· 文|北京空間科技信息研究所 劉嘉寧

大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

· 文|北京空間科技信息研究所 劉嘉寧

本文圍繞對(duì)地觀測(cè)這一核心衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀企業(yè)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和思維從衛(wèi)星應(yīng)用層面改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)格局和提升數(shù)據(jù)處理效率典型案例的調(diào)研分析，把握大數(shù)據(jù)技術(shù)與對(duì)地觀測(cè)產(chǎn)業(yè)的共通點(diǎn)、交匯點(diǎn)，結(jié)合國(guó)家軍民融合政策，從市場(chǎng)需求角度促進(jìn)兩者融合，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)布局，擴(kuò)寬航天技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線。探討了大數(shù)據(jù)研究面臨的科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，為研究機(jī)構(gòu)和人員提供參考指南。

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星 遙感圖像 眾包 大數(shù)據(jù)處理

一、前言

對(duì)地觀測(cè)是人類利用衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)、飛機(jī)以及近空間飛行器等空間平臺(tái)和地面、地下的各種傳感器設(shè)備獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合各個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，對(duì)地面物體和地理過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)的科學(xué)活動(dòng)，其目的是更加深刻和科學(xué)地揭示人類社會(huì)活動(dòng)所依賴的地球環(huán)境和人地環(huán)境的規(guī)律和變化，增強(qiáng)人類對(duì)地球的利用和適應(yīng)能力。對(duì)地觀測(cè)研究工作具有非常明顯的信息學(xué)特征。因此，除了地球科學(xué)方法論外，信息科學(xué)方法論也對(duì)對(duì)地觀測(cè)科學(xué)活動(dòng)有非常重要的指導(dǎo)意義。對(duì)地觀測(cè)研究很大程度上是圍繞著“信號(hào)—數(shù)據(jù)—信息—知識(shí)”的數(shù)字化信息過程來展開的，并構(gòu)成了“信息獲取—信息傳輸—信息存儲(chǔ)—信息加工—信息挖掘—信息呈現(xiàn)”的數(shù)據(jù)全生命周期。

從信息科學(xué)的角度來看，對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域知識(shí)發(fā)現(xiàn)的方法主要是確定模型分析方法。在遙感技術(shù)的發(fā)展初期，觀測(cè)數(shù)據(jù)量較小，用于數(shù)據(jù)挖掘分析的理論和模型也不夠成熟，因此更多是依靠專業(yè)人員的目視判讀進(jìn)行信息解譯和勾繪制圖，然后再利用其他學(xué)科的知識(shí)對(duì)獲得的信息進(jìn)行修正。這種方法顯然不能滿足日益增大的觀測(cè)數(shù)據(jù)量和日益復(fù)雜的應(yīng)用模式需求。在數(shù)據(jù)量不斷增大、信息提取精度不斷提高的情況下，依賴于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)分析新模式出現(xiàn)了。遙感信息反演的定量化成為對(duì)地觀測(cè)信息深度應(yīng)用的趨勢(shì)，這種能力也隨著計(jì)算機(jī)處理能力的提升不斷提高，逐步滿足了MB（220字節(jié)）、GB（230字節(jié)）、TB（240字節(jié)）甚至部分PB（250字節(jié)）量級(jí)的數(shù)據(jù)分析和信息挖掘工作，從應(yīng)用上解決了較大地理尺度上的復(fù)雜地學(xué)問題。提升計(jì)算機(jī)的處理速度和存儲(chǔ)設(shè)備的規(guī)模已經(jīng)成為解決觀測(cè)數(shù)據(jù)量增大和信息模型復(fù)雜化所帶來的問題的一個(gè)很好的途徑。進(jìn)入21世紀(jì)以后，對(duì)地觀測(cè)技術(shù)又呈現(xiàn)出很多新的發(fā)展趨勢(shì)，其中大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)給對(duì)地觀測(cè)的研究帶來了全新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。近年來，隨著對(duì)地觀測(cè)需求的增加和技術(shù)的進(jìn)步，各種類型傳感器獲取數(shù)據(jù)的能力不斷提高，使得國(guó)內(nèi)外以專業(yè)化、行業(yè)化為特征的各類數(shù)據(jù)中心迅速崛起，對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域成為數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的一個(gè)典型應(yīng)用。整個(gè)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)流程突出體現(xiàn)了“需求牽引—知識(shí)驅(qū)動(dòng)”的概念和原則，形成了以社會(huì)需求為先導(dǎo)來發(fā)展對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、傳感器、平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸、信息處理、應(yīng)用模型及相應(yīng)科學(xué)理論的發(fā)展模式。

