21世纪地球都有哪些变化？AI“天眼”带您回溯

◎科技日报记者 张佳星

卫星虽被形象地称为“天眼”，事实上卫星数据的应用，却难以做到“尽收尽用”。

中国工程院院士杨小牛就曾经表现，卫星在天上飞来飞去，效能其实并不高，天天只有几十分钟时段内收罗到的数据是地面需要的。

那些大量的被认为是无效数据的“废片”，有没有可能被使用起来？

“我们使用高性能的云盘算和建模的方法，构建了全中国规模内2000年1月1日到2018年12月31日逐日的无缝数据立方体，基本上填补了同时实现高空间分辨率和高时间频率遥感观察的空缺。”4月15日，清华大学理学院院长、地球系统科学系主任宫鹏在线先容，清华大学地球系统科学系通过公共数据资源和时空遥感技术，制作完成首套中国30米逐日无缝遥感观察数据集，以及逐季节土地笼罩和逐年土地使用的数据集。

首套中国30米分辨率逐季节土地笼罩图

人工智能深度“补片”

“传统的对地卫星观察，拍下来的一景一景的照片是差别时间收罗的数据，拼在一起并不完整，使用门槛很高。”宫鹏解释，“卫星直接获得的图片不能拿来直接用的，因为卫星图片不会是自然一连的，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。”

不止如此，卫星轨道的偏差会造成同一地方差别时间拍摄的图片难以重叠，云彩的遮挡、雾气不匀称的散射都市导致大量的卫星遥感数据难以反映地表的真实情况，而成为难用的“废片”。

卫星获取的图像不能直接拿来用

基于此前完成的世界上唯一一个10米分辨率全球地表笼罩制图数据处置惩罚历程中积累的履历，清华大学地球系统科学系团队自主研发了时空数据融合重建的技术。

“我们构建了人工智能需要的知识库，其中包罗世界首套全球全季节普适样本库和相关领域知识。库中分为训练样本库和完全独立的验证样本库。”清华大学博士生刘涵先容，联合亚马逊云服务（AWS）上面一整套完善的人工智能和机械学习的套件和服务，团队设计和训练了一套适应遥感大数据的深度遥感特征学习和分类模型。

运用大量盘算和图像时空融合技术，把不完整的“拼图”重建成时空一致的图像库，应用人工智能技术识别例如路面是沥青、土路还是水泥路面等地表笼罩类型，通过模型训练，完成高性能的推理，建设起这一深度遥感制图模型的“超能力”。这个模型凭据知识库不停学习，使用人工智能算法，能够完成不及格“废片”的补片事情，甚至可以补足缺失的部门。

“所获得的效果，最后经由遥感专业化的变化检测和时空一致性后处置惩罚方法，最终获得了中国30米逐日无缝遥感观察数据集和这套全国逐季节土地笼罩和逐年土地使用图。”刘涵说，团队从原始数据到多维时空数据库以及最终的制图产物中的所有数据都统一存放在云服务平台的遥感数据湖中，利便举行数据统一的处置惩罚和分析。

云上高性能盘算，

提供超高算力

“地球系统科学使用和发生的数据是极其庞大的，例如气候模拟和预测会生成时间距离在小时级、地面分辨率是3公里的气候数据，发生的数据量和卫星遥感数据类似，量级都在PB级以上，相当于数百万集高清影戏的量级。”宫鹏先容，因此需要超强算力来完成。

如果举行数据中心建设的话，需要三、四百个机柜，占地成本和时间成本都是庞大的。据先容，亚马逊云服务（AWS）为项目的完成提供了10万核左右的云上高性能盘算资源。

此外，卫星数据使用的是AWS公共数据集中的数据。据宫鹏先容，公共数据集中存储了许多公共数据，包罗美国联邦地质观察局的陆地卫星Landsat数据、中平分辨率的成像光谱议MODIS的数据等。

对这些数据集中的数据举行AI处置惩罚，如果不在云上举行而是搬运下载后再运算，那搬运的时间也可能需要几个月。据先容，通过云上高性能盘算，能够把算力部署在公共数据集周边，围绕数据举行盘算。AWS在全球有22个区，开放数据集漫衍在差别的区域，需要欧洲的数据，就可以把算力开到欧洲，如果需要用美国的数据，算力就可以开到美国。

“这样的算力和结构使得巨量的盘算和分析成为可能。”宫鹏说。

让小学生也能用遥感图

“中学生、小学生想拿数据做点什么，从内里抠出来，拉几条曲线，或者把一个区域拿出来做一些探测、变化、趋势的分析，都已经变得很是容易。”宫鹏说，对于卫星公共数据的梳理、重建，让卫星遥感图的使用门槛大大降低，如果说之前只有专业用户能从数据中获得价值，那么以后更多的普通用户也能看懂和使用这些数据，这将开发中国卫星遥感数据处置惩罚和信息提取的新的范式。

宫鹏教授认为，这将开发中国卫星遥感数据处置惩罚和信息提取的新的范式。

“未来我们希望继续开发全球逐日无缝遥感观察数据库。”宫鹏说，到时人们不用再去美国联邦地质观察局或者欧空局的网站上下载原始数据了，那些数据的处置惩罚也很是的艰难，所有的数据需求都可以更容易地实现，在经处置惩罚后的有效数据中进一步分析和应用，并将衍生出更多地应用可能。

团队研发的世界上唯一一套10米分辨率地表笼罩图

基于遥感观察数据集，宫鹏教授团队举行了相关的土地使用分析，他先容，研究发现，我国的耕地确实在淘汰，但现在耕地的面积比18亿亩的耕地红线还高许多。此外对于中国森林面积的数据也举行了时空一致性的盘算，出现了21世纪我国森林面积不停增加的趋势，也印证了我国森林掩护工程的有效性。研究还发现我国掩护区有较好的土地掩护效应，但掩护区周围却泛起了较大的滋扰，泛起了较强的土地使用和破坏的情况。

“针对这次疫情，我们的都会土地使用数据能够明确指出居住区在哪，高密度的居住区在哪，这样的地域对疾病的流传有助长的作用，或者说负担更大的风险。”宫鹏说，期待能够为更富厚的数据使用提供研究基础。

泉源：科技日报 文中图片均由受访者提供

编辑：李俊霞

审核：管晶晶

终审：冷文生