何國(guó)金*, 王力哲, 馬艷, 張兆明, 王桂周, 彭燕, 龍騰飛, 張曉美
中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所, 北京100094
* 聯(lián)系人, E-mail: hegj@radi.ac.cn
2014-08-28收稿, 2014-10-29 接受, 2015-01-20 網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表
國(guó)家自然科學(xué)基金(60972142)和中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所空間數(shù)據(jù)快速加工與綜合服務(wù)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目資助
摘要
通過航天航空飛行器搭載的傳感器對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)可以獲得地球全面而系統(tǒng)的信息. 隨著空間信息技術(shù)的高速發(fā)展, 對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域步入了大數(shù)據(jù)時(shí)代. 在分析對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與服務(wù)的全流程及其算法的基礎(chǔ)上, 總結(jié)出“大數(shù)據(jù)時(shí)代”對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)處理面臨的挑戰(zhàn)——“數(shù)據(jù)密集型計(jì)算”問題, 并指出解決這一問題應(yīng)該在系統(tǒng)平臺(tái)、處理算法和服務(wù)模式3個(gè)方面開展創(chuàng)新性的研究工作.
人類借助航天、航空對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)實(shí)施對(duì)地球不間斷地觀測(cè), 通過信息處理快速再現(xiàn)和客觀反映地球表層的狀況、現(xiàn)象、過程及其空間分布和定位, 服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展. 21世紀(jì)以來(lái), 以對(duì)地觀測(cè)技術(shù)為核心的空間地球信息科技已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科技水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和國(guó)家安全保障能力的綜合體現(xiàn).
遙感技術(shù)、通訊技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展, 帶來(lái)了對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)和廣泛應(yīng)用. 尤其隨著高分辨率對(duì)地觀測(cè)時(shí)代的到來(lái), 通過機(jī)載和衛(wèi)星傳感器等不同途徑獲取的遙感數(shù)據(jù)正以每日太比特(TB, 1 TB=1024 GB)級(jí)的速度增長(zhǎng), 其中單個(gè)遙感圖像數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量就可達(dá)幾十吉比特(GB). 據(jù)統(tǒng)計(jì)[1], 單個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)用中心將可提供數(shù)百個(gè)TB的遙感圖像, 國(guó)家遙感數(shù)據(jù)存檔量將達(dá)拍比特(PB, 1 PB= 1024 TB)級(jí), 而全球的遙感數(shù)據(jù)量將達(dá)到艾比特(EB, 1 EB=1024 PB)級(jí). 海量遙感數(shù)據(jù)有待及時(shí)、有效地處理與分析.
與此同時(shí), 遙感數(shù)據(jù)處理算法的“數(shù)據(jù)密集型計(jì)算”特性也日漸凸顯. 在遙感數(shù)據(jù)處理的全流程中, 遙感數(shù)據(jù)處理速率一般遠(yuǎn)低于遙感數(shù)據(jù)獲取與記錄碼速率, 兩者之間存在較大的數(shù)據(jù)吞吐性能差距. 衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心通常需要在一天內(nèi)完成幾百GB遙感圖像的各級(jí)數(shù)據(jù)處理以及各類遙感信息的提取與分析. 全球變化等復(fù)雜遙感應(yīng)用則有必要建立高質(zhì)量、連續(xù)、均一和綜合的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)[2]. 為實(shí)現(xiàn)全球變化關(guān)鍵參數(shù)和過程的多變量聯(lián)合觀(監(jiān))測(cè), 往往需要對(duì)大區(qū)域甚至覆蓋全球的多時(shí)相、多平臺(tái)、多波段和多空間分辨率的遙感圖像進(jìn)行處理. 而及時(shí)準(zhǔn)確的海上溢油軌跡預(yù)測(cè)、泥石流滑坡監(jiān)測(cè)等突發(fā)性應(yīng)急遙感應(yīng)用通常對(duì)處理時(shí)效性要求很高, 需在幾小時(shí)或幾十分鐘內(nèi)完成大量的多源遙感圖像處理運(yùn)算.
因此, 有必要深入分析對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及大數(shù)據(jù)背景下對(duì)地觀測(cè)處理所面臨的問題與挑戰(zhàn), 并探討可能的對(duì)策與解決方案.
1 對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代
21世紀(jì)人類對(duì)地球進(jìn)行多尺度、全方位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的能力進(jìn)一步增強(qiáng), 獲取全球?qū)Φ赜^測(cè)信息的遙感和定位衛(wèi)星系統(tǒng)迅速發(fā)展, 遙感數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)和能力全面提高, 可以說(shuō)對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域進(jìn)入了以高精度、全天候信息獲取和自動(dòng)化快速處理為特征的新時(shí)代.
自1964年8月28日發(fā)射第一顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Nimbus以來(lái), 到2011年12月全球共發(fā)射了514顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星. 美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)(Earth Ob servatio n System, EOS)計(jì)劃的提出和實(shí)施帶動(dòng)了新一輪對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展的浪潮, 而地球科學(xué)事業(yè)(ESE)戰(zhàn)略計(jì)劃是對(duì)EOS的提升與延續(xù), 將地球系統(tǒng)科學(xué)的概念引入到計(jì)劃中, 把對(duì)地觀測(cè)技術(shù)與面臨的科學(xué)問題緊密結(jié)合起來(lái)(http://science.nasa.gov/about-us/science- strategy/past-strategy-documents/earth-science-enterprise- plans/); 歐洲太空局以遙感衛(wèi)星1號(hào)、2號(hào)以及環(huán)境衛(wèi)星等而立足于世界對(duì)地觀測(cè)技術(shù)前列; 法國(guó)的高分辨率SPOT衛(wèi)星系列在世界對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域占據(jù)一席之地; 加拿大則以雷達(dá)衛(wèi)星系列為其對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的特色發(fā)展戰(zhàn)略; 日本制定了未來(lái)對(duì)地觀測(cè)基本策略, 并給出了未來(lái)衛(wèi)星研制和發(fā)射計(jì)劃日程; 發(fā)展中國(guó)家印度也非常重視對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展, 其成就已經(jīng)引起世界廣泛關(guān)注[3]. 從圖1可以發(fā)現(xiàn), 進(jìn)入21世紀(jì)后, 全球?qū)Φ赜^測(cè)進(jìn)入了高速發(fā)展階段, 人類的生存、發(fā)展越來(lái)越依賴于對(duì)地觀測(cè)技術(shù). 如圖2所示, 在未來(lái)的20年中, 全球?qū)Φ赜^測(cè)衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃將持續(xù)發(fā)展, 我國(guó)所占發(fā)射份額快速增加[4].