二、對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)現(xiàn)象

在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，各類分辨率的衛(wèi)星產(chǎn)生的遙感信息無疑屬于大數(shù)據(jù)。以我國(guó)遙感衛(wèi)星為例，2008年發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)A星搭載著20通道的中分辨率光譜成像儀和10通道的可見光近紅外掃描輻射計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)地球進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，隨后與2010年和2013年發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)B星和C星組網(wǎng)，對(duì)地球開展每天6次的觀測(cè)。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)切割成5分鐘段的數(shù)據(jù)文件，又將250m和1000m中分辨率光譜成像儀的數(shù)據(jù)分別存放，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)量均非常巨大。要管理、處理和分發(fā)這些全球數(shù)據(jù)需要運(yùn)用“大數(shù)據(jù)”的方式，而且需要大量的數(shù)據(jù)科學(xué)家開展基礎(chǔ)研究工作，研究算法，從數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)提取地球參數(shù)信息，進(jìn)而為科研、業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)信息需求服務(wù)。這一事實(shí)充分說明了從海量遙感數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、提取與分發(fā)、數(shù)值處理，到數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)地觀測(cè)活動(dòng)的整個(gè)生命周期體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的“4V”特性：數(shù)據(jù)體量大(volume)、數(shù)據(jù)來源和類型繁多（variety）、數(shù)據(jù)的真實(shí)性難以保證（veracity）、數(shù)據(jù)增加和變化的速度快（velocity）。

國(guó)際上，美國(guó)和歐洲處理和分發(fā)中分辨率數(shù)據(jù)較中國(guó)稍早幾年，美國(guó)處理MODIS數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的方式、歐洲處理ENVISAT/MERIS數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的方式可為我們借鑒。由于美國(guó)沒有MODIS的后續(xù)衛(wèi)星計(jì)劃，數(shù)據(jù)的供給將隨著傳感器的失效而終止。歐洲的ENVISAT/ MERIS于2012年失效，只能提供2002-2012年間的數(shù)據(jù)。中國(guó)風(fēng)云氣象衛(wèi)星規(guī)劃已持續(xù)到2020年，因而，在未來幾年，中國(guó)的風(fēng)云衛(wèi)星中分辨率遙感數(shù)據(jù)在國(guó)際上將是重要的數(shù)據(jù)源，向全球用戶提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，將是中國(guó)數(shù)據(jù)科學(xué)家肩上的重任。

1. 觀測(cè)平臺(tái)和傳感器的數(shù)據(jù)獲取

遙感數(shù)據(jù)獲取是由載有成像傳感器的遙感飛行平臺(tái)來完成的。遙感飛行平臺(tái)的發(fā)展體現(xiàn)在：①先進(jìn)的衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，包括大型的綜合衛(wèi)星平臺(tái)與小衛(wèi)星星座；②先進(jìn)的集成高—中—低空飛行作業(yè)的航空遙感平臺(tái)；③全面一體化的對(duì)地觀測(cè)綜合系統(tǒng)。未來的傳感器搭載平臺(tái)將是由相輔相成的高中低軌道上的大小衛(wèi)星平臺(tái)和高中低航空平臺(tái)組成的，天地一體化、全球性、立體和多維的觀測(cè)體系[1]。與此同時(shí)，對(duì)地觀測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)獲取能力將向著“三高”（高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)相分辨率）和全天候方向發(fā)展[2,4]。遙感平臺(tái)和傳感器的技術(shù)進(jìn)步使得獲取的數(shù)據(jù)量大幅度增大。比如剛剛退役的Landsat -5衛(wèi)星在其29年的在軌工作期間，平均每年獲取8.6萬(wàn)景影像，每天獲取67GB的觀測(cè)數(shù)據(jù)。而2012年發(fā)射的資源3號(hào)衛(wèi)星，每天的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取量可以達(dá)到10TB以上。類似的傳感器現(xiàn)在已經(jīng)大量部署在衛(wèi)星、飛機(jī)等飛行平臺(tái)上，未來10年全球天、空、地空間中部署的百萬(wàn)計(jì)傳感器每天獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)將超過10PB。

