“要解決衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)實(shí)時智能化處理和信息服務(wù)，必須注重多學(xué)科技術(shù)的交叉融合?！?/p>

近二十年來，作為“3S”技術(shù)的代表之一，遙感技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。目前我國已發(fā)射了數(shù)十顆光學(xué)、雷達(dá)（SAR）、高光譜等多模態(tài)遙感衛(wèi)星，已形成各種高、中、低軌道相結(jié)合，大、中、小衛(wèi)星相協(xié)同，高、中、低分辨率相彌補(bǔ)的全球?qū)Φ赜^測體系，能夠準(zhǔn)確快速地獲取多種成像模態(tài)、多種空間、時間和光譜分辨率的對地觀測數(shù)據(jù)。

但是，相對于遙感數(shù)據(jù)的獲取速度，其快速智能處理和服務(wù)能力仍嚴(yán)重滯后，海量數(shù)據(jù)堆積與有限信息孤島并存的矛盾仍然十分突出。在實(shí)時化、智能化、知識化為特點(diǎn)的智能化測繪新時代，如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星影像空間感知和空間認(rèn)知的智能化，以更高的效率和更智能的手段，獲得更精準(zhǔn)的處理結(jié)果，成為急需解決的問題。

在中國測繪學(xué)會2021學(xué)術(shù)年會現(xiàn)場，由武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院牽頭完成的“多模態(tài)衛(wèi)星影像一體化攝影測量遙感智能處理技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目（以下簡稱“該項(xiàng)目”）榮獲2021年測繪科學(xué)技術(shù)獎特等獎。該項(xiàng)目作為同類型中的佼佼者，從數(shù)百個申報項(xiàng)目中脫穎而出，為遙感數(shù)據(jù)的智能處理和廣域服務(wù)提供了一個可行的思路。

為此，記者聯(lián)系了該項(xiàng)目的主要完成人之一，武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院院長張永軍教授。他圍繞獲獎項(xiàng)目和遙感數(shù)據(jù)智能化處理等方面暢談了自己的見解與思考。

遙感技術(shù)的未來是智能化

一門學(xué)科、一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展一般都會經(jīng)歷“搭建、能用和好用”這幾個階段，就衛(wèi)星遙感領(lǐng)域而言，從資源系列、高分系列到天繪系列，我國已經(jīng)建立起相對完備的衛(wèi)星遙感體系，天上的“搭建”工作基本完成。近二十年來，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)在基礎(chǔ)測繪、自然資源普查乃至交通、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等多行業(yè)、多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)可以稱得上“用起來”了，但是否方便好用卻需要打個問號。

“目前，我國的遙感衛(wèi)星類別多樣，一方面提高了對地觀測的精度，另一方面，多模態(tài)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間彼此割裂也為實(shí)際應(yīng)用造成了諸多難題。此外，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的識別解譯和后期處理應(yīng)用的自動化水平較低，也在一定程度上限制了衛(wèi)星遙感技術(shù)的進(jìn)一步普及化應(yīng)用?！睆堄儡娬J(rèn)為，深入研究多模態(tài)遙感衛(wèi)星影像一體化智能處理技術(shù)體系及實(shí)用化軟件系統(tǒng)，有助于充分發(fā)揮每顆衛(wèi)星、每個譜段、每個有效像元的作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超大范圍多模態(tài)遙感衛(wèi)星影像準(zhǔn)實(shí)時智能處理與信息服務(wù)，具有重要戰(zhàn)略意義和實(shí)用價值。

李德仁院士在接受采訪時曾表示，智能化是自動化和實(shí)時化的基礎(chǔ)。毫無疑問，遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)從“能用”到“好用”的跨越，必然是朝著自動化和實(shí)時化邁進(jìn)，因此，遙感技術(shù)的發(fā)展方向必然是智能化。

張永軍介紹，面向我國地球空間信息產(chǎn)業(yè)、國家重大工程、國防軍事建設(shè)等領(lǐng)域的重大需求，項(xiàng)目組在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計劃等二十余個項(xiàng)目支持下，對多模態(tài)衛(wèi)星影像一體化攝影測量遙感智能處理的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品研制等方面進(jìn)行了持續(xù)研究長達(dá)十余年。

