基于国产遥感卫星的典型要素提取技术框架

王东华，张宏伟

(国家基础地理信息中心，北京 100830)

1 立项背景和意义

全球范围高精度、高时效性、高可靠性地理空间信息和资源环境数据是国家“一带一路”“走出去”战略实施的重大需求[1]，而我国目前高精度典型要素数据建设主要集中在境内区域，2014年我国完成了全球30 m地表覆盖数据（GlobeLand30）的生产[2]，近两年开展了东南亚部分区域2 m分辨率DOM和10 m分辨率DSM的试生产[3]，总体上大中比例尺的地理信息数据境外几乎是空白。境外典型要素数据主要依靠卫星遥感技术获取，必须解决国产卫星影像处理和信息提取方面的关键技术问题[4-6]，才能实现我国全球典型要素数据自主获取的能力，打破国外在技术手段和数据源方面的封锁。

为攻克基于国产遥感卫星进行典型要素提取的重大共性关键技术，国家重点研发计划地球观测与导航专项2016申报指南在“地球系统科学与区域监测遥感应用技术”方向设置了重点任务“基于国产遥感卫星的典型要素提取技术”[7]。本项目围绕申报指南关于研究内容和考核指标要求，研究解决基于资源三号、高分系列等在轨及其他待发射自主卫星影像进行全球典型要素提取所面临的技术难题。

2 总体目标与主要研究内容

2.1 总体目标

通过本项目研究，建成基于国产卫星影像的全球多尺度典型要素提取技术指标体系及系列标准规范，攻克基于多源信息和人工智能分析的境外典型要素提取、光学敏捷卫星无场地自主在轨几何定标与协同处理等系列关键技术难题并建成协同生产软件系统，建立毫米级全球历元地球参考框架。突破境外典型要素提取关键技术难题，为全球典型要素提取工程化生产提供技术支撑,必将显著提升我国地理空间信息全球生产和服务能力,全面提升我国对全球资源掌控的能力和国际事务决策能力。

2.2 主要研究内容

本项目拟从几何定位、信息提取、参考框架构建、技术集成与应用示范等方面开展研究，主要研究内容如下。

1）国产卫星遥感影像高精度几何定标与协同处理技术

研究国产光学卫星无场地自主几何定标和多源遥感数据交叉几何定标与精度验证方法，研究多源观测数据协同几何处理的误差模型、平差方法、精度分析与验证方法，实现不同分辨率国产卫星影像境外无控制高精度几何定位。

2）境外典型地形要素自动识别与提取技术

研究基于多源知识和主动学习、深度学习、迁移学习等人工智能的多源遥感影像地形核心要素自动提取方法，挖掘多源影像间的样本自动迁移规则；研究多源遥感影像间的时—空—谱信息互补的地形要素自动提取方法；研究人机智能系统的反馈—学习的机制和算法。通过上述技术的集成，实现典型地形要素自动识别与快速提取以及增量更新。

3）典型资源环境要素提取与定量遥感技术

拟从中高分辨遥感影像典型陆表特征参量反演、地学特征提取、机器学习和地学认知等途径交叉融合，突破典型资源环境要素多尺度表达与多源遥感数据协同解译等关键技术，实现典型要素的精确提取。

4）毫米全球历元地球参考框架(ETRF)构建关键技术

综合采用多种空间大地测量技术建立毫米级历元地球参考框架，分析评估历元地球参考框架的时变稳定性，构建地球非线性构造和非构造运动模型；研建全球一体化理论模型，实现全球地球参考框架与我国区域地球参考框架的无缝关联。

5）全球典型要素提取技术集成与应用示范

开展基于国产遥感卫星全球典型要素提取的关键技术集成及其评估验证技术研究，研发典型要素协同生产软件系统，形成系列技术规范和产品标准。在“一带一路”沿线和全球环境变化研究热点区域，选取3～5个示范区开展示范应用。

