基于國產(chǎn)遙感衛(wèi)星的典型要素提取技術(shù)框架

王東華，張宏偉

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830)

1 立項背景和意義

全球范圍高精度、高時效性、高可靠性地理空間信息和資源環(huán)境數(shù)據(jù)是國家“一帶一路”“走出去”戰(zhàn)略實施的重大需求[1]，而我國目前高精度典型要素數(shù)據(jù)建設(shè)主要集中在境內(nèi)區(qū)域，2014年我國完成了全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)（GlobeLand30）的生產(chǎn)[2]，近兩年開展了東南亞部分區(qū)域2 m分辨率DOM和10 m分辨率DSM的試生產(chǎn)[3]，總體上大中比例尺的地理信息數(shù)據(jù)境外幾乎是空白。境外典型要素數(shù)據(jù)主要依靠衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取，必須解決國產(chǎn)衛(wèi)星影像處理和信息提取方面的關(guān)鍵技術(shù)問題[4-6]，才能實現(xiàn)我國全球典型要素數(shù)據(jù)自主獲取的能力，打破國外在技術(shù)手段和數(shù)據(jù)源方面的封鎖。

為攻克基于國產(chǎn)遙感衛(wèi)星進行典型要素提取的重大共性關(guān)鍵技術(shù)，國家重點研發(fā)計劃地球觀測與導(dǎo)航專項2016申報指南在“地球系統(tǒng)科學(xué)與區(qū)域監(jiān)測遙感應(yīng)用技術(shù)”方向設(shè)置了重點任務(wù)“基于國產(chǎn)遙感衛(wèi)星的典型要素提取技術(shù)”[7]。本項目圍繞申報指南關(guān)于研究內(nèi)容和考核指標(biāo)要求，研究解決基于資源三號、高分系列等在軌及其他待發(fā)射自主衛(wèi)星影像進行全球典型要素提取所面臨的技術(shù)難題。

2 總體目標(biāo)與主要研究內(nèi)容

2.1 總體目標(biāo)

通過本項目研究，建成基于國產(chǎn)衛(wèi)星影像的全球多尺度典型要素提取技術(shù)指標(biāo)體系及系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，攻克基于多源信息和人工智能分析的境外典型要素提取、光學(xué)敏捷衛(wèi)星無場地自主在軌幾何定標(biāo)與協(xié)同處理等系列關(guān)鍵技術(shù)難題并建成協(xié)同生產(chǎn)軟件系統(tǒng)，建立毫米級全球歷元地球參考框架。突破境外典型要素提取關(guān)鍵技術(shù)難題，為全球典型要素提取工程化生產(chǎn)提供技術(shù)支撐,必將顯著提升我國地理空間信息全球生產(chǎn)和服務(wù)能力,全面提升我國對全球資源掌控的能力和國際事務(wù)決策能力。

2.2 主要研究內(nèi)容

本項目擬從幾何定位、信息提取、參考框架構(gòu)建、技術(shù)集成與應(yīng)用示范等方面開展研究，主要研究內(nèi)容如下。

1）國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像高精度幾何定標(biāo)與協(xié)同處理技術(shù)

研究國產(chǎn)光學(xué)衛(wèi)星無場地自主幾何定標(biāo)和多源遙感數(shù)據(jù)交叉幾何定標(biāo)與精度驗證方法，研究多源觀測數(shù)據(jù)協(xié)同幾何處理的誤差模型、平差方法、精度分析與驗證方法，實現(xiàn)不同分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星影像境外無控制高精度幾何定位。

2）境外典型地形要素自動識別與提取技術(shù)

研究基于多源知識和主動學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等人工智能的多源遙感影像地形核心要素自動提取方法，挖掘多源影像間的樣本自動遷移規(guī)則；研究多源遙感影像間的時—空—譜信息互補的地形要素自動提取方法；研究人機智能系統(tǒng)的反饋—學(xué)習(xí)的機制和算法。通過上述技術(shù)的集成，實現(xiàn)典型地形要素自動識別與快速提取以及增量更新。

3）典型資源環(huán)境要素提取與定量遙感技術(shù)

