在云服务的助力下，卫星遥感技术可以怎样造福人类？

谈起卫星遥感技术，估计不少人都会觉得玄之又玄。但其实这项技术在地理上的应用，和人类社会的生产生活，以及未来的可持续发展都息息相关。

今天，趣味科技就来给大家说说卫星遥感技术的那些事儿，以及这项技术背后的功臣——云计算所起到的作用。

改变世界和造福人类的科技

地表覆盖和土地利用，集中反映了人类活动、地球能量平衡、水文循环、碳收支等众多问题。近年来的环境变化和人类活动，导致地表覆盖和土地利用也在不断变化。因此从地方到全球范围，都需要更加精细和更加频繁的地表覆盖和土地利用的地图，来支持实现联合国的可持续发展目标。

通过卫星从太空利用时空遥感技术对地球进行观测，可以获得地表覆盖和土地利用等重要基础数据。如果对每天得到的这些基础数据进行长时间的连续动态研究，就可以将其作为参数对气候变化等进行模拟和预测，从而有效地防范各种自然灾害，包括对农业监测、城乡规划、生态环境保护等都可以发挥重要作用，并且有利于促进政策的设计和评估、优化，辅助行政执法。

举例来说，通过对地表覆盖观测数据的连续比对，可以发现中国的耕地面积近年来确实是在减少，但目前情况并没有像大家想象的那样糟糕，与18亿亩的红线相比还有很远的距离。

不仅如此，卫星遥感技术和基础数据观测，对联合国可持续发展目标的实现，包括消除贫穷、减少饥饿、健康、清净的水、清洁能源、经济增长、基础设施创新、城市、负责任的消费和生产、气候、水下生物的保护、陆上生物的保护、国际合作等，也有着非常突出的贡献。

我们常常说“科技改变世界”，而卫星遥感技术在各个领域的应用，可以说就是一个极佳的范例。

清华大学团队研发的世界上唯一一套10米分辨率地表覆盖图

卫星遥感数据使用的一大难题

虽然卫星遥感数据对地球和人类的可持续发展贡献良多，世界各国在该领域的需求和应用也一直在水涨船高，不过长久以来，下载和使用这些卫星观测数据都有着极高的门槛。一方面，使用者需要根据地球上的不同区域，向不同地方的卫星发射者申请提供数据下载或是有偿购买；另一方面，使用者在获得数据之后，往往会发现因为受到卫星运行、大气云层干扰、辐射误差以及其他状况的影响，原始数据产生了几何畸变，导致得到的数据图像看上去歪七扭八，很难直接使用。

举个例子，如果我们想要对某个省进行地理制图，那么就需要根据卫星遥感观测数据采集许多图像来进行拼接。但由于图像采集时间的不同以及几何畸变的误差，很可能拼接起来的效果就像是大片的马赛克。譬如大家熟知的谷歌地球，虽然表面看上去效果很不错，但如果我们将画面的细节放得足够大，同样会发现在不少地方都有专门做平滑或羽化的过渡。这样做虽然视觉效果要更加舒适，但这些过渡地方的数据其实与真实情况并不相符，如果要想在此基础上做进一步的信息产品提取，显然也是不准确的。

为了解决这一难题，数据的提供者纷纷想方设法，试图降低几何和辐射的误差。其中一些技术较高的国家可以将误差降得非常低，但是另一些国家可能就没法做得那么好，总体来说水平参差不齐。这也导致在很长一段时间里，中国都没有拿来就能直接使用的分析就绪数据（Analysis Ready Data，简称ARD）。

不过值得庆幸的是，在清华大学地球系统科学系与亚马逊云服务（Amazon Web Services，简称AWS）的携手合作下，这一难题终于在近日取得了重大突破。

清华大学理学院院长、地球系统科学系主任宫鹏教授

卫星遥感数据处理和信息提取的一场革命

“这是中国卫星遥感数据处理和信息提取的一场革命！”谈起清华大学地球系统科学系与AWS合作推出的新一代中国和全球地表覆盖和土地利用制图成果，清华大学理学院院长、地球系统科学系主任宫鹏教授这样向趣味科技介绍道。

为了解决卫星遥感数据使用的技术难题，清华大学地球系统科学系科研组刘涵博士等提出了一种多维数据立方体的时空数据融合重建框架，通过自动化、无服务器的端到端生产链，来构建无缝、分析就绪数据格式的多维数据集。这不仅极大地减轻了用户的预处理负担，可以满足不同类别的用户需求，而且也将遥感数据的使用范围扩大到了更加广泛的社区，并提供了近实时地球观测的能力。

宫教授指出，这项革命性的进步有着多项重大意义。

一、它将对卫星遥感数据的处理，由过去的无法直接使用降到了如今最小误差的标准。过去因为门槛高导致不会用、不能用的用户，甚至是毫无遥感专业知识的用户，现在都可以直接使用；

二、它对数据共享也提供了很大的便利，其他用户如果有应用需求，只要选中自己想要的那一块裁下来就可以用，这就是ARD分析就绪数据带来的好处；

三、在应用层面，这项技术进步也同样带来了根本性的改变。

“如果说之前的卫星遥感数据用户只是一万专业用户的话，那么有了我们的这个制图成果之后，可能有上百万的人都可以使用这些数据，从而极大地激发大众的创造力，促进遥感应用市场化的普及。这就是这项工作的意义。”宫教授说道，“所以我们才说这是一场革命，对整个地球系统观测行业都将产生深远影响。”

首套中国30米分辨率逐季节土地覆盖图

来自云端的技术支撑：AWS是唯一选择

 

不难想见，清华大学地球系统科学系如此宏伟的项目，自然也需要极其可观的数据存储和计算资源作为支撑。那么放眼全球，哪家云服务提供商才是最理想的合作伙伴？

“我们想了很久，到底跟谁合作才能把这个事情做成？最后决定选择AWS的云服务，因为这是唯一可行的选择。”宫教授说道。

宫教授指出，除了大家熟知的灵活性、弹性、可伸缩性、按需资源和异构服务等特点之外，AWS在很多方面都有着自己的技术独创性，这也使得其成为了本次合作项目唯一的选择。

一、该项目是一个创造性的大数据应用，充分利用了AWS涵盖生命科学、医疗健康、地理信息、天气与气候、人工智能等众多领域的公共数据集，可以帮助研究人员显著降低与分析大型数据集相关的成本、时间和技术障碍，更好地应对各种可持续性挑战；

二、AWS为该项目提供了极强的云上高性能计算能力，相当于目前全球TOP200的高性能计算机，而且AWS还在全世界布有紧密的数据高速网络，可以直接在离公共数据集最近的网络上大规模开启算力，而不用搬运数据。否则科研组如果从世界各地下载PB级的海量数据拉来中国，那么用半年的时间连基本数据都无法完成；

三、AWS并不是简单地提供储存和数据服务，而是在云服务里就包括了人工智能与机器学习的计算框架，可以支持科研组做各种各样的应用，并支持快速工程化项目。

从2019年9月开始跟AWS联系合作，到2020年1月仅仅数月的时间，清华大学地球系统科学系就制作完成了中国地区2000年1月1日到2018年12月31日逐季节土地覆盖和逐年土地利用制图，以及未来计划完成的21世纪全球地表覆盖第一套30米分辨率的季节性土地覆盖和逐年土地利用图。

“这个成果开辟了中国卫星遥感数据处理和信息提取的新范式，将来的一切都会因此而发生很大改变。”宫教授说道，“未来我们还可以开展更多的应用，譬如预测台风等自然灾害，估算在全球不同地区种植粮食的产能……我们确实进入了一个遥感全球观测的新时代。”