3 主要技术路线及预期成果

3.1 主要技术路线

针对国产卫星影像的几何和辐射特点，本项目拟从无场地自主定标和交叉定标、多源观测数据协同几何处理、中高分辨遥感影像典型陆表特征参量反演等技术，解决国产卫星影像境外高精度几何定位和定量遥感反演。充分借鉴机器学习和人工智能的先进研究成果，利用多源参考信息作为已有知识，结合不同典型要素的特点，开展自动、半自动的识别与提取方法研究。综合采用多种空间大地测量技术建立毫米级历元地球参考框架,研建全球一体化理论模型,解决多源信息整合、全球多尺度成果表达遇到的全球统一高精度定位基准问题。通过集成上述关键技术，研制产品和技术标准规范和软件系统，建立全球典型要素提取技术体系，在典型示范区开展示范应用，项目总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线图Fig.1 Overall technology roadmap

1）国产卫星影像高精度协同几何处理技术

结合未来四年将要发射的国产遥感卫星，通过星上星敏感器与陀螺仪的数据联合处理以及地面高精度几何定标场，以数据仿真和真实数据验证相结合，开展星地联合的国产遥感卫星几何误差规律分析、建模和协同几何处理方法研究。其中2.5 m分辨率尺度的立体卫星影像以资源三号和天绘一号卫星影像为主，优于1 m的立体卫星影像计划以高分七号立体卫星影像为主，该卫星影像预计2018年发射，项目初期计划利用模拟数据和国外商业立体卫星影像代替，等发射后再利用该卫星影像进行实验验证，具体技术路线如图2所示。的在线实时计算方法的集成，研制人机协同智能系统方法的典型地形要素提取平台，解决境外无法调绘带来的属性信息获取和要素矢量数据生产效率提升等难题。技术路线如图3所示。

图2 国产卫星遥感影像高精度几何协同处理技术路线Fig.2 Technology roadmap of high-precision geometrical coprocessing of domestic satellite images

图3 典型地形要素提取技术流程Fig.3 Technical process of the extraction of typical topographic features

2）典型地形要素自动识别与快速提取技术

以多源多分辨率国产立体卫星影像为主，研究多源立体影像和多模态InSAR的高可靠DEM/DSM自动提取和辐射一致性DOM拼接与融合技术。采用空间数据统计建模、时空数据挖掘等方法，开展境外多源地理信息挖掘与整合。在广域海量遥感影像与多源地理信息支持下，通过要素样本与特征知识的自动构建及基于特征信息的深度学习，形成高适应性的要素快速识别算子集。提出样本—特征—模型的迁移学习理论，在缺乏境外样本的条件下，通过样本传递、特征变换、模型迁移，实现跨域地形要素提取方法。采用AGI、POI等地理信息辅助，通过语义信息嵌入、后处理约束、地理信息先验模型等方式，增强跨域、跨境的机器学习模型精度和可靠性[8]。通过影像目标特征的人机协同学习方法、高效率的全局优化框架下多要素形状精确修正与快速演化算法、要素矢量拓扑

3）典型资源环境要素自动识别与快速提取技术

以高分一号16 m宽像幅等国产高分辨率遥感影像为主，拟开发由模型反演、典型要素三维信息获取、多尺度扩展与融合的多算法集成的高精度遥感反演算法，实现国产高分辨率影像陆表特征参数的高精度反演。在陆表典型资源环境要素特征与遥感产品地学特征支持下建立典型资源要素遥感特征库，描述遥感产品均值、极值、标准差和梯度等地学统计参量与资源要素特征的关系。利用地学专家知识、特征提取与斑块等级结构提取相结合的智能计算方法构建资源要素特征，提取全球典型资源环境与矿产要素，并对典型自然保护区生态环境的资源环境影响因素进行分析与评估。利用计算机视觉的多时相影像协同分割与GIS中的在线数据挖掘技术提取地表覆盖增量，结合地理生态分区知识库去除伪变化，提高增量检测的精度；研制基于增量的地表覆盖更新制图方式，改变传统的地表覆盖制图模式，实现快速、高效、精确的地表覆盖制图。课题技术路线如图4所示。

图4 典型资源环境要素自动识别与快速提取技术路线Fig.4 Technical roadmap of automatic identification and rapid extraction of typical resources and environmental features

