学术交流▏遥感应用技术发展趋势之我见

自1972年美国实施地球资源卫星计划以来，卫星遥感技术在全球范围内迅猛发展，新的遥感平台陆续升空，遥感仪器不断更新换代。至今世界各主要发达国家和少数发展中国家，包括我国、印度等先后发射的遥感卫星数以千计，仍正常在太空作业的主要遥感卫星还有百余颗，作业波段覆盖可见光至不可见光的近红外、短波红外、中红外、远红外、微波等广阔频域，全球的对地观测与服务能力逐渐加强。自1999年美国太空成像公司发射世界首颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS以来，一度披着神秘面纱的高分辨率卫星影像日益为普通百姓所熟悉，而且正在成为人们生活的一部分。高分辨率遥感卫星所带来的巨大军事与经济效益，引起全球民用与军事应用领域的高度重视，出现了各国竞相研究开发高分辨率遥感卫星及其应用技术的热潮。目前，在轨运行的各种高分辨率遥感卫星有十多颗，未来五年内计划发射的卫星也有数十颗，一些中小国家或地区，如韩国、中国台湾、以色列等，也已纷纷发射了自己的高分卫星，可见在这一技术领域的竞争将变得日益激烈。卫星遥感数据的未来趋势必然是数据来源越来越多、数据分辨率越来越高、数据服务越来越稳定；影像数据资源的日益丰富将极大地促进其应用领域的扩展，在军事与民用领域都具有十分广阔的应用潜力。遥感技术的应用趋势可从应用技术、模式和领域等方面分别阐述。

一、应用技术不断改进

纵观遥感近年来的发展，总的看来，当前遥感仍处于从实验阶段向生产型和商业化过渡的阶段，在其实时监测处理能力、观测精度及定量化水平，以及遥感信息机理、应用模型建立等方面的技术在不断提高，具体表现如下：⒈ 遥感信息定量化遥感信息定量化，建立地球系统科学信息系统，实现全球观测海量数据的定量管理、分析与预测、模拟是遥感当前重要的发展方向之一。遥感技术的发展，最终目标是解决实际应用问题。仅靠目视解译和常规的计算机数据统计方法来分析遥感数据，精度有限，应用效率相对低，寻找应用的新突破口也非常困难。尤其对多时相、多遥感器、多平台、多光谱波段遥感数据的复合研究中，问题更为突出。遥感器在数据获取时，受到诸多因素的影响，譬如，仪器老化、大气影响、双向反射、地形因素及几何配准等，使其获取的遥感信息中带有一定的非目标地物的成像信息，再加上地面同一地物在不同时间内辐射亮度随太阳高度角变化而变化，获得的数据预处理精度达不到定量分析的高度，致使遥感数据定量分析专题应用模型得不到高质量的数据作输入参数而无法推广。GIS的实现和发展及全球变化研究更需要遥感信息的定量化，遥感信息定量化研究在当前遥感发展中具有牵一发而动全局的作用，因而是当前遥感发展的前沿。

