燕山大學(xué) 王蕊

中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 余濤 顧行發(fā) 楊建

在順應(yīng)我國當(dāng)前社會、經(jīng)濟(jì)、科技和全球化戰(zhàn)略發(fā)展需求，促進(jìn)我國航天遙感應(yīng)用轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，我國適時(shí)提出并實(shí)施了高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)、國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃和航天強(qiáng)國的遙感應(yīng)用“新三大戰(zhàn)役”。這期間，我國遙感技術(shù)從早期提倡融合遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和通信技術(shù)等的 3S+C?技術(shù)，到強(qiáng)調(diào)融合衛(wèi)星通信、導(dǎo)航與遙感的“通導(dǎo)遙”一體化，融合空基、天基及地面觀測手段的“空天地”一體化，伴隨社會信息化水平提升而處在快速發(fā)展階段。同時(shí)，遙感領(lǐng)域的業(yè)態(tài)也從若干獨(dú)立、分散的“行業(yè) + 遙感”模式向整體化、綜合性的“遙感行業(yè)”方向發(fā)展，形成體現(xiàn)國家綜合國力的戰(zhàn)略新型產(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟(jì)、人民生活和國家安全提供服務(wù)。

遙感應(yīng)用學(xué)

遙感應(yīng)用學(xué)作為遙感技術(shù)發(fā)展的階段性產(chǎn)物，具有時(shí)代性和歷史性。作為有關(guān)遙感行業(yè)的共性、基礎(chǔ)性認(rèn)識的研究，遙感應(yīng)用學(xué)的出現(xiàn)是基于遙感在一段時(shí)期內(nèi)的大量應(yīng)用實(shí)踐基礎(chǔ)上的，在融入了理學(xué)、工學(xué)和醫(yī)學(xué)等許多其他學(xué)科知識。

概念內(nèi)涵

遙感應(yīng)用學(xué)是有關(guān)衛(wèi)星遙感實(shí)踐的學(xué)問，涵蓋科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用過程的基本內(nèi)容，是對遙感應(yīng)用概念、范疇、原理方法與作用的概括和抽象。通過遙感應(yīng)用學(xué)研究反映遙感應(yīng)用深層次的特征與規(guī)律，服務(wù)社會與經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出，及人對世界的認(rèn)識與改造等 2?個(gè)人的始終愿望，提升認(rèn)識、理解并指導(dǎo)人們進(jìn)行遙感應(yīng)用實(shí)踐活動。

基礎(chǔ)認(rèn)識

1. 研究對象

遙感應(yīng)用學(xué)以人、遙感工具、觀測對象以及三者之間的關(guān)系作為研究對象。在整個(gè)研究過程中，人作為遙感應(yīng)用的主體，起到問題提出，過程實(shí)踐，結(jié)果評價(jià)的作用。遙感工具作為獲取觀測信息的手段，在技術(shù)的不斷提高過程中，觀測也從低分辨率到高分辨率，小范圍到大范圍，單角度到多角度等方面不斷深入，更有效地適配觀測對象特征及人的需求。

觀測對象信息的獲取程度同時(shí)也取決于對其認(rèn)知的水平，包括其狀態(tài)與變化、規(guī)律認(rèn)識以及理論掌握等方面。

2. 基本理論、基礎(chǔ)知識、基本方法

遙感應(yīng)用學(xué)將遙感信息論，遙感數(shù)據(jù)工程論、應(yīng)用技術(shù)成熟度、價(jià)值論作為基本理論如圖 1?所示。根據(jù)遙感信息流、技術(shù)流、價(jià)值流和物質(zhì)流等“4?流”特征對遙感信息、數(shù)據(jù)工程、技術(shù)狀態(tài)與變化、價(jià)值與作用等進(jìn)行分析。

遙感應(yīng)用學(xué)將與遙感信息流相關(guān)的許多物理學(xué)的基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)方法以及基本實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)作為基礎(chǔ)知識，構(gòu)建信號到數(shù)據(jù)到知識的信息流。

遙感應(yīng)用作為一種信息與過程的記錄，主要以數(shù)字形式存在，通過對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理、存儲、檢索、傳輸、處理、可視化、分析、發(fā)布及安全等操作獲得研究所需的信息。

遙感應(yīng)用學(xué)將現(xiàn)代科學(xué)四大范式作為基本方法，開展軟硬件技術(shù)的基礎(chǔ)，形成應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。

遙感應(yīng)用學(xué)基于對社會經(jīng)濟(jì)效益以及認(rèn)識改造世界的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識與理解遙感過程中的價(jià)值與利益鏈條，推進(jìn)遙感應(yīng)用與遙感技術(shù)的進(jìn)步。