“多模態(tài)衛(wèi)星影像一體化攝影測量遙感智能處理技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2021年測繪科學(xué)技術(shù)獎特等獎

該項(xiàng)目核心技術(shù)申請發(fā)明專利32項(xiàng)，其中17項(xiàng)已經(jīng)授權(quán)；獲得軟件著作權(quán)23項(xiàng)；在國內(nèi)外公開發(fā)表三大檢索論文67篇，其中ESI高被引論文7篇。項(xiàng)目組還在國際上首次提出全新的攝影測量遙感科學(xué)概念，攝影測量遙感主要由攝影測量和遙感兩個學(xué)科的交叉融合而形成，致力于研究解決同步探測被攝目標(biāo)的幾何位置、物理屬性、語義信息及時序變化關(guān)系的理論方法及技術(shù)問題。

該項(xiàng)目創(chuàng)新性地提出語義信息輔助幾何處理和多源數(shù)據(jù)融合語義信息提取的全新思路，構(gòu)建了多模態(tài)衛(wèi)星影像幾何語義一體化智能處理技術(shù)體系，突破了多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了自主產(chǎn)權(quán)的軟件系統(tǒng)并取得廣泛應(yīng)用。

基于人工智能的融合創(chuàng)新

“要解決衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)實(shí)時智能化處理和信息服務(wù)，必須注重多學(xué)科技術(shù)的交叉融合?！睆堄儡姼嬖V記者，該項(xiàng)目深度融合了人工智能技術(shù)，基于人工智能的深度學(xué)習(xí)和智能提取等能力，取得了以下幾方面的創(chuàng)新突破：

首次提出基于人工智能技術(shù)的多模態(tài)衛(wèi)星影像語義分割與幾何處理融合新理論。創(chuàng)建了跨域穩(wěn)健語義分割技術(shù)，通過自適應(yīng)增量優(yōu)化提升深度分割網(wǎng)絡(luò)模型的遷移性和普適性，保證了多類型地物語義分割的時效性、容錯性、穩(wěn)定性和區(qū)域一致性。

首創(chuàng)性提出通過語義分割結(jié)果，全自動進(jìn)行多源地理信息控制點(diǎn)粗差剔除，實(shí)現(xiàn)超大范圍多模態(tài)影像精準(zhǔn)幾何處理；提出輻射不變特征變換等算法，進(jìn)行可見光、SAR、高光譜、LiDAR強(qiáng)度圖等多模態(tài)影像高可靠性匹配；單臺機(jī)器2.5分鐘可完成8000景衛(wèi)星影像的并行區(qū)域網(wǎng)平差，大幅提高了自動化處理精度和效率。

突破了基于深度學(xué)習(xí)的多視遙感影像三維地形及大范圍合成影像智能生成技術(shù)。將有理函數(shù)模型嵌入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大范圍地形表面的快速自動重建，采用物方半全局優(yōu)化提升困難區(qū)域的密集匹配精度，并在語義分割結(jié)果的輔助下進(jìn)行大范圍遙感影像無縫鑲嵌合成。

創(chuàng)新性提出基于深度學(xué)習(xí)的建筑物、道路、農(nóng)作物等典型地物目標(biāo)語義信息智能提取技術(shù)；基于多尺度語義分割網(wǎng)絡(luò)融合經(jīng)驗(yàn)知識實(shí)現(xiàn)建筑物矢量邊緣精確提??；結(jié)合語義分割和多起點(diǎn)中心線追蹤優(yōu)化提取道路網(wǎng)拓?fù)涫噶?；基?D卷積和注意力機(jī)制實(shí)現(xiàn)多類農(nóng)作物精細(xì)分類及其時空特征智能提取。

構(gòu)建了全新的多模態(tài)衛(wèi)星遙感影像幾何語義一體化智能處理技術(shù)體系，研制出我國首套自主產(chǎn)權(quán)的多模態(tài)衛(wèi)星影像一體化攝影測量遙感智能處理軟件系統(tǒng)MIPS，其數(shù)據(jù)處理效果和效率均有明顯優(yōu)勢，顯著提升了融合處理的精準(zhǔn)度和智能化水平。