2.天-空-地一體化的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸

巨大的觀測(cè)能力需要通過覆蓋天－空－地的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)和全球地面接收站網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳遞。這種傳輸能力要通過一個(gè)由光纜、地面微波、蜂窩移動(dòng)通信和低、中以及靜止軌道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成的、服務(wù)于全球的、無縫隙覆蓋的、全球一體化的高速天－空－地對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[3,4]?，F(xiàn)在，單個(gè)傳感器的信號(hào)下傳速率已經(jīng)突破了Gbit/s。

3.海量數(shù)據(jù)的快速處理

標(biāo)準(zhǔn)遙感產(chǎn)品的快速生成需要高吞吐量、高精度及自動(dòng)化的分布式數(shù)據(jù)處理能力，以滿足規(guī)?；I(yè)務(wù)化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品快速處理的突出特點(diǎn)是即時(shí)性和大吞吐量，兼有數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集的性質(zhì)。海量遙感數(shù)據(jù)的處理需要利用龐大的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源，通過并行計(jì)算、分布式處理以及集群計(jì)算技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化大數(shù)據(jù)量處理及多機(jī)分布式并行處理，以滿足應(yīng)用的需求。我們可以利用網(wǎng)格技術(shù)把分散在不同地理位置的計(jì)算機(jī)組織成一個(gè)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，來提供高性能和高吞吐量的計(jì)算環(huán)境，為完成計(jì)算密集型任務(wù)提供有力的手段；同時(shí)充分利用網(wǎng)絡(luò)上多種閑置計(jì)算設(shè)備的處理能力，完成傳統(tǒng)計(jì)算模式下不能完成的各種大數(shù)據(jù)量的計(jì)算任務(wù)，從而保證標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的快速處理和生成[5]。

4.下一代空間數(shù)據(jù)設(shè)施

下一代空間數(shù)據(jù)設(shè)施建設(shè)將以全球尺度問題求解和多樣化實(shí)體數(shù)據(jù)設(shè)施建設(shè)為前提，基于傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)設(shè)施和聯(lián)邦數(shù)據(jù)設(shè)施，通過松耦合形式建立一種非中心化、虛擬化、按需服務(wù)化和全球化的數(shù)據(jù)服務(wù)體系。分布在世界各地的各種對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)中心，將在下一代空間數(shù)據(jù)設(shè)施的連接下，面向特定專題，與高性能的信息化設(shè)施結(jié)合，動(dòng)態(tài)形成大量專業(yè)化的虛擬數(shù)據(jù)設(shè)施。這些設(shè)施不僅可以匯聚和提供超大規(guī)模的數(shù)據(jù)，還具備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度加工和挖掘的計(jì)算能力。地球觀測(cè)組織（GEO）所推動(dòng)建立的全球綜合地球觀測(cè)系統(tǒng)（GEOSS）就是一種下一代空間數(shù)據(jù)設(shè)施，這種設(shè)施管理和處理的都是超大規(guī)模的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。

5.熱點(diǎn)信息實(shí)時(shí)挖掘

災(zāi)害信息、軍事信息和應(yīng)急信息等熱點(diǎn)信息實(shí)時(shí)挖掘是對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用中非常重要的方面。我們可以充分利用現(xiàn)代對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)靈活、及時(shí)的特點(diǎn)，綜合其中豐富的電磁波信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘。在傳統(tǒng)遙感應(yīng)用中，在特定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進(jìn)行熱點(diǎn)信息發(fā)現(xiàn)和過濾，一般都需要比較精確的模式、較大的運(yùn)算量和較長(zhǎng)的處理時(shí)間?，F(xiàn)在，在面向事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用方式下，熱點(diǎn)信息的發(fā)現(xiàn)技術(shù)呈現(xiàn)前置的趨勢(shì)，不再僅局限在對(duì)數(shù)據(jù)中心的特定產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而是要在盡量靠前的環(huán)節(jié)去挖掘，這樣可以更加準(zhǔn)確和及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和預(yù)警。在數(shù)據(jù)流計(jì)算中，可以通過設(shè)計(jì)合適的匹配濾波器或者模式識(shí)別算法來對(duì)輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行動(dòng)態(tài)過濾，以捕捉所需要的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。在軌數(shù)據(jù)熱點(diǎn)檢測(cè)主要應(yīng)用于災(zāi)害識(shí)別與檢測(cè)領(lǐng)域，例如颶風(fēng)、野火、火山爆發(fā)等的自動(dòng)識(shí)別以及整個(gè)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)異常檢測(cè)等[6]。