遙感數(shù)據(jù)獲取

遙感數(shù)據(jù)獲取如圖 2?所示。遙感通過相位、偏振、角度、光譜、空間以及時(shí)間這 6?種采樣方式獲得遙感數(shù)據(jù)，而所獲得的遙感數(shù)據(jù)具有品種、規(guī)格、質(zhì)量、規(guī)模與時(shí)效性等 5 種指標(biāo)屬性，具有時(shí)效性高、數(shù)據(jù)量大、分布不規(guī)則等特征。

遙感是有關(guān)“探測繪”信息的手段，獲得觀測對象的時(shí)間、位置、幾何、物理、化學(xué)、生物學(xué)、社會學(xué)這 7?個(gè)特性，形成對觀測對象狀態(tài)與變化特征的“6W2H”等 8?個(gè)方面描述。其中“探”指通過發(fā)現(xiàn)、識別、確認(rèn)、分類、聚類、變化檢測等確定“what”特征問題的回答?！皽y”指獲得觀測對象有關(guān)位置、距離、大小、形狀、結(jié)構(gòu)、體積、重量、濃度、溫度、成分等位置、集合、物理、化學(xué)、生物學(xué)狀態(tài)及其變化等有關(guān)“when&where、how”特征問題的回答，即通過“探”與“測”了解觀測對象的 3W1H（what、 when&where、how）的內(nèi)容。“繪”是指可被人把控的抽象概括方式將探與測獲得的信息直接或與其他信息融合后加以表達(dá)，更直接、完整、簡潔地反映觀測對象時(shí)空特點(diǎn)，從而更加有效地對信息進(jìn)行快速把握、分析與理解，進(jìn)一步掌握關(guān)于“why、which、who、how much”等涉及機(jī)理、原因、社會學(xué)特性的3W1H 專題性問題的信息。

學(xué)科設(shè)置

按照遙感應(yīng)用學(xué)對觀測對象特性及人的需求的理解，可將其分為航天遙感器原理與遙感應(yīng)用工程；衛(wèi)星導(dǎo)航定位、攝影與遙感空間測量；衛(wèi)星遙感探測、識別與計(jì)算機(jī)處理；衛(wèi)星遙感觀測與計(jì)算機(jī)處理；專題制圖學(xué)與地理信息工程等 5 個(gè)學(xué)科分支。其中：

1. 航天遙感器原理與遙感應(yīng)用工程主要以遙感應(yīng)用為研究對象，開展遙感機(jī)理、系統(tǒng)工程、遙感效能效益、技術(shù)倫理等方面研究。

2. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位、攝影與遙感空間測量是以時(shí)間、位置和幾何狀態(tài)作為研究對象，利用航天平臺獲取信號信息對觀測對象進(jìn)行幾何學(xué)測量，然后獲得對象的位置、形狀、體積等方面信息。
3. 衛(wèi)星遙感探測、識別與計(jì)算機(jī)處理將人和計(jì)算機(jī)識別作為研究對象，利用航天平臺獲取信號信息，實(shí)現(xiàn)對觀測對象信息進(jìn)行識別、分類、變化檢測等。
4. 衛(wèi)星遙感觀測與計(jì)算機(jī)處理是研究從遙感數(shù)據(jù)中獲得有關(guān)觀測對象的物理化學(xué)及社會學(xué)特性的研究等。
5. 專題制圖學(xué)與地理信息工程將四維空間信息表達(dá)作為研究對象，利用仿真、專題圖、地圖以及 AR/VR等形式聚集、融合、分析與可視化自然和社會各種對象和現(xiàn)象的描述參數(shù)、空間分布、動態(tài)變化和相互關(guān)系。

遙感應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施

遙感應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施

遙感應(yīng)用是有關(guān)空間信息的獲取與應(yīng)用的，遙感應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施是信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成。遙感應(yīng)用實(shí)踐要通過應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施提供基礎(chǔ)保障，這是開展應(yīng)用服務(wù)的工具與前提條件。遙感應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施也可以為地面系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行提供總體論證、需求總體協(xié)調(diào)與技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)，新型探測技術(shù)中載荷、產(chǎn)品與應(yīng)用成熟度提升與評價(jià)；對軟硬件共性、基礎(chǔ)工具的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造以及技術(shù)與系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)。

作為人類知識與技術(shù)的綜合集成，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施既服務(wù)遙感應(yīng)用實(shí)踐，而且作為其重要組成部分也是應(yīng)用能力的重要表現(xiàn)。遙感應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施是遙感信息及空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是并行于信息鏈、技術(shù)鏈、價(jià)值鏈構(gòu)建與運(yùn)行的物質(zhì)鏈有形化表現(xiàn)。