智能遙感，成果落地

“該項(xiàng)目從論證、立項(xiàng)，到技術(shù)攻關(guān)前后歷經(jīng)十余年，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)先突破，更實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，產(chǎn)生了一定的社會和經(jīng)濟(jì)效益?！睆堄儡姼嬖V記者，該項(xiàng)目研發(fā)了我國首套自主產(chǎn)權(quán)的多模態(tài)衛(wèi)星影像一體化攝影測量遙感智能處理系統(tǒng)MIPS，該系統(tǒng)具備快速語義分割、語義輔助精準(zhǔn)幾何處理、三維地形提取與多影像時序合成、地物語義信息智能提取等特色功能。

2020年12月，該系統(tǒng)通過由劉先林院士、王橋院士等七位專家組成的評價委員會鑒定，認(rèn)為多模態(tài)影像高可靠性匹配、幾何語義一體化智能處理、典型地物自動提取等核心技術(shù)均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，具有廣闊的發(fā)展前景和潛在經(jīng)濟(jì)社會效益，對推動行業(yè)科技進(jìn)步和地理空間信息產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級具有重要作用。

張永軍介紹，基于最新的衛(wèi)星影像攝影測量處理、多源影像融合、語義信息提取等相關(guān)理論與方法，結(jié)合先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)及自主研發(fā)的CPU/GPU兩級加速并行處理機(jī)制，該軟件系統(tǒng)的處理效果和效率均明顯優(yōu)于國內(nèi)外同類軟件。

例如，單機(jī)情況下，該軟件僅需19小時即可完成1551景2米分辨率國產(chǎn)衛(wèi)星影像的全自動處理，包括云區(qū)檢測、影像融合、影像匹配、區(qū)域網(wǎng)平差、正射影像糾正等處理流程。語義分割結(jié)果約束的立體衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差自動化程度和精度均顯著提升，例如在1∶1萬基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品DEM/DOM的輔助下，高分七號立體衛(wèi)星影像的全自動處理高程精度從2.6米大幅提升至0.8米以內(nèi)，鑲嵌接邊精度優(yōu)于1像素。

目前，該軟件系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于全球地理信息資源建設(shè)、一帶一路倡議、實(shí)景三維中國、自然資源監(jiān)測、地理國情普查等國家重大工程項(xiàng)目，廣東、北京、重慶、貴州、浙江、河南、湖北等地的遙感影像高精度智能處理、專題信息智能提取、地質(zhì)災(zāi)害隱患識別等行業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目和國防軍事建設(shè)保障項(xiàng)目，并在今年中部地區(qū)特大暴雨等自然災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)保障方面發(fā)揮了重要作用，相關(guān)單位累計取得或保障了經(jīng)濟(jì)效益超過2.3億元。

該項(xiàng)目助力鄭州暴雨應(yīng)急監(jiān)測

近年來，測繪地理信息行業(yè)正在打破行業(yè)壁壘，促進(jìn)跨界融合，構(gòu)筑起空間智能驅(qū)動萬物互聯(lián)的新格局，推動地理信息產(chǎn)業(yè)成為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式新的亮點(diǎn)。

李德仁院士認(rèn)為，遙感技術(shù)正在由對地觀測進(jìn)入對人、對社會觀測的新階段，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，將有更多的技術(shù)手段應(yīng)用到這一領(lǐng)域。如今，移動互聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)的快速升級，驅(qū)動著眾多垂直行業(yè)的智能化進(jìn)程。

海不辭水，故成其大。當(dāng)我們談?wù)摳咚綔y繪地理信息科技自立自強(qiáng)這一時代命題時，必須將目光和腳步向著更廣域的多學(xué)科和多行業(yè)。毋容置疑，在衛(wèi)星遙感技術(shù)乃至測繪地理信息智能化的進(jìn)程中，以人工智能為代表的新興技術(shù)手段必將扮演著重要角色。