6.多中心協(xié)同的信息反演

全球環(huán)境變化使得全球的科學(xué)家開始就全球性效應(yīng)和全球尺度問題進(jìn)行聯(lián)合工作，對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)作為極其重要的數(shù)據(jù)源在這些研究中發(fā)揮了巨大作用。但是每個(gè)觀測(cè)計(jì)劃都有其在波譜、時(shí)間和空間上的特定性和局限性。一方面體現(xiàn)為數(shù)據(jù)來源于遍布全球的多個(gè)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)量巨大頻繁大量的網(wǎng)絡(luò)傳輸將大大影響科學(xué)家研究工作的效率；另一方面計(jì)算工作本身需要在分布的環(huán)境下進(jìn)行，因?yàn)閷?duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析方法在很多情況下無法由某個(gè)單位單獨(dú)掌握和使用。因此全球性問題的研究需要多個(gè)互補(bǔ)觀測(cè)系統(tǒng)之間的合作，具體而言就是多個(gè)數(shù)據(jù)中心之間協(xié)同合作。對(duì)于這種全球規(guī)模數(shù)據(jù)的處理，各個(gè)存檔數(shù)據(jù)中心分頭進(jìn)行統(tǒng)一參數(shù)下的計(jì)算，顯然比將如此巨大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行全球移動(dòng)要更合理，也更為可行。

7.災(zāi)害和響應(yīng)

對(duì)地觀測(cè)技術(shù)通過衛(wèi)星等遠(yuǎn)程儀器獲取關(guān)于地球表面的信息，可以準(zhǔn)確、頻繁和實(shí)時(shí)地提供全球任何地方大片區(qū)域的數(shù)據(jù)。許多傳感器用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)，例如熱傳感器可以發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的火源，紅外傳感器可以發(fā)現(xiàn)洪水，而微波傳感器（能穿透云和煙）可以用于測(cè)量在地震前和地震中或火山噴發(fā)時(shí)地球的變形。對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的災(zāi)害監(jiān)測(cè)有兩個(gè)難點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)在軌實(shí)時(shí)處理和高頻率大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)的快速傳輸。傳感器的高精度定位是實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)在軌實(shí)時(shí)處理的基礎(chǔ)。為了保證變化檢測(cè)、目標(biāo)提取、幾何糾正等增值數(shù)據(jù)產(chǎn)品在軌處理的準(zhǔn)確性，傳感器必須有高精度的定位參數(shù)[7]。

8.數(shù)字地球與未來地球

作為和對(duì)地觀測(cè)銜接的科學(xué)框架，數(shù)字地球是一個(gè)廣泛的以信息高速公路和空間基礎(chǔ)設(shè)施為依托的概念，其核心思想是用數(shù)字化手段整體性解決地球的各種科學(xué)問題，并最大限度地利用信息資源。未來的數(shù)字地球不再局限于進(jìn)行地學(xué)數(shù)據(jù)的表達(dá)和呈現(xiàn)，而將成為一種對(duì)地球的各種學(xué)科的數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行綜合分析的平臺(tái)。同時(shí)，由國(guó)際科學(xué)理事會(huì)（ICSU）和國(guó)際社會(huì)科學(xué)理事會(huì)（ISSC） 共同發(fā)起的“未來地球”計(jì)劃將多學(xué)科交叉研究推向更加重要的位置。不論數(shù)字地球還是未來地球，其多學(xué)科的高度數(shù)據(jù)復(fù)雜性是非常顯著的信息特征。和常規(guī)的單學(xué)科研究不同，在這種綜合研究場(chǎng)景中，信息技術(shù)要面對(duì)的是多學(xué)科復(fù)雜數(shù)據(jù)類型之間的數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)整合問題。