遙感應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及科學(xué)研究四大范式

遙感應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施要保證遙感信息的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的獲取及處理、軟硬件的協(xié)同運(yùn)行及整個(gè)過程的價(jià)值實(shí)現(xiàn)，其構(gòu)建要依靠現(xiàn)代科學(xué)手段，這其中的核心是圍繞著數(shù)據(jù)集與模型集開展的。人有關(guān)研究與運(yùn)用的知識中 4?大科學(xué)研究范式是核心。通過對 4?大范式的運(yùn)用，可以形成較完整的技術(shù)手段集，綜合應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)遙感技術(shù)的價(jià)值。

1. 16世紀(jì)，伽利略提出了數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，提出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證作為科學(xué)研究第一范式，即“數(shù)據(jù)”的范式，這種研究方法通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，利用歸納總結(jié)形成對觀測對象規(guī)律的認(rèn)知。但該方法受實(shí)驗(yàn)條件限制，會出現(xiàn)精度不高等問題。
2. 17世紀(jì)，牛頓發(fā)明了微積分，同時(shí)他出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》這一影響當(dāng)時(shí)自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的著作，隨之出現(xiàn)了模型推演作為科學(xué)研究第二范式，即“模型”的范式。利用這種方式可以將復(fù)雜問題簡單化，但現(xiàn)實(shí)生活中完全按照模型變化的事物僅占一小部分。
3. 20世紀(jì)中葉，圖靈、馮諾依曼、香農(nóng)等科學(xué)家發(fā)展計(jì)算機(jī)手段及加深對信息的認(rèn)識，將仿真模擬作為科學(xué)研究的第三范式，即“模型 + 數(shù)據(jù)”的范式，這種范式可以適應(yīng)復(fù)雜的情況，通過已知信息和相關(guān)知識，并在復(fù)雜的環(huán)境中搭建實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜情況非線性響應(yīng)的理解。
4. 21世紀(jì)，吉姆格雷提出數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)作為科學(xué)研究第四范式，即“科學(xué)大數(shù)據(jù)”。當(dāng)代社會是一個(gè)“大數(shù)據(jù)”的信息社會，各種時(shí)空間信息碎片形成了更加復(fù)雜的整體信息，通過“數(shù)據(jù) + 模型”方式對這種整體信息分析，可以得到更加準(zhǔn)確的因果關(guān)系以及相關(guān)性等信息。

遙感大數(shù)據(jù)與小數(shù)據(jù)

遙感海量數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)

遙感手段是獲取空間信息的海量數(shù)據(jù)“生產(chǎn)線”，具有數(shù)據(jù)種類多，數(shù)據(jù)體量大，處理速度快，價(jià)值密度高等特點(diǎn)，是一種海量數(shù)據(jù)。但是這種數(shù)據(jù)的處理還是建立在幾何、物理化學(xué)及社會學(xué)指標(biāo)間因果關(guān)系的理解上，是一種大量的運(yùn)算。

大數(shù)據(jù)指的是一種范式，是對海量數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上對規(guī)律的分析，追求的是相關(guān)關(guān)系或更加深刻的、復(fù)雜的規(guī)律及因果關(guān)系，需要通過新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察力，在內(nèi)容上超過了海量數(shù)據(jù)，是海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜類型的數(shù)據(jù)的集合。

遙感小數(shù)據(jù)及其應(yīng)用

1. 面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的地理時(shí)空數(shù)據(jù)智方體與小數(shù)據(jù)

遙感地理時(shí)空數(shù)據(jù)智方體（Geo?Raster?Intelligent?Data?Cube， GRID?Cube）是一種地理時(shí)空柵格大數(shù)據(jù)的組織模型，通過高分辨率的“小數(shù)據(jù)”形式存儲遙感信息、數(shù)據(jù)等。GRID Cube?可以將遙感數(shù)據(jù)從雜亂無序的高維度狀態(tài)轉(zhuǎn)換成規(guī)則有序的可處理信息。主要從尺度緯度、信息緯度和時(shí)態(tài)緯度三個(gè)方面對地理時(shí)空柵格大數(shù)據(jù)進(jìn)行有序化和大數(shù)據(jù)降緯。

在構(gòu)建GRID Cube?中，只有與觀測對象相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)才會聚集， 大量無關(guān)的數(shù)據(jù)將被去除，即有用信息的結(jié)合，這是一種從體量規(guī)模上看體量非常小的規(guī)格化數(shù)據(jù)塊，被稱為小數(shù)據(jù)。這種小數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)單位被稱為“數(shù)方”，即數(shù)據(jù)方塊（Data Square）的意思。

