現(xiàn)代遙感技術(shù)自上世紀(jì)60年代誕生以來，為地球科學(xué)尤其是地球表層科學(xué)研究提供了重要的信息來源和不可或缺的科技手段。

　　未來，遙感結(jié)合大數(shù)據(jù)，如何更好推動地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展？傳統(tǒng)地球系統(tǒng)科學(xué)又如何更好適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代？對此，記者近日專訪了中國科學(xué)院空天信息研究院副院長張兵研究員，他從遙感大數(shù)據(jù)的角度進(jìn)行了分析并提出了應(yīng)對之策。

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　　大數(shù)據(jù)開啟人類認(rèn)知全新方式

　　張兵指出，地球系統(tǒng)科學(xué)需要全面、宏觀、及時的信息保障。翱翔太空的數(shù)百顆遙感衛(wèi)星就是地球數(shù)據(jù)采集器，不斷為人類提供著超高維度和超高頻次的地球觀測科學(xué)數(shù)據(jù)。

　　“數(shù)據(jù)驅(qū)動型的知識發(fā)現(xiàn)首先強(qiáng)調(diào)的就是海量數(shù)據(jù)獲取的便捷性。”張兵解釋，當(dāng)今地球系統(tǒng)科學(xué)研究中涉及的大氣、海洋、陸地、生態(tài)等要素的大尺度觀測幾乎都離不開遙感技術(shù)，多譜段、多尺度、多角度、多時相的遙感數(shù)據(jù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)手段，使得遙感信息提取技術(shù)從統(tǒng)計模型、物理模型逐漸進(jìn)入到數(shù)據(jù)模型階段，也就是遙感大數(shù)據(jù)時代。

　　大數(shù)據(jù)時代，大量的傳感器遍布世界各地，讓數(shù)據(jù)采集更加便捷；數(shù)據(jù)存儲、云計算、高性能計算技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為海量數(shù)據(jù)的存儲、處理提供了“安身之所”和“用武之地”；智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展更是將數(shù)據(jù)獲取和信息提取緊密地融為一體。

　　“數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)已成為人類認(rèn)知領(lǐng)域的一種全新方式。”張兵說。

　　
黃河衛(wèi)星影像圖 圖源：中科院遙感與數(shù)字地球研究所

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　　機(jī)器學(xué)習(xí)自動發(fā)現(xiàn)潛在地學(xué)規(guī)律

　　機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)的突破，為這些海量數(shù)據(jù)的信息提取和分析提供了強(qiáng)大工具。

　　“不是人為設(shè)定特征和模式，而是基于大量的已知數(shù)據(jù)，通過計算得出之前未知的知識和規(guī)律。”張兵說，“深度學(xué)習(xí)能夠自動地學(xué)習(xí)特征，并對特征逐層抽象提取，這都大大超出人類有限的‘總結(jié)’、‘歸納’出的特征數(shù)量，進(jìn)而幫助人類發(fā)現(xiàn)隱匿著的規(guī)律和知識。”

　　張兵以“傳說”中的“比薩斜塔鐵球試驗”為例，“這是通過一個有意識有計劃的物理實(shí)驗發(fā)現(xiàn)了不同重量鐵球的自由落體現(xiàn)象，研究者進(jìn)一步就可以測定重力加速度。

　　假如我們有遍布全球的數(shù)據(jù)采集器，記錄下了每一個物體自由落體過程的各種數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方式也同樣能夠發(fā)現(xiàn)物體運(yùn)動規(guī)律以及重力加速度。”

　　當(dāng)前，遙感數(shù)據(jù)也面臨著不同類型和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)整合、海量數(shù)據(jù)的高效能計算、智能算法的遙感適用性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與結(jié)果驗證等一系列挑戰(zhàn)。

　　相對常規(guī)圖片數(shù)據(jù)，遙感圖像數(shù)據(jù)由于其產(chǎn)生方式、獲取條件和應(yīng)用等方面特征具有明顯的獨(dú)特性，使得現(xiàn)有基于數(shù)碼照片設(shè)計的深度學(xué)習(xí)算法仍舊無法深入挖掘遙感圖像蘊(yùn)含的相關(guān)信息；此外，遙感圖像觀測尺度大、場景復(fù)雜，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模型對遙感圖像的理解和特征提取還存在明顯不足。

　　“地球系統(tǒng)科學(xué)研究對象極端復(fù)雜，這要求遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用必須考慮面向?qū)ο蟮倪b感知識庫構(gòu)建和融合遙感特征的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。”張兵說。

　　
天涯海角衛(wèi)星影像圖 圖源：中科院遙感與數(shù)字地球研究所

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　　打破壁壘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

　　不過，張兵擔(dān)心的最大問題是數(shù)據(jù)共享，“大數(shù)據(jù)技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但是，中國在?shù)據(jù)共享方面的嚴(yán)重滯后很可能嚴(yán)重制約我國大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展速度。”

　　張兵表示，我們發(fā)射的遙感衛(wèi)星很多，但使用效率與國外相比存在巨大差距，尤其是面向科學(xué)研究的遙感數(shù)據(jù)共享，包括基于自主數(shù)據(jù)的國際科技合作，遙感數(shù)據(jù)的獲取困難重重，數(shù)據(jù)共享嚴(yán)重不足。

　　在這方面，國外的經(jīng)驗值得借鑒。他告訴記者，美國法律規(guī)定，聯(lián)邦政府投資的項目所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，只要不涉及國家秘密就必須對納稅人公開，這無疑促進(jìn)了數(shù)據(jù)發(fā)揮更大效能。

　　目前，中科院已率先采取了行動。2019年以來，中科院先后發(fā)布了“地球大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺”（可戳：【解讀】中科院地球大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺上線，院士專家為您解讀！）、《中國科學(xué)院科學(xué)數(shù)據(jù)管理與開放共享辦法（試行）》，這對于促進(jìn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的地球系統(tǒng)科學(xué)創(chuàng)新發(fā)展具有重大意義。

　　
《中國科學(xué)院科學(xué)數(shù)據(jù)管理與開放共享辦法》基本框架及思路 圖源：中國科學(xué)院