三、大數(shù)據(jù)在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的典型案例

大數(shù)據(jù)時(shí)代的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)為發(fā)展空間地球信息科學(xué)奠定了基礎(chǔ)，從對(duì)地觀測(cè)過程的信息學(xué)特征可以清晰地看到此領(lǐng)域大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)。但目前大數(shù)據(jù)研究普遍存在著“只有數(shù)據(jù)、沒有利用”的問題，導(dǎo)致搜集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)付出的成本被浪費(fèi)。據(jù)報(bào)道，通過遙感衛(wèi)星獲得的影像數(shù)據(jù)中，目前得到應(yīng)用的不到5%，多半數(shù)企業(yè)不知如何從數(shù)據(jù)中獲得價(jià)值，因此這個(gè)問題急需解決，下面將介紹一些國(guó)內(nèi)外創(chuàng)新企業(yè)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)為遙感圖像應(yīng)用找出路的典型案例，希望能夠擴(kuò)寬我們的視野并從中得到有價(jià)值的借鑒。

1.Digital Globle:遙感圖像+大數(shù)據(jù)分析助力尋找馬航MH370迷蹤

馬航失聯(lián)客機(jī)MH370去哪兒的問題，牽動(dòng)著全世界的心。為了找出謎題的答案，尋回239名乘客的信息，各方為此動(dòng)用了許多手段，包括直接分析飛機(jī)上設(shè)備發(fā)出的各種信號(hào)，衛(wèi)星和雷達(dá)的天羅地網(wǎng)等先進(jìn)的科技方式，調(diào)遣各類船只前往可能事故區(qū)域搜網(wǎng)式調(diào)查，可惜都無果而終，就在失聯(lián)事件發(fā)生的12天后，澳大利亞宣布從衛(wèi)星影像中找到了疑似馬航MH370失聯(lián)航班殘骸，廣袤的洋面找一架飛機(jī)如同大海撈針實(shí)屬不易，雖然還未能確定殘骸是否來自于MH370，但在短短幾天內(nèi)在能夠通過海量的衛(wèi)星圖片發(fā)現(xiàn)如此重要的線索可見其背后的數(shù)據(jù)分析能力之強(qiáng)大，支撐這一能力的正是大數(shù)據(jù)技術(shù)，快速定位殘骸坐標(biāo)體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)技術(shù)在處理海量高分遙感圖像上的速度優(yōu)勢(shì)，展示了大數(shù)據(jù)與遙感技術(shù)的融合將在災(zāi)難救援方面的關(guān)鍵作用。

這次提供高性能計(jì)算解決方案和云方案的Adaptive Computing公司和著名的商業(yè)遙感公司DigitalGlobe。

（1）大數(shù)據(jù)解決方案提供商Adaptive Computing

位于美國(guó)猶他州普羅沃的Adaptive Computing。其Moab數(shù)據(jù)中心平臺(tái)正在被如橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、劍橋大學(xué)和The Weather Channel天氣手機(jī)應(yīng)用等全球不同類型的企業(yè)所使用。

Moab是Adaptive Computing公司的Big Workflow數(shù)據(jù)中心軟件包的組成部分，它聲稱能夠統(tǒng)合所有數(shù)據(jù)中心資源、優(yōu)化分析過程并且保證服務(wù)質(zhì)量。顧名思義，Big Workflow能夠簡(jiǎn)化工作流程解決大數(shù)據(jù)問題，還可以將對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析傳遞到多個(gè)平臺(tái)、環(huán)境和位置中去。

（2）遙感圖像提供商DigitalGlobe

DigitalGlobe是全球商業(yè)地球成像和地理空間信息市場(chǎng)的領(lǐng)先企業(yè)，公司使用DigitalGlobe圖像對(duì)各種行業(yè)都具有極其重要的意義，包括能源勘探，地區(qū)規(guī)劃，環(huán)境監(jiān)控，緊急響應(yīng)規(guī)劃，情報(bào)和3D仿真。其客戶和合作伙伴包括Google以及眾多的國(guó)際公司,政府機(jī)構(gòu)和新聞媒體。

DigitalGlobe操縱多顆高分辨率成像遙感衛(wèi)星，代表著商用遙感成像領(lǐng)域的最前沿，較現(xiàn)有的其他任何商業(yè)化衛(wèi)星圖像而言，它能提供最大尺寸、最大星載儲(chǔ)存容量和高分辨率的圖像。

