遥感研究进入云计算时代，首套中国土地覆盖和利用制图完成|硬科技

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原标题：遥感研究进入云计算时代，首套中国土地覆盖和利用制图完成 | 硬科技

图片来源：pixabay.com

记者 | 彭新

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在最新的遥感技术、云计算，以及机器学习的帮助下，遥感技术的应用正在发扬光大。

近日，清华大学研究人员发布了全球首套中国30米分辨率逐季节土地覆盖和逐年土地利用图，以及首套中国30米逐日无缝遥感观测数据集。

新成果由清华大学理学院院长、地球系统科学系主任宫鹏领导的研究团队完成。这项工作基于二十年的卫星收集数据，在亚马逊云计算服务(AWS)协助下，实际处理时间不到三个月。“不太正规地说，我们是将数据放在云计算系统中‘把玩’，最终完成成果的。”宫鹏称。

遥感技术于19世纪问世。1839年，人类就利用它获得了第一张照片。1858年法国人首次乘气球在巴黎上空进行了空中摄影实验，到1903年发明了飞机之后，航空摄影迅速发展起来。1957年第一颗人造卫星升空时，人们把遥感装置装在了卫星上，开始出现了从宇宙空间进行探测的方法，从此遥感技术进入了实用阶段，成为一种综合性的探测技术。“遥感观测是动态监测区域及全球尺度资源与环境变化的唯一途径。”宫鹏说。

有关卫星遥感应用，一则轶事颇为经典。在美国，一家拥有卫星遥感技术的公司，兼并了一家铜矿公司后，利用卫星遥感技术获得的资料，查清了内华达州矿产分布情况，并发现价值数百亿美元的大铜矿，从而加速了这家公司铜矿业务扩大再生产。

卫星遥感应用如此广泛，被称作“天上的眼睛”，它获取信息量大，能揭示地球表面的特征和结构，无论是当下的疫情研究还是山火预警，都有其用武之地。迄今为止，随着对地观测领域进入大数据时代，对地观测数据开放共享从单纯的数据共享模式转变成以“谷歌地球引擎”（Google Earth Engine）和澳大利亚地球科学“数据立方体”（Data Cube）为代表的新型对地观测数据开放共享服务。

两项服务均在2011年推出，“谷歌地球引擎”将全球历史存档的长时间序列的多源遥感数据整合在一起，用户不仅可以免费下载数据，还能对大规模影像进行在线分析（如变化检测、趋势分析等）。“数据立方体”基于超算平台，实现了对澳大利亚遥感、气象、地面站点数据的一致性数据管理。

但实际上，构建现有遥感数据平台的卫星图像数据质量参差不齐，需要预先处理。以谷歌为例，在同一时间每一张原始卫星图像（称为“一景”）边缘作处理时，为达到连续效果，会在图像接边处进行平滑和羽化。虽然看着接边处过渡连续了，但是数据与真实情况不符。此外，还有大气云层、卫星运行影响下，产生的误差畸变、观测错误等，从中识别需要专业人员修正。

“卫星直接获得的图片不能拿来直接使用，因为卫星图片不会是自然连续的，很可能像100块的拼图，少了50块的效果，但也有可能同样的拼图来了好几块。” 宫鹏解释。

当前研究的目标是构建“无缝数据集（Seamless Data Cubes，SDC）”，也就是连续无缝地展现特定分辨率下所有地表覆盖的卫星图谱。如今，宫鹏和他的团队成员刘涵博士等则把流程自动化了，基于AWS集中存储的公共数据集，包括美国联邦地质调查局的陆地卫星Landsat数据，以及中等分辨率的成像光谱仪MODIS的数据等。借助AWS基于云计算架构大规模的算力，结合机器学习计算框架后，最终将几百万张高分辨率卫星图像拼接在一起，并构建了多维的时空数据立方体。此外，通过使用时空数据融合重建技术，完成的图像没有异常值和缺失值（如云、条带值等），并重现了无缝的高时空分辨率遥感图像。

将云计算引入到遥感科研中的想法堪称领先。近年来云计算在公共部门和商业机构中运用广泛，但在国内科研机构中则少有接触。就国内科学研究而言，借助大学自建数据中心（IDC）或是超算平台是主流做法，但就遥感数据而言，产生的数据通常以PB（约合1000TB）计算，无论是数据的传输、管理以及分析，在成本和IT架构上的瓶颈都非常大。于是宫鹏选择了AWS，在离AWS 公共数据集最近的区域使用 AWS 算力进行分析计算。

在云端分配算力并不复杂，按照AWS解释，操作上仅需鼠标“数次点击”。宫鹏告诉界面新闻，其项目所需算力已经用到了AWS在中国科学界的应用最大极限，相当于世界500强超级计算机中前200强的位置。另一方面，涉及到PB级数据的存储、传输，在基于AWS在全球已有数据中心分布的情况下，数据的抓取、处理简便快速。有了云计算帮助，光是在数据中心上从头建设节省的时间，就达到数年。

一些初步的结论已经给出，比如根据分析，中国耕地面积未低于18亿亩红线且有较大差距；国内森林面积在增加，颠覆过往国际主流看法；以及在生物多样性热点地区和气候变化上，人类活动产生了显著影响等。

随着数据集的发布，宫鹏认为，一场中国卫星遥感数据处理和信息提取的革命已经发生。不仅是遥感专家，即使毫无遥感专业知识的用户都能快速完成他要做的应用。任何人都能上网查阅全球地表覆盖图，实现快速全球制图。

另一方面，基于30米逐日无缝遥感观测数据集和制图产品，代表着中国卫星遥感数据处理和信息提取的新范式，可以为农林生产、城市建设、抵御洪涝和山火防范提供重要基础数据，促进政策设计和优化、行政执法、全球气候变化模拟和预测，以及在生物多样性、环境保护上服务于联合国可持续发展目标等。

“遥感监测跨越地理、政治或学科的界限，改变了人类对地球的认知。”宫鹏说，借助技术进步，他希望人类面对无常的大自然时，仍能够力有所逮。游戏网

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