記者 | 彭新
在最新的遙感技術、雲計算，以及機器學習的幫助下，遙感技術的應用正在發揚光大。
近日，清華大學研究人員發佈了全球首套中國30米分辨率逐季節土地覆蓋和逐年土地利用圖，以及首套中國30米逐日無縫遙感觀測數據集。
新成果由清華大學理學院院長、地球系統科學系主任宮鵬領導的研究團隊完成。這項工作基於二十年的衛星收集數據，在亞馬遜雲計算服務(AWS)協助下，實際處理時間不到三個月。“不太正規地說，我們是將數據放在雲計算系統中‘把玩’，最終完成成果的。”宮鵬稱。
遙感技術於19世紀問世。1839年，人類就利用它獲得了第一張照片。1858年法國人首次乘氣球在巴黎上空進行了空中攝影實驗，到1903年發明了飛機之後，航空攝影迅速發展起來。1957年第一顆人造衛星升空時，人們把遙感裝置裝在了衛星上，開始出現了從宇宙空間進行探測的方法，從此遙感技術進入了實用階段，成為一種綜合性的探測技術。“遙感觀測是動態監測區域及全球尺度資源與環境變化的唯一途徑。”宮鵬說。
有關衛星遙感應用，一則軼事頗為經典。在美國，一家擁有衛星遙感技術的公司，兼併了一家銅礦公司後，利用衛星遙感技術獲得的資料，查清了內華達州礦產分佈情況，並發現價值數百億美元的大銅礦，從而加速了這家公司銅礦業務擴大再生產。
衛星遙感應用如此廣泛，被稱作“天上的眼睛”，它獲取信息量大，能揭示地球表面的特徵和結構，無論是當下的疫情研究還是山火預警，都有其用武之地。迄今為止，隨著對地觀測領域進入大數據時代，對地觀測數據開放共享從單純的數據共享模式轉變成以“谷歌地球引擎”（Google Earth Engine）和澳大利亞地球科學“數據立方體”（Data Cube）為代表的新型對地觀測數據開放共享服務。
兩項服務均在2011年推出，“谷歌地球引擎”將全球歷史存檔的長時間序列的多源遙感數據整合在一起，用戶不僅可以免費下載數據，還能對大規模影像進行在線分析（如變化檢測、趨勢分析等）。“數據立方體”基於超算平臺，實現了對澳大利亞遙感、氣象、地面站點數據的一致性數據管理。
但實際上，構建現有遙感數據平臺的衛星圖像數據質量參差不齊，需要預先處理。以谷歌為例，在同一時間每一張原始衛星圖像（稱為“一景”）邊緣作處理時，為達到連續效果，會在圖像接邊處進行平滑和羽化。雖然看著接邊處過渡連續了，但是數據與真實情況不符。此外，還有大氣雲層、衛星運行影響下，產生的誤差畸變、觀測錯誤等，從中識別需要專業人員修正。
“衛星直接獲得的圖片不能拿來直接使用，因為衛星圖片不會是自然連續的，很可能像100塊的拼圖，少了50塊的效果，但也有可能同樣的拼圖來了好幾塊。” 宮鵬解釋。
當前研究的目標是構建“無縫數據集（Seamless Data Cubes，SDC）”，也就是連續無縫地展現特定分辨率下所有地表覆蓋的衛星圖譜。如今，宮鵬和他的團隊成員劉涵博士等則把流程自動化了，基於AWS集中存儲的公共數據集，包括美國聯邦地質調查局的陸地衛星Landsat數據，以及中等分辨率的成像光譜儀MODIS的數據等。藉助AWS基於雲計算架構大規模的算力，結合機器學習計算框架後，最終將幾百萬張高分辨率衛星圖像拼接在一起，並構建了多維的時空數據立方體。此外，通過使用時空數據融合重建技術，完成的圖像沒有異常值和缺失值（如雲、條帶值等），並重現了無縫的高時空分辨率遙感圖像。
將雲計算引入到遙感科研中的想法堪稱領先。近年來雲計算在公共部門和商業機構中運用廣泛，但在國內科研機構中則少有接觸。就國內科學研究而言，藉助大學自建數據中心（IDC）或是超算平臺是主流做法，但就遙感數據而言，產生的數據通常以PB（約合1000TB）計算，無論是數據的傳輸、管理以及分析，在成本和IT架構上的瓶頸都非常大。於是宮鵬選擇了AWS，在離AWS 公共數據集最近的區域使用 AWS 算力進行分析計算。
在雲端分配算力並不複雜，按照AWS解釋，操作上僅需鼠標“數次點擊”。宮鵬告訴界面新聞，其項目所需算力已經用到了AWS在中國科學界的應用最大極限，相當於世界500強超級計算機中前200強的位置。另一方面，涉及到PB級數據的存儲、傳輸，在基於AWS在全球已有數據中心分佈的情況下，數據的抓取、處理簡便快速。有了雲計算幫助，光是在數據中心上從頭建設節省的時間，就達到數年。
一些初步的結論已經給出，比如根據分析，中國耕地面積未低於18億畝紅線且有較大差距；國內森林面積在增加，顛覆過往國際主流看法；以及在生物多樣性熱點地區和氣候變化上，人類活動產生了顯著影響等。
隨著數據集的發佈，宮鵬認為，一場中國衛星遙感數據處理和信息提取的革命已經發生。不僅是遙感專家，即使毫無遙感專業知識的用戶都能快速完成他要做的應用。任何人都能上網查閱全球地表覆蓋圖，實現快速全球製圖。
另一方面，基於30米逐日無縫遙感觀測數據集和製圖產品，代表著中國衛星遙感數據處理和信息提取的新範式，可以為農林生產、城市建設、抵禦洪澇和山火防範提供重要基礎數據，促進政策設計和優化、行政執法、全球氣候變化模擬和預測，以及在生物多樣性、環境保護上服務於聯合國可持續發展目標等。
“遙感監測跨越地理、政治或學科的界限，改變了人類對地球的認知。”宮鵬說，藉助技術進步，他希望人類面對無常的大自然時，仍能夠力有所逮。