參與本次搜索行動(dòng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來自以下5顆衛(wèi)星：Worldview-1（拍攝精度0.5m），Worldview-2（拍攝精度0.46m），GeoeEye-1（拍攝精度0.41m，681km軌道高度），QuickBird（拍攝精度0.61m，450km軌道高度）和IKONOS（拍攝精度0.82m）。

2.Skybox Imaging：邁向大數(shù)據(jù)時(shí)代的商業(yè)遙感成像公司

Skybox成像公司成立于2009年，目前員工不到60人，是名副其實(shí)的“小”公司，但卻在多輪融資中備受風(fēng)投的青睞，麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論將其評(píng)為2012年最具“摧毀性”的50家公司之一。

Skybox成像公司認(rèn)為，衛(wèi)星成像具有革新現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)和催生新產(chǎn)業(yè)的潛質(zhì)，但目前商業(yè)衛(wèi)星成像時(shí)效性差、價(jià)格高昂，衛(wèi)星圖像及其衍生產(chǎn)品卻不是滯后（如谷歌地圖展示的圖像是幾年前的），就是太貴（商業(yè)情報(bào)的每單任務(wù)要價(jià)高達(dá)2000～3000美元）；而且經(jīng)常還要給政府的優(yōu)先獲取權(quán)讓路，導(dǎo)致許多需求受到壓抑，許多潛在用途無法實(shí)現(xiàn)。在這些方面，Skybox成像公司認(rèn)為現(xiàn)在的衛(wèi)星圖像與1998年的GPS是很像的。Skybox成像公司要做的就是在衛(wèi)星圖像應(yīng)用領(lǐng)域掀起一場(chǎng)類似GPS的大變革。

首先，在地球成像的特性上，針對(duì)目前商業(yè)衛(wèi)星成像時(shí)效性差、價(jià)格高昂等缺陷，Skybox成像公司將目標(biāo)設(shè)定為近實(shí)時(shí)、低成本和高分辨率，以獲得后來者居上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該公司對(duì)成像數(shù)據(jù)的來源—衛(wèi)星進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)：由12～24顆成像小衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。衛(wèi)星的設(shè)計(jì)，特別是對(duì)衛(wèi)星制造成本的控制，是Skybox成像公司戰(zhàn)略上非常關(guān)鍵的一環(huán)。

按照Skybox成像公司的計(jì)劃，其星座每顆衛(wèi)星能夠不用5000萬(wàn)美元就能建造和發(fā)射，耗資僅為數(shù)字地球（DigitalGlobal）和地球眼（GeoEye）這些傳統(tǒng)成像公司運(yùn)營(yíng)的成像衛(wèi)星的1/10；用省下來的錢來進(jìn)行更大的在軌衛(wèi)星組網(wǎng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)一天3～4次對(duì)地球上任一點(diǎn)進(jìn)行拍攝，以滿足客戶對(duì)時(shí)效性的要求。

截至2013年5月，Skybox共獲得融資9100萬(wàn)美金。Skybox募集的資金將主要用于完成兩個(gè)目標(biāo)：Skysat-1、Skysat-2的研發(fā)與發(fā)射，招募軟件工程師和數(shù)據(jù)科學(xué)家，而后者，才是Skybox的秘密武器。

圖片和視頻的拍攝結(jié)合基于數(shù)據(jù)挖掘的強(qiáng)大的趨勢(shì)分析能力，將為各行業(yè)的信息決策提供前所未有的信息支持。目前已經(jīng)有大量的實(shí)際應(yīng)用，領(lǐng)域涵蓋從商業(yè)智能和金融貿(mào)易到災(zāi)難救援和人道救援。

為了達(dá)成這一目標(biāo)，Skybox正在建設(shè)一套基于Hadoop的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，用于處理并分析圖像等數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)。大量招募數(shù)據(jù)科學(xué)家，尤其是那些在Skybox目標(biāo)市場(chǎng)有從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的專家將非常關(guān)鍵。這些專家肩負(fù)著從圖像數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)特定領(lǐng)域價(jià)值信息的任務(wù)。

在這些原始衛(wèi)星圖像經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的處理后，用開發(fā)的基于云的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)，便捷地分發(fā)到客戶手中。用戶隨時(shí)登錄其云服務(wù)平臺(tái)，完成身份認(rèn)證，就能抓拍到地球上任一點(diǎn)的最新照片。Skybox成像公司計(jì)劃每8h就更新一次，在一個(gè)用戶界面友好的網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)有效地按日程收集、下載和處理圖像產(chǎn)品。

