大數(shù)據(jù)時代對地觀測衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢論文

　　一、前言

　　對地觀測是人類利用衛(wèi)星、飛船、航天飛機、飛機以及近空間飛行器等空間平臺和地面、地下的各種傳感器設備獲取觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合各個學科的專業(yè)知識，對地面物體和地理過程進行監(jiān)測和預測的科學活動，其目的是更加深刻和科學地揭示人類社會活動所依賴的地球環(huán)境和人地環(huán)境的規(guī)律和變化，增強人類對地球的利用和適應能力。對地觀測研究工作具有非常明顯的信息學特征。因此，除了地球科學方法論外，信息科學方法論也對對地觀測科學活動有非常重要的指導意義。對地觀測研究很大程度上是圍繞著“信號—數(shù)據(jù)—信息—知識”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—信息加工—信息挖掘—信息呈現(xiàn)”的數(shù)據(jù)全生命周期。

　　從信息科學的角度來看，對地觀測領域知識發(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)人員的目視判讀進行信息解譯和勾繪制圖，然后再利用其他學科的知識對獲得的信息進行修正。這種方法顯然不能滿足日益增大的觀測數(shù)據(jù)量和日益復雜的應用模式需求。在數(shù)據(jù)量不斷增大、信息提取精度不斷提高的情況下，依賴于計算機處理的數(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地觀測信息深度應用的趨勢，這種能力也隨著計算機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))量級的數(shù)據(jù)分析和信息挖掘工作，從應用上解決了較大地理尺度上的復雜地學問題。提升計算機的處理速度和存儲設備的規(guī)模已經(jīng)成為解決觀測數(shù)據(jù)量增大和信息模型復雜化所帶來的問題的一個很好的途徑。進入 21 世紀以后，對地觀測技術(shù)又呈現(xiàn)出很多新的發(fā)展趨勢，其中大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)給對地觀測的研究帶來了全新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。近年來，隨著對地觀測需求的增加和技術(shù)的進步，各種類型傳感器獲取數(shù)據(jù)的能力不斷提高，使得國內(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，對地觀測領域成為數(shù)據(jù)密集型計算的一個典型應用。整個對地觀測系統(tǒng)流程突出體現(xiàn)了“需求牽引—知識驅(qū)動”的概念和原則，形成了以社會需求為先導來發(fā)展對地觀測衛(wèi)星、傳感器、平臺、數(shù)據(jù)傳輸、信息處理、應用模型及相應科學理論的發(fā)展模式。

　　二、對地觀測領域的大數(shù)據(jù)現(xiàn)象

　　在對地觀測領域，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)。以我國遙感衛(wèi)星為例，2008 年發(fā)射的風云三號 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，實現(xiàn)了對整個地球進行連續(xù)觀測，隨后與 2010 年和 2013 年發(fā)射的風云三號 B 星和 C 星組網(wǎng)，對地球開展每天 6 次的觀測。衛(wèi)星觀測數(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)需要運用“大數(shù)據(jù)”的方式，而且需要大量的數(shù)據(jù)科學家開展基礎研究工作，研究算法，從數(shù)據(jù)中實時提取地球參數(shù)信息，進而為科研、業(yè)務的數(shù)據(jù)信息需求服務。這一事實充分說明了從海量遙感數(shù)據(jù)的獲取、存儲、提取與分發(fā)、數(shù)值處理，到數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)，對地觀測活動的整個生命周期體現(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)的真實性難以保證(veracity)、數(shù)據(jù)增加和變化的速度快(velocity)。

　　國際上，美國和歐洲處理和分發(fā)中分辨率數(shù)據(jù)較中國稍早幾年，美國處理 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。由于美國沒有 MODIS 的后續(xù)衛(wèi)星計劃，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)。中國風云氣象衛(wèi)星規(guī)劃已持續(xù)到 2020 年，因而，在未來幾年，中國的風云衛(wèi)星中分辨率遙感數(shù)據(jù)在國際上將是重要的數(shù)據(jù)源，向全球用戶提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，將是中國數(shù)據(jù)科學家肩上的重任。

