减灾及动态监管都极为有利。

3）天基遥感能周期性地监视大洋环流、海面温度场的变化、鱼群的迁移、污染物的运移等，获取的海洋信息量非常大。

4） 可同步观测风速风向、流速、海洋污染、海浪、海气相互作用等情况。目前，单一遥感监测手段都有其特点，并存在其局限性，主要体现在以下几个方面（见表1）。

2. 海洋多元通信传输需求

常规的海洋通信网络包括海上无线微波通信、卫星通信、基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信以及光缆通信。由于通信制式互不兼容、通信带宽高低不一、中远海覆盖范围存在盲区、缺乏高效统一的管理机制，常规海洋通信网络难以满足我国日益增长的海洋活动需求，成为制约海洋经济发展的瓶颈（见表2）。

3. 多基协同融合应用需求

随着对地观测平台、遥感传感器种类和数量日益丰富，多波段、多极化、多尺度的遥感数据源源不断地产生。如何实现多基多源遥感数据之间的有效融合，从而提高数据利用价值，并从多源融合数据中挖掘出新的海洋关注信息，成为了遥感领域内的一个研究热点。

相比单一数据来源，多源遥感数据融合具有明显优势：

①可提高数据来源的完整性和可靠性；

②提高目标检测和识别的准确性；

③提高变化检测和信息更新的能力。

综上所述，海洋应用需求的快速发展对海洋信息处理提出了更高的要求，从可见光、雷达等单一传感器信号处理向多传感器信息融合方向发展，融合应用天空地海多基多源遥感服务海洋信息化建设是未来的发展方向。

三

多基协同多源融合海洋应用构想

由于目前海洋目标种类繁多、时空分布不均匀、传感器各异、数据差异大，造成多基协同监测难；而海洋用户分布较广、通信需求多样化、通信手段体制/ 频率/ 速率差异大，造成协同通信难；同时海洋多基监测与通信手段时空分布不均匀，形成的数据颗粒度不一致、格式不统一等问题，造成大数据匹配与融合处理难度较大。因此，有必要推动以天空地海多基协同的多源数据融合应用服务于海洋领域。

1. 天空地海多源数据获取技术

卫星遥感作为一种长时间和大范围监测手段，在海洋环境监测中已成功应用，无人机航空遥感近几年迅速发展。在卫星遥感、无人机遥感成熟应用的基础上，急需整合天空地海多基感知前端，涵盖卫星、有人机、无人机、船载终端、多波束、浅底层剖面仪等，将水下信息、海面信息、导航定位信息与天基/ 空基感知信息进行融合应用，详见图1。

2. 卫星遥感与低空遥感协同监测技术

无人机低空遥感精细化快速调查可与卫星遥感大范围观测优势互补，形成立体观测能力，服务于海洋应用领域。

1）在分辨率方面，卫星遥感覆盖范围大，无人机低空遥感以甚高分辨率（优于0.1m）为主，可形成卫星大范围普查+ 无人机精细化详查的作业模式，可在海上应急救援、海洋灾后评估、海岸带监测等业务上广泛应用。

2）在时效性方面，一般情况下，民用卫星按照既定轨道和倾角参数运行，而无人机具备快速灵活的作业能力，因此可在重点关注区域采用无人机低空遥感监测，填补卫星遥感过境空隙，在时效性上与卫星互为补充。

3）在空间性方面，由于海洋上空云量较多、雾气较大，采用可见光传感器进行海洋环境监测时，成像质量易受天气情况影响；而无人机便于低空作业，有效规避海上云雾，避免不良天气对卫星遥感的影响。

综上所述，整合卫星遥感和无人机低空遥感各自在分辨率、时效性、空间性和数据类型等方面的优势，互为补充，可形成有效的天地一体化立体观测能力，服务于海上突发事件应急处置、海洋防灾减灾等领域。

3. 多源遥感数据融合应用技术

海洋目标类型众多，不同的目标对应不同光谱信息，而多源遥感数据光谱信息丰富、覆盖面积大、空间分辨率较高。因此需将单一传感器的多波段信息或不同类别传感器所提供的信息加以综合，消除多传感器之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补；在同一地理坐标系中，把多幅遥感图像数据按照一定的规则，生成一幅更能有效表示该目标的图像信息，从而获取海洋目标的全要素信息。

四

结论与建议

海洋对于通信、导航、遥感信息有着复杂的需求，应以空间信息技术为基础，结合互联网+、云计算、人工智能等前沿技术，建立天空地海多基协同多源融合的海洋应用体系，实现多源多维立体信息感知、广域通信覆盖、多源数据融合应用，为经略海洋、建设海洋强国提供强有力的支撑。随着对地观测手段的日益丰富，海洋领域对多源遥感数据融合的需求越来越多，因此，为满足海洋、国土、水利、环保等领域的需求，需进一步深入研究多基多源信息融合的理论和方法，以下是一些可继续深入研究的方向：

1）深入研究通导遥卫星一体化及与人工智能在轨处理的集成技术；

2）深入研究多源遥感数据的空间融合问题，实现任意遥感数据之间的无缝匹配；

3）针对多源异构的遥感大数据，研究深度学习、迁移学习等新技术手段，探索实现高效数据挖掘，海上动目标精准识别。

来源：《卫星应用》2019年02期

作者：张拯宁 安玉拴