3.禾訊科技：商業(yè)化衛(wèi)星遙感服務(wù)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

農(nóng)業(yè)是生命之源、發(fā)展之基。由于農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境及多樣化的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)涉及到水、土、光、熱、氣候資源，作物育種、種植、施肥、植保、過程管理、收獲、加工、存儲(chǔ)、機(jī)械化等環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而且隨著農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，其數(shù)量將大大超過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為保障“舌尖上的安全”，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)不斷產(chǎn)生的大批非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的信息獲取、挖掘、存貯、處理與智慧應(yīng)用是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化不可或缺的手段。

目前公司主營(yíng)業(yè)務(wù)為在全球范圍主產(chǎn)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)并準(zhǔn)確預(yù)估產(chǎn)量，定量評(píng)估災(zāi)害后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受損程度從而幫助期貨或者現(xiàn)貨從業(yè)者更好的把握基本面情況，預(yù)測(cè)價(jià)格走勢(shì)，幫助保險(xiǎn)公司快速對(duì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確響應(yīng)。服務(wù)對(duì)象包括政府、農(nóng)產(chǎn)品期貨公司、農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易公司、財(cái)產(chǎn)保險(xiǎn)公司等。

美國(guó)農(nóng)業(yè)部是目前市場(chǎng)上唯一的權(quán)威信息壟斷發(fā)布機(jī)構(gòu)，禾訊公司成立之初就已“打破美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息領(lǐng)域壟斷，讓中國(guó)也能夠發(fā)出自己的全球糧食生產(chǎn)情況的聲音”為目標(biāo)，近幾個(gè)月公開發(fā)布的信息也證明了其實(shí)力：近期連續(xù)發(fā)布出來的大宗作物估產(chǎn)信息比美國(guó)農(nóng)業(yè)部提前半個(gè)月時(shí)間，信息準(zhǔn)確度也保持在97%到99%之間。

創(chuàng)始人向濤將禾訊定義為一家衛(wèi)星大數(shù)據(jù)應(yīng)用的公司，其運(yùn)作模式的本質(zhì)就是通過整合各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)，搭建出一個(gè)開放的數(shù)據(jù)平臺(tái)為社會(huì)提供服務(wù)，將遙感衛(wèi)星技術(shù)和人們的真實(shí)需求結(jié)合起來，從而建成一個(gè)公開的信息服務(wù)平臺(tái)，利用衛(wèi)星提供全球范圍內(nèi)最新的、最客觀的動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)服務(wù)，讓所有對(duì)此類信息感興趣的個(gè)人或機(jī)構(gòu)都可以通過該平臺(tái)進(jìn)行查閱。形式上就如同一個(gè)網(wǎng)上商店，將數(shù)據(jù)在平臺(tái)上開放，一些機(jī)構(gòu)或個(gè)人就能夠基于我們的開放數(shù)據(jù)做各種分析，經(jīng)過分析形成的模塊就可以為用戶提供有價(jià)值的服務(wù)。

隨著未來形勢(shì)的變化，衛(wèi)星數(shù)量會(huì)越來越多，經(jīng)由衛(wèi)星產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也將出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著全球化的迅猛發(fā)展，人們的生活會(huì)被各種看不見、摸不著、甚至很遙遠(yuǎn)地方發(fā)生的事情所影響，蝴蝶效應(yīng)愈發(fā)明顯，人們對(duì)世界范圍內(nèi)的信息需求也會(huì)越來越大。農(nóng)業(yè)乃我國(guó)立國(guó)之本，禾訊利用大數(shù)據(jù)技術(shù)輔佐商業(yè)遙感成像為關(guān)系到國(guó)民生活基本保障的農(nóng)業(yè)保駕護(hù)航可謂好鋼用在刀刃上，必將大有作為。

四、大數(shù)據(jù)情境下對(duì)地觀測(cè)研究的發(fā)展趨勢(shì)