擬從中高分辨遙感影像典型陸表特征參量反演、地學(xué)特征提取、機器學(xué)習(xí)和地學(xué)認(rèn)知等途徑交叉融合，突破典型資源環(huán)境要素多尺度表達與多源遙感數(shù)據(jù)協(xié)同解譯等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)典型要素的精確提取。

4）毫米全球歷元地球參考框架(ETRF)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

綜合采用多種空間大地測量技術(shù)建立毫米級歷元地球參考框架，分析評估歷元地球參考框架的時變穩(wěn)定性，構(gòu)建地球非線性構(gòu)造和非構(gòu)造運動模型；研建全球一體化理論模型，實現(xiàn)全球地球參考框架與我國區(qū)域地球參考框架的無縫關(guān)聯(lián)。

5）全球典型要素提取技術(shù)集成與應(yīng)用示范

開展基于國產(chǎn)遙感衛(wèi)星全球典型要素提取的關(guān)鍵技術(shù)集成及其評估驗證技術(shù)研究，研發(fā)典型要素協(xié)同生產(chǎn)軟件系統(tǒng)，形成系列技術(shù)規(guī)范和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。在“一帶一路”沿線和全球環(huán)境變化研究熱點區(qū)域，選取3～5個示范區(qū)開展示范應(yīng)用。

3 主要技術(shù)路線及預(yù)期成果

3.1 主要技術(shù)路線

針對國產(chǎn)衛(wèi)星影像的幾何和輻射特點，本項目擬從無場地自主定標(biāo)和交叉定標(biāo)、多源觀測數(shù)據(jù)協(xié)同幾何處理、中高分辨遙感影像典型陸表特征參量反演等技術(shù)，解決國產(chǎn)衛(wèi)星影像境外高精度幾何定位和定量遙感反演。充分借鑒機器學(xué)習(xí)和人工智能的先進研究成果，利用多源參考信息作為已有知識，結(jié)合不同典型要素的特點，開展自動、半自動的識別與提取方法研究。綜合采用多種空間大地測量技術(shù)建立毫米級歷元地球參考框架,研建全球一體化理論模型,解決多源信息整合、全球多尺度成果表達遇到的全球統(tǒng)一高精度定位基準(zhǔn)問題。通過集成上述關(guān)鍵技術(shù)，研制產(chǎn)品和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和軟件系統(tǒng)，建立全球典型要素提取技術(shù)體系，在典型示范區(qū)開展示范應(yīng)用，項目總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖Fig.1 Overall technology roadmap

1）國產(chǎn)衛(wèi)星影像高精度協(xié)同幾何處理技術(shù)

結(jié)合未來四年將要發(fā)射的國產(chǎn)遙感衛(wèi)星，通過星上星敏感器與陀螺儀的數(shù)據(jù)聯(lián)合處理以及地面高精度幾何定標(biāo)場，以數(shù)據(jù)仿真和真實數(shù)據(jù)驗證相結(jié)合，開展星地聯(lián)合的國產(chǎn)遙感衛(wèi)星幾何誤差規(guī)律分析、建模和協(xié)同幾何處理方法研究。其中2.5 m分辨率尺度的立體衛(wèi)星影像以資源三號和天繪一號衛(wèi)星影像為主，優(yōu)于1 m的立體衛(wèi)星影像計劃以高分七號立體衛(wèi)星影像為主，該衛(wèi)星影像預(yù)計2018年發(fā)射，項目初期計劃利用模擬數(shù)據(jù)和國外商業(yè)立體衛(wèi)星影像代替，等發(fā)射后再利用該衛(wèi)星影像進行實驗驗證，具體技術(shù)路線如圖2所示。的在線實時計算方法的集成，研制人機協(xié)同智能系統(tǒng)方法的典型地形要素提取平臺，解決境外無法調(diào)繪帶來的屬性信息獲取和要素矢量數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率提升等難題。技術(shù)路線如圖3所示。

圖2 國產(chǎn)衛(wèi)星遙感影像高精度幾何協(xié)同處理技術(shù)路線Fig.2 Technology roadmap of high-precision geometrical coprocessing of domestic satellite images

圖3 典型地形要素提取技術(shù)流程Fig.3 Technical process of the extraction of typical topographic features

2）典型地形要素自動識別與快速提取技術(shù)