2. 基于數(shù)方的專題應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建

遙 感 應(yīng) 用 系 統(tǒng) SPID（Software，Platform，Infrastructure &

Data）架構(gòu)基于互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)理念，其中 S?提供遙感專題應(yīng)用服務(wù)， P?提供共性信息和技術(shù)平臺服務(wù)，I 提供硬件基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，D?提供和遙感相關(guān)的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息和相關(guān)的輔助數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)服務(wù)。具體服務(wù)內(nèi)容如圖 3?所示。

建設(shè)信息集成共享與服務(wù)平臺，針對共性技術(shù)研發(fā)與服務(wù)需求， 集成基礎(chǔ)共性關(guān)鍵技術(shù)、綜合數(shù)據(jù)庫、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的成果，開展共性技術(shù)研發(fā)成果、協(xié)同實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的服務(wù)，對實(shí)現(xiàn)遙感信息資源深層次共享以及遙感信息集成與整合具有重要意義。通過服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)的最大化共享，對外提供多用戶的一站式服務(wù)門戶，為大眾用戶、行業(yè)和區(qū)域示范用戶、專家用戶以及市場用戶等提供產(chǎn)品、模型、算法、數(shù)據(jù)和工具等資源集中輸入和分發(fā)輸出， 同時(shí)也要得到用戶體驗(yàn)中心和用戶評價(jià)中心的肯定。

3. 基于 COGON的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)框架與應(yīng)用服務(wù)模式

COGON 框架是云概念和網(wǎng)格計(jì)算的原理產(chǎn)生的一種適用于集成共享與服務(wù)原型系統(tǒng)的分布式服務(wù)交互模型，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)交付和使用模式，是指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需服務(wù)。其實(shí)現(xiàn)原理即將大量用網(wǎng)絡(luò)連接起來的計(jì)算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)資源池向用戶提供按需服務(wù)。

針對遙感系統(tǒng)不同的用戶可以設(shè)計(jì)以下三種不同的服務(wù)模式：

• 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式，根據(jù)空間尺度的不同對數(shù)據(jù)進(jìn)行切分， 用戶在查詢數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)數(shù)方的多維要素，通過單次全覆蓋檢索功能和多時(shí)序輔助篩選，快速查詢和獲取面向應(yīng)用的最優(yōu)組合數(shù)據(jù)。
• 數(shù)據(jù)桌面應(yīng)用模式，可以簡化數(shù)據(jù)在前期預(yù)處理過程，完成數(shù)據(jù)最優(yōu)的挑選過程，基于數(shù)方的小數(shù)據(jù)可以加快數(shù)據(jù)的加載、處理和可視化過程，小數(shù)據(jù)的處理也便于釋放內(nèi)存，降低對內(nèi)存的要求。
• 數(shù)據(jù)移動終端應(yīng)用模式在數(shù)據(jù)錄入是根據(jù)用戶需要錄入有用數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在各階段格式相一致，保證處理、生產(chǎn)和發(fā)布的無縫連接，服務(wù)平臺在收到用戶信息請求之后也可立即將目標(biāo)數(shù)方進(jìn)行生產(chǎn)并推送到終端，提高工作效率。

4. 應(yīng)用案例

遙感技術(shù)可以廣泛地運(yùn)用到農(nóng)業(yè)、氣象、林業(yè)、環(huán)境、災(zāi)害等多個(gè)民用領(lǐng)域，以及情報(bào)探查和戰(zhàn)場監(jiān)視等多個(gè)軍用領(lǐng)域。例如在對某一地區(qū)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測時(shí)，可以分析環(huán)境大氣污染物 PM2.5?的近五年內(nèi)的變化趨勢，針對環(huán)境惡化或者改善程度，分析原因并給出針對性的意見。另外對于亂砍濫伐進(jìn)行取證時(shí)，可以利用遙感手段對這片區(qū)域進(jìn)行不同時(shí)期的信息取證，確認(rèn)理賠。在發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)，可以利用遙感手段實(shí)時(shí)進(jìn)行應(yīng)急實(shí)況直播。

遙感應(yīng)用學(xué)作為各領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)學(xué)科，起著重要作用，同時(shí)遙感大數(shù)據(jù)作為了解觀測對象的基礎(chǔ)，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行識別、分類、融合、整理成研究所需的遙感小數(shù)據(jù)信息十分重要。目前，為滿足人們的需求，遙感技術(shù)不斷地發(fā)展，獲取信息的能力逐漸從表面深入到內(nèi)部狀態(tài)，從靜態(tài)描述到動態(tài)分析，隨著研究領(lǐng)域的拓寬，遙感技術(shù)正不斷地增加社會的經(jīng)濟(jì)效益并幫助人們認(rèn)識和改變世界。