图1利用MODIS数据进行海温反演（左：MODIS原始数据；右：反演结果）⒉ 几何定位精确化由于遥感传感器、遥感平台以及地球本身等方面的原因，遥感图像存在不可避免的几何畸变，即图像像元在图像中的坐标与其在地图坐标系等参考系统的坐标之间存在差异，而仅仅经过系统粗校正的遥感图像不能消除所有畸变，无法满足人们应用和研究的需求。遥感图像几何校正（Geometric Correction）就是要校正成像过程中所造成的各种畸变,产生一幅符合某种地图投影或图形表达要求的新图像。遥感图像的几何校正是遥感信息处理中一个十分重要的环节。目前几何校正一般是通过建立纠正变换函数实现。其大概思想是用纠正函数来建立影像坐标和地面或者地图坐标间的数学关系，即输入影像和输出影像间的坐标变换关系。而不同的数学模型采用不同的纠正方法，一般常用的是多项式法、共线方程法等。纠正变换函数中有关的系数，可以利用控制点数据解算，也可以利用卫星轨道参数、传感器姿态参数、航空影像的内外方位元素等来直接构成。随着现代惯性测量装置(IMU)及全球定位系统(GPS)技术的发展，在飞行过程中，扫描图像的同时，可以记录航天器的姿态、运动轨迹、位置等信息，提供了利用共线方程进行精确地几何校正的参数。在国外，基于POS/DG系统的航空遥感几何校正己逐渐形成一项成熟的技术，POS/DG数据含有高精度的位置和姿态信息，航空成像时高光谱图像的每一行都拥有自己的 POS/DG记录。利用经度、纬度、海拔、侧翻角和俯仰角等参数可计算出每个像元的地面实际坐标，最后对原始图像像元进行重采样得到校正图像。在国内由于没有POS/DG系统，限制了该项技术的发展，目前国内还没有人进行该技术的研究和应用。⒊ 信息提取智能化影像识别和影像知识挖掘的智能化是遥感数据自动处理研究的重大突破：遥感数据处理工具不仅可以自动进行各种定标处理，而且可以自动或半自动提取道路，建筑物等人工建筑。目前的商业化遥感处理软件朝着这个方向发展，国外的如ERDAS的面向对象的信息提取模块Feature Analyst、ENVI的流程化图像特征提取模块FX和德国的易康（eCognition），国内的如北京航天宏图信息技术股份有限公司研制的PIE遥感软件，将多年来积累的各个行业的信息提取算法分类为多套信息提取组件包，为行业用户提供信息提取服务。

图2利用PIE智能化提取水体（左：原始影像；中：常规水体指数提取结果；右：PIE提取结果）

二、应用模式不断创新

卫星传感器迅速发展的今天，短周期内获得高质量、大范围的影像已经变得越来越容易。如国产环境资源一号02C和资源三号卫星3-5天就可以对同一地区重复拍摄，获取一景优于3米分辨率、覆盖面积超过2500多平方公里的影像。有了类似这样高重返周期的数据源，准实时的卫星监测项目便能得以开展：如大范围内火点监测、环境事件监测、应急事件监测以及农业估产等。这就对遥感图像处理和分析的工作提出了新的要求：即在很少人工干预的情况下，能快速、高效地完成复杂的工作流，顺利开展遥感应用等。遥感图像处理软件一直以桌面系统为主，如国外的ENVI、ERDAS、PCI以及国内的PIE等；当数据量逐渐增大时，可以采用企业级构架（SOA）管理影像，基于并行运算和GPU计算技术，通过C/S模式进行影像分析，如国外的PF、GXL等；随着IT技术的发展，将IT技术引入遥感领域，通过浏览器实现影像分析，即遥感云服务。遥感云服务是基于云计算的技术，整合各种遥感信息和技术资源，通过互联网以按需共享的方式提供遥感应用服务。遥感云服务平台的运营商和信息服务商，定期通过各类遥感平台采集所需的遥感数据，通过数据和信息加工处理生产线，结合业务数据，制作针对不同业务的各种标准数据和信息产品，进入遥感数据和信息产品数据库，通过综合遥感信息服务平台进行发布；在信息产品和平台服务基础上，为用户提供针对各种应用问题的解决方案和相应的SaaS应用软件工具，以云模式支持各部门用户的各类业务应用。遥感云服务具有以下特点：①无需事先购买，需要时马上可以使用所需的遥感数据、硬件设备、处理软件和解决方案。②按需使用、即用即付，只需支付实际使用的资源，避免硬件、软件和其它服务的不必要开销。③满足应急或高峰期的存储和计算需求，避免不必要的资源闲置。④减少技术支持、系统安装、升级、维护所产生的人力和费用。⑤获得更强大、更可靠、更高效的系统资源和应用环境。⑥可以从更多的遥感数据和遥感软件中选择或组合应用，也可以根据需要使用多种不同的应用环境。遥感云服务平台可以使遥感数据与技术成为可以随时随地按需使用的空间信息基础设施，用户无需购买数据、软件和昂贵的计算机设备，就可以方便经济地使用遥感信息，可以极大地降低遥感在成本、技术、设备、维护诸方面的门槛，推动遥感信息在各层面普及应用。在国外，美国的国家地理空间情报局NGA（2013-2017）战略和美国国家航天局NASA:The Earth Observing System Data and Information System(EOSDIS)项目都采用的云遥感解决方案，这些应用程序提供实时访问地理空间情报的处理和挖掘功能，能够快速准确的响应关键情报问题。美国ESRI公司的ArcGIS Online是一个面向全球用户的公有云GIS平台，是一种全新的GIS软件应用模式，为用户提供了按需的、安全的、可配置的GIS服务，包括遥感云服务。ENVI Services Engine（简称ESE）是Exelis VIS公司最新推出的云遥感服务解决方案，ESE是以服务方式部署遥感功能，即以Web Service 形式存在的IDL和ENVI在云端处理，客户端可以在线、按需（on-line，on-demand）请求遥感服务。在国内，超图云是基于SuperMap GIS平台软件和云计算技术构建，面向GIS平台软件客户和行业应用客户提供专业的地理数据服务、云GIS平台服务以及行业应用服务，同时通过地图汇提供大众化的在线地图绘制和地理分析服务。遥感集市云服务平台，由中科遥感集团与中国资源卫星应用中心联合发布，构建“数据、软件、设施、开发一体化协同服务”遥感产业生态圈，以及搭建遥感行业的生态体系，进行大数据积累和挖掘分析，整合遥感上、中、下游全行业产业链。北京航天宏图信息技术股份有限公司基于OPENSTACK开源体系，研制了PIE-CLOUD中国遥感云平台产品，已成功为多个行业部门提供了遥感私有云服务解决方案。