以多源多分辨率國產(chǎn)立體衛(wèi)星影像為主，研究多源立體影像和多模態(tài)InSAR的高可靠DEM/DSM自動提取和輻射一致性DOM拼接與融合技術(shù)。采用空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計建模、時空數(shù)據(jù)挖掘等方法，開展境外多源地理信息挖掘與整合。在廣域海量遙感影像與多源地理信息支持下，通過要素樣本與特征知識的自動構(gòu)建及基于特征信息的深度學(xué)習(xí)，形成高適應(yīng)性的要素快速識別算子集。提出樣本—特征—模型的遷移學(xué)習(xí)理論，在缺乏境外樣本的條件下，通過樣本傳遞、特征變換、模型遷移，實現(xiàn)跨域地形要素提取方法。采用AGI、POI等地理信息輔助，通過語義信息嵌入、后處理約束、地理信息先驗?zāi)Ｐ偷确绞?，增強跨域、跨境的機器學(xué)習(xí)模型精度和可靠性[8]。通過影像目標(biāo)特征的人機協(xié)同學(xué)習(xí)方法、高效率的全局優(yōu)化框架下多要素形狀精確修正與快速演化算法、要素矢量拓?fù)?/p>

3）典型資源環(huán)境要素自動識別與快速提取技術(shù)

以高分一號16 m寬像幅等國產(chǎn)高分辨率遙感影像為主，擬開發(fā)由模型反演、典型要素三維信息獲取、多尺度擴展與融合的多算法集成的高精度遙感反演算法，實現(xiàn)國產(chǎn)高分辨率影像陸表特征參數(shù)的高精度反演。在陸表典型資源環(huán)境要素特征與遙感產(chǎn)品地學(xué)特征支持下建立典型資源要素遙感特征庫，描述遙感產(chǎn)品均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差和梯度等地學(xué)統(tǒng)計參量與資源要素特征的關(guān)系。利用地學(xué)專家知識、特征提取與斑塊等級結(jié)構(gòu)提取相結(jié)合的智能計算方法構(gòu)建資源要素特征，提取全球典型資源環(huán)境與礦產(chǎn)要素，并對典型自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境的資源環(huán)境影響因素進行分析與評估。利用計算機視覺的多時相影像協(xié)同分割與GIS中的在線數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提取地表覆蓋增量，結(jié)合地理生態(tài)分區(qū)知識庫去除偽變化，提高增量檢測的精度；研制基于增量的地表覆蓋更新制圖方式，改變傳統(tǒng)的地表覆蓋制圖模式，實現(xiàn)快速、高效、精確的地表覆蓋制圖。課題技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 典型資源環(huán)境要素自動識別與快速提取技術(shù)路線Fig.4 Technical roadmap of automatic identification and rapid extraction of typical resources and environmental features

4）毫米全球歷元地球參考框架(ETRF)構(gòu)建技術(shù)

擬基于GNSS/VLBI/SLR/DORIS等多源空間大地測量數(shù)據(jù)，進行不同空間大地測量技術(shù)的最優(yōu)化組合、地球構(gòu)造/非構(gòu)造影響精細(xì)模型構(gòu)建、歷元參考框架穩(wěn)定性分析方法和空間基準(zhǔn)統(tǒng)一與轉(zhuǎn)換的多技術(shù)整合，實現(xiàn)毫米級全球歷元參考框架。通過分析GNSS/VLBI/SLR/DORIS不同技術(shù)對原點、尺度和定向響應(yīng)的敏感程度，確定用于多技術(shù)組合的局部聯(lián)接的并置站點，并基于并置站觀測質(zhì)量分析結(jié)果和方差分量估計方法進行多技術(shù)優(yōu)化組合定權(quán)；針對參考框架點坐標(biāo)的各類非線性運動的主要特征（地殼形變、板塊運動、地球物理資料）造成的地球構(gòu)造和非構(gòu)造形變，進行精細(xì)特征提取和模型化，消除對于框架點坐標(biāo)的時序影響，建立顧及非線性的毫米級歷元地球參考框架。同時對其進行參考框架點時序分析和特征提取，建立時變穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系；基于全球空間基準(zhǔn)框架的一體化理論方法，建立不同地球空間基準(zhǔn)之間的無縫關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)毫米級歷元參考框架在全球范圍內(nèi)的廣泛使用，為不同時相的高分辨率遙感影像典型要素提取快速高效、全球統(tǒng)一的高精度空間基準(zhǔn)。技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 毫米全球歷元地球參考框架(ETRF)構(gòu)建技術(shù)路線Fig.5 Technical roadmap of the construction of millimeter global epoch terrestrial reference frame (ETRF)