　　1. 觀測平臺和傳感器的數(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來完成的。遙感飛行平臺的發(fā)展體現(xiàn)在：①先進的衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)，包括大型的綜合衛(wèi)星平臺與小衛(wèi)星星座;②先進的集成高—中—低空飛行作業(yè)的航空遙感平臺;③全面一體化的對地觀測綜合系統(tǒng)。未來的傳感器搭載平臺將是由相輔相成的高中低軌道上的大小衛(wèi)星平臺和高中低航空平臺組成的，天地一體化、全球性、立體和多維的觀測體系。與此同時，對地觀測傳感器的數(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相分辨率)和全天候方向發(fā)展。遙感平臺和傳感器的技術(shù)進步使得獲取的數(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 萬景影像，每天獲取 67GB 的觀測數(shù)據(jù)。而 2012 年發(fā)射的資源 3 號衛(wèi)星，每天的觀測數(shù)據(jù)獲取量可以達到 10TB 以上。類似的傳感器現(xiàn)在已經(jīng)大量部署在衛(wèi)星、飛機等飛行平臺上，未來 10 年全球天、空、地空間中部署的百萬計傳感器每天獲取的觀測數(shù)據(jù)將超過 10PB。

　　2.天- 空- 地一體化的對地觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸

　　巨大的觀測能力需要通過覆蓋天-空-地的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)來實現(xiàn)對地觀測平臺和全球地面接收站網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳遞。這種傳輸能力要通過一個由光纜、地面微波、蜂窩移動通信和低、中以及靜止軌道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成的、服務于全球的、無縫隙覆蓋的、全球一體化的高速天-空-地對地觀測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)。現(xiàn)在，單個傳感器的信號下傳速率已經(jīng)突破了 Gbit/s。

　　3. 海量數(shù)據(jù)的快速處理

　　標準遙感產(chǎn)品的快速生成需要高吞吐量、高精度及自動化的分布式數(shù)據(jù)處理能力，以滿足規(guī)模化、業(yè)務化的標準產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。標準產(chǎn)品快速處理的突出特點是即時性和大吞吐量，兼有數(shù)據(jù)密集、計算密集的性質(zhì)。海量遙感數(shù)據(jù)的處理需要利用龐大的網(wǎng)絡計算資源，通過并行計算、分布式處理以及集群計算技術(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡化大數(shù)據(jù)量處理及多機分布式并行處理，以滿足應用的需求。我們可以利用網(wǎng)格技術(shù)把分散在不同地理位置的計算機組織成一個“虛擬的超級計算機”，來提供高性能和高吞吐量的計算環(huán)境，為完成計算密集型任務提供有力的手段;同時充分利用網(wǎng)絡上多種閑置計算設備的處理能力，完成傳統(tǒng)計算模式下不能完成的各種大數(shù)據(jù)量的計算任務，從而保證標準產(chǎn)品的快速處理和生成。

　　4. 下一代空間數(shù)據(jù)設施

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

　　5. 數(shù)字地球與未來地球

　　作為和對地觀測銜接的科學框架，數(shù)字地球是一個廣泛的以信息高速公路和空間基礎設施為依托的概念，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行地學數(shù)據(jù)的表達和呈現(xiàn)，而將成為一種對地球的各種學科的數(shù)據(jù)和模型進行綜合分析的平臺。同時，由國際科學理事會(ICSU)和國際社會科學理事會(ISSC) 共同發(fā)起的“未來地球”計劃將多學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，其多學科的高度數(shù)據(jù)復雜性是非常顯著的信息特征。和常規(guī)的單學科研究不同，在這種綜合研究場景中，信息技術(shù)要面對的是多學科復雜數(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。