1.從量變到質(zhì)變

對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)現(xiàn)象，在不同尺度上對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)水平提出了挑戰(zhàn)。對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)現(xiàn)象包括4個(gè)方面：①數(shù)據(jù)量劇增，已經(jīng)達(dá)到PB量級(jí)；②數(shù)據(jù)類型多樣，來自空基、天基的各種不同成像機(jī)理及數(shù)據(jù)獲取方式、不同時(shí)空分辨率和光譜特性的傳感器數(shù)據(jù)和地面臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等構(gòu)成了紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型；③應(yīng)用場(chǎng)景眾多，目前對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)在氣象、水文、能源、農(nóng)林種植、工礦開發(fā)及災(zāi)害應(yīng)急等諸多領(lǐng)域體現(xiàn)了其應(yīng)用價(jià)值；④應(yīng)用服務(wù)時(shí)間尺度多種多樣，天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害應(yīng)急等需要實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分發(fā)反饋，而地圖測(cè)繪、土地變化等則需要中長(zhǎng)期的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，不需要高時(shí)效性[9]。

2.多數(shù)據(jù)中心協(xié)同處理

傳統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)知識(shí)發(fā)現(xiàn)的科研模式在大數(shù)據(jù)情境下已經(jīng)不再適用，原因是傳統(tǒng)的科研模型不具有普適性且支持的數(shù)據(jù)量受限，受到數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)及時(shí)效性需求的制約等。因此，新知識(shí)正更多來自于大數(shù)據(jù)的使用，數(shù)據(jù)生命周期中信息學(xué)流程的變化正引發(fā)傳統(tǒng)科研模式的變化。以“用戶需求”為導(dǎo)向的對(duì)地觀測(cè)活動(dòng)，需要為有不同應(yīng)用需求的用戶提供恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)產(chǎn)品及信息資源，要求對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及快速分發(fā)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是多中心協(xié)同計(jì)算，通過構(gòu)建分布式多中心計(jì)算環(huán)境，將大量松散綁定或獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理任務(wù)動(dòng)態(tài)分配給閑置計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)調(diào)度及任務(wù)分配。目前需要解決的問題是如何實(shí)現(xiàn)有效地調(diào)度計(jì)算資源及跨異構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算時(shí)如何維持系統(tǒng)的高性能等。

3.模型驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)模式

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)生命周期信息學(xué)流程是從數(shù)據(jù)到信息，再通過模型進(jìn)行知識(shí)發(fā)現(xiàn)。而隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，可用模型已不能對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬推演，因此由模型發(fā)現(xiàn)知識(shí)的傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。

4.多學(xué)科交叉的科學(xué)研究

全球性的資源、環(huán)境問題日益凸顯，使得全球變化問題和可持續(xù)發(fā)展成為全世界科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的重點(diǎn)。全球變化的研究對(duì)象包括大氣圈、水圈、生物圈、人文圈并涉及外層空間，需要理解并掌握這些圈層中各個(gè)要素之間的物理、化學(xué)、生物、人文的影響過程和規(guī)律，需要自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和工程科學(xué)相融合的面向大數(shù)據(jù)的新科學(xué)研究方法，也需要科學(xué)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)之間的全新耦合和整合方法。

[1] 李德仁.地球空間信息學(xué)的機(jī)遇.武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2004;29（9）:753～758.

[2] 王毅.國(guó)際新一代對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展.地球科學(xué)進(jìn)展,2005;20（9）:980～989.

[3] 承繼成.數(shù)字地球?qū)д?科學(xué)出版社，2006.

[4] 國(guó)家遙感中心.地球空間科技信息科學(xué)技術(shù)進(jìn)展,2009;1.

[5] 李盛陽(yáng),張愛軍,朱重光,等.基于網(wǎng)絡(luò)的遙感圖像快速處理.計(jì)算機(jī)工程,2007;33（6）:35～37.

[6] Hampapuran Ramapriyan,G.M.,Stephen Morse,et al.Intelligent systems technologies to assist in utilization of earth observation data. Earth Observing Systems IX,2004;5542.

[7] 李德仁,沈欣.論智能化對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng),2005;30（4）:9～12.

[8] Chen,N,et al.Geo-processing workflow driven wildfire hot pixel detection under sensor web environment,Computers &Geosciences,2010;36（3）:362～372.

[9] 李國(guó)慶,鄔延群.大數(shù)據(jù)時(shí)代的對(duì)地觀測(cè)科學(xué)研究.中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊,2013;第九卷,第九期.