5）全球典型要素提取技術(shù)集成與應(yīng)用示范

集成國產(chǎn)衛(wèi)星影像幾何定位、定量遙感、信息識別提取等方面的關(guān)鍵技術(shù)，將關(guān)鍵技術(shù)點集成為協(xié)同生產(chǎn)技術(shù)流程線，形成典型要素提取協(xié)同生產(chǎn)軟件平臺?？紤]境外復(fù)雜環(huán)境下的差異化條件，開展充分而有代表性的區(qū)域技術(shù)試驗，將標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計與技術(shù)試驗相結(jié)合，兩者齊頭并進，相互印證。調(diào)研各專業(yè)部門和應(yīng)用領(lǐng)域，從應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計切實支撐全球典型要素產(chǎn)品的指標(biāo)和提取技術(shù)流程，完成境外典型要素提取應(yīng)用示范。擬采用的技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 全球典型要素提取技術(shù)集成與應(yīng)用示范技術(shù)路線Fig.6 Technical roadmap of extraction technology integration of global typical features and application demonstration

3.2 預(yù)期成果

1）研建基于國產(chǎn)衛(wèi)星影像的全球多尺度典型要素提取技術(shù)指標(biāo)體系及系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，填補國內(nèi)空白，涵蓋大比例尺和中高分辨率的多種類型產(chǎn)品，滿足我國獲取境外高精度地理信息工程應(yīng)用急需，為國家“一帶一路”和“走出去”戰(zhàn)略提供地理信息技術(shù)支撐。

2）研發(fā)基于多源信息和人工智能分析的境外典型要素提取技術(shù)和軟件系統(tǒng)，構(gòu)建包含多種高精度定量遙感產(chǎn)品和多尺度特征信息的先驗知識背景場，發(fā)展融合多源信息、規(guī)則和知識的典型要素提取方法，突破境外到達困難地區(qū)的典型要素提取的技術(shù)難題，將全球典型要素提取準(zhǔn)確率從目前的75%左右提高到85%，自動化程度達到80%，實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

3）研發(fā)光學(xué)敏捷衛(wèi)星無場地自主在軌幾何定標(biāo)與協(xié)同處理技術(shù)與軟系統(tǒng)，解決國產(chǎn)衛(wèi)星高精度定位缺乏境外定標(biāo)場、姿軌參數(shù)精度相對較低等問題，將國產(chǎn)衛(wèi)星無控制幾何定位精度從10多米提高到3米以內(nèi)。

4）建立歷元地球參考框架，融合 GNSS/VLBI/SLR/DORIS 空間大地測量技術(shù),構(gòu)建地球非線性構(gòu)造和非構(gòu)造運動模型，精度達到 5 mm，為典型要素提取提供全球統(tǒng)一的高精度空間定位基準(zhǔn)框架。

4 結(jié)束語

通過本項目研究，建成基于國產(chǎn)衛(wèi)星影像的全球多尺度典型要素提取技術(shù)指標(biāo)體系及系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，攻克基于多源信息和人工智能分析的境外典型要素提取、光學(xué)敏捷衛(wèi)星無場地自主在軌幾何定標(biāo)與協(xié)同處理等系列關(guān)鍵技術(shù)難題并建成協(xié)同生產(chǎn)軟件系統(tǒng)，建立毫米級全球歷元地球參考框架。突破境外典型要素提取關(guān)鍵技術(shù)難題，為全球典型要素提取工程化生產(chǎn)提供技術(shù)支撐,提升利用國產(chǎn)衛(wèi)星影像獲取全球典型要素的能力，推動國產(chǎn)衛(wèi)星影像的廣泛應(yīng)用，必將顯著提升我國地理空間信息全球生產(chǎn)和服務(wù)能力,全面提升我國對全球資源掌控的能力和國際事務(wù)決策能力，為我國“一帶一路”建設(shè)、全球變化研究、全球生態(tài)事務(wù)參與提供了有利條件。