图3基于PIE-Stack构建业务服务云平台

三、应用领域不断拓展

随着卫星遥感应用技术的不断改进，应用模式的不断创新，卫星遥感的业务化应用日趋成熟，国际化应用监测已成为当今热点，遥感卫星已广泛应用于气象、农业、灾害监测、国土、环境保护、林业、海洋、测绘等多个方面；此外，影像的价格持续下降，甚至可以免费获取，这使得遥感应用范围进一步扩大，很多在原来被认为与遥感不相关的行业，也提出了大量的遥感用需求，如交通、统计、卫生、清洁能源等。在公众领域，遥感数据已成为传统地图数据的有利补充，在互联网以及移动互联网上为公众提供空间位置服务。因此，遥感应用正在逐渐由科学应用向大众化应用转变。

图4  遥感应用领域

【作者补记】本人虽已做了十年遥感软件及遥感应用，但总觉自己还是这个领域里的小学生，从未敢公开发表过文字，怕这些年积累的一点“学问”在字里行间中被暴露无遗，被同行笑话不思进取。此次与溪流先生在网络相识并相见，虽年岁相差不少，但一见如故，觥筹交错间聊个没完。应老大哥盛情约稿，我便把这几年工作体会拉出几条提纲，并在四处扒了些素材来填充，形成了这么一稿。可怜文笔拙劣，请各位老师批评斧正。

【作者简介】刘东升，1984年出生，地图学与地理信息系统专业，北京航天宏图信息技术股份有限公司产品研发总监。多年来带领技术团队研制国产遥感数据处理软件PIE（Pixel Information Expert），并基于PIE软件产品在军民两各领域开展了大量的遥感应用，覆盖气象、海洋、水利、林业、农业、统计、测绘、军事等多个行业。北京航天宏图信息技术股份有限公司（简称“航天宏图”），是一家专业从事卫星(遥感卫星、导航卫星)技术研究与应用的高新技术企业。公司成立于2008年，依托中国航天的雄厚优势，以国产卫星专业服务与行业应用为使命，自主研发PIE（Pixel Information Expert）系列产品，为行业用户提供空间信息应用整体解决方案。

相关阅读推荐：