4）毫米全球历元地球参考框架(ETRF)构建技术

拟基于GNSS/VLBI/SLR/DORIS等多源空间大地测量数据，进行不同空间大地测量技术的最优化组合、地球构造/非构造影响精细模型构建、历元参考框架稳定性分析方法和空间基准统一与转换的多技术整合，实现毫米级全球历元参考框架。通过分析GNSS/VLBI/SLR/DORIS不同技术对原点、尺度和定向响应的敏感程度，确定用于多技术组合的局部联接的并置站点，并基于并置站观测质量分析结果和方差分量估计方法进行多技术优化组合定权；针对参考框架点坐标的各类非线性运动的主要特征（地壳形变、板块运动、地球物理资料）造成的地球构造和非构造形变，进行精细特征提取和模型化，消除对于框架点坐标的时序影响，建立顾及非线性的毫米级历元地球参考框架。同时对其进行参考框架点时序分析和特征提取，建立时变稳定性评价指标体系；基于全球空间基准框架的一体化理论方法，建立不同地球空间基准之间的无缝关联模型，实现毫米级历元参考框架在全球范围内的广泛使用，为不同时相的高分辨率遥感影像典型要素提取快速高效、全球统一的高精度空间基准。技术路线如图5所示。

图5 毫米全球历元地球参考框架(ETRF)构建技术路线Fig.5 Technical roadmap of the construction of millimeter global epoch terrestrial reference frame (ETRF)

5）全球典型要素提取技术集成与应用示范

集成国产卫星影像几何定位、定量遥感、信息识别提取等方面的关键技术，将关键技术点集成为协同生产技术流程线，形成典型要素提取协同生产软件平台。考虑境外复杂环境下的差异化条件，开展充分而有代表性的区域技术试验，将标准体系设计与技术试验相结合，两者齐头并进，相互印证。调研各专业部门和应用领域，从应用出发，设计切实支撑全球典型要素产品的指标和提取技术流程，完成境外典型要素提取应用示范。拟采用的技术路线如图6所示。

图6 全球典型要素提取技术集成与应用示范技术路线Fig.6 Technical roadmap of extraction technology integration of global typical features and application demonstration

3.2 预期成果

1）研建基于国产卫星影像的全球多尺度典型要素提取技术指标体系及系列标准规范，填补国内空白，涵盖大比例尺和中高分辨率的多种类型产品，满足我国获取境外高精度地理信息工程应用急需，为国家“一带一路”和“走出去”战略提供地理信息技术支撑。

2）研发基于多源信息和人工智能分析的境外典型要素提取技术和软件系统，构建包含多种高精度定量遥感产品和多尺度特征信息的先验知识背景场，发展融合多源信息、规则和知识的典型要素提取方法，突破境外到达困难地区的典型要素提取的技术难题，将全球典型要素提取准确率从目前的75%左右提高到85%，自动化程度达到80%，实现工程化应用。

3）研发光学敏捷卫星无场地自主在轨几何定标与协同处理技术与软系统，解决国产卫星高精度定位缺乏境外定标场、姿轨参数精度相对较低等问题，将国产卫星无控制几何定位精度从10多米提高到3米以内。

4）建立历元地球参考框架，融合 GNSS/VLBI/SLR/DORIS 空间大地测量技术,构建地球非线性构造和非构造运动模型，精度达到 5 mm，为典型要素提取提供全球统一的高精度空间定位基准框架。

4 结束语

通过本项目研究，建成基于国产卫星影像的全球多尺度典型要素提取技术指标体系及系列标准规范，攻克基于多源信息和人工智能分析的境外典型要素提取、光学敏捷卫星无场地自主在轨几何定标与协同处理等系列关键技术难题并建成协同生产软件系统，建立毫米级全球历元地球参考框架。突破境外典型要素提取关键技术难题，为全球典型要素提取工程化生产提供技术支撑,提升利用国产卫星影像获取全球典型要素的能力，推动国产卫星影像的广泛应用，必将显著提升我国地理空间信息全球生产和服务能力,全面提升我国对全球资源掌控的能力和国际事务决策能力，为我国“一带一路”建设、全球变化研究、全球生态事务参与提供了有利条件。