遥感大数据及其应用

论互联网+空天信息服务遥感大数据及其应用报告人：李德仁武汉大学2016年5月19日青岛引子v20世纪人类社会的一大进步是人们可以离开地球来观测地球v1961年4月12日“东方号”宇宙飞船载着苏联少校加加林在300多km的高度围绕地球飞行了106分钟，有诗为证：东方号，东方号，你打开了人类通往宇宙的大门；加加林，加加林，你实现了人类飞出地球的理想。1970年4月24日我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功。国家决定2016年4月24日为首个“中国航天日”报告内容1人类进入大数据时代2遥感大数据及其特点3遥感大数据挖掘与应用4结论与展望信息高速公路到网络空间v1993年9月，美国启动“信息高速公路”计划，即国家信息基础设施（NII）,引发了席卷全球的信息化革命；1994年，美国启动了国家空间数据基础设施（NSDI)的建设v1995年，中国启动了推动全国信息化的“八金”工程，标志着我国信息化建设开始起步v利用卫星导航定位技术、卫星遥感技术、网络地理信息技术和计算机虚拟现实技术，大量的表述地球自然形态和人类活动的几何与社会属性数据和信息被送入电脑，并在互联网上流通，形成虚拟的网络空间（Cyberspace）数字地球的提出v1998年，美国副总统戈尔提出“数字地球”概念，全球开始步入数字地球和数字城市建设新阶段v目前，我国已建成数字中国基础框架，已有600多个城市初步建成数字城市基础框架，国家测绘地理信息局发布在互联网上的“天地图”成了数字中国和数字城市的载体智慧地球v2006年以来，物联网、云计算等新一代信息技术正式推出，实现了工业化与信息化的综合集成v通过无所不在的传感网将网络世界与现实世界关联起来，形成虚实一体化的空间（Cyberphysicalspace），将自动和实时地感知现实世界中人和物的各种状态和变化，由云计算中心处理其中海量和复杂的计算、控制并产生智能反馈v2009年，全世界各国正式提出建设智慧地球和智慧城市智慧地球可为人类生存繁衍、经济发展、社会交往和文化享受等诸多方面提供各种智能化的服务：实现低碳、绿色、可持续发展大数据的兴起vNatureScience出版社分别于2008年、2011年出版了《BigData》、《Dealingwithdata》专刊，指出大数据时代已到来v2012年3月，美国奥巴马政府宣布正式发布了“大数据研究和发展倡议”，意义堪比20世纪的信息高速公路计划v无所不在的亿万个各类传感器将产生越来越多的数据，数据量级将从现在的GB、TB（TeraByte）级逐步增长到PB、EB和ZB（ZettaByte）级。v迫切需要通过分析这些结构复杂、数量庞大的数据，以云端运算整合分析，便能快速地将之转化成有价值的信息，从中探索和挖掘自然和社会的变化规律v利用大规模有效数据分析预测建模、可视化和发现新规律的时代即将到来大数据的特征vVolume（体量大）:大量TB、PB、EB级以上的数据等待处理；vVelocity（速度快）：需要响应以秒甚至毫秒计的流数据的不断产生；vVariety（模态多样）:数据来源和类型繁多，文本、图片、视频等结构化和非结构化数据并存；vVeracity（真伪难辨）:由于数据的噪音、缺失、不一致性、歧义等引起的数据不确定性；vValue（价值巨大）:大数据使得人们以前所未有的维度量化和理解世界，蕴含了巨大的价值，大数据的终极目标在于从数据中挖掘价值。此“5V”又译为：体量、速度、多样性、真实性和价值。数据挖掘的定义v从海量、多源大数据中自动发现和提取隐含的、非显见的模式、规则和知识的过程。v数据挖掘比数据处理和信息提取有更大的难度，需要基于大数据和知识库的智能推理。v基于智慧城市的大数据和云计算，数据挖掘的目的是从中窥探和挖掘自然和社会的变化规律，人们的生活、行为及喜好，社会的潮流、思维和舆论趋向，推断市场对产品、服务甚至政策等各方面的反应。数据挖掘过程数据获取数据存储数据计算数据传送与分配数据挖掘数据呈现数据安全数据采集、编需要低成本存大量的仿真和计需要将高维图像等多媒体数分享与访问控需要可视化索与整合储与分布式处算任务须协调数据降维后度量与处理制，安全与隐计算结果理百个参数私保护变换的数据抽取信息数据选择数仓库据选择变换挖掘融合数据融合、取样、多分辨率分析去噪、特征抽取、标称化降维处理分类/群集可视化/认证融合信息数据挖掘算法发现阶段准备阶段解释阶段合并压缩清洗寻找规按律建立模型包线性分析、非线性分析、线形回归、因子分析、单变量曲线、双变量统计时间序列分析揭示数据间的内在联系，例如发现政府、部门网站上各种文件之间访问的相互关系，获得不同网页间关联度，便于组织站点的内容照分类的公共属性描述来分配类别，利用历史数据推导和预测过滤人工神经网络、决策树方法、包括客户群聚类、web网页聚类，以便网站为用户提供特定的服务格式遗传算法、规律推理挖掘出数据的前后时间顺序关系，找到那些“一些项跟随另一项”的内部事转换可视化多变量的图形分析并给出变量的关系务模式发现web站点中常被访问的页面，了解用户的网络行为，以便改进页面及网站结构的设计空间数据挖掘金字塔（PyramidofSpatialDataMining）时空数据挖掘和知识发现的方法v统计方法和空间统计学v归纳方法v聚类方法v空间多测度、多时相分析方法v探测性的数据分析vRough集方法v数据场和云模型v图像分析和模式识别v神经网络、证据理论、遗传算法v数学形态学...报告内容1人类进入大数据时代2遥感大数据及其特点3遥感大数据挖掘与应用4结论与展望遥感传感器无所不在（Ubiquitous）地球空间信息的数据获取将从空天地专用传感器扩展到物联网中上亿个无所不在的非专用传感器l智能手机：具有通信、导航、定位、摄影、摄像和传输功能的时空数据传感器l城市中视频传感器：由于数量众多，能提供PB和EB级连续图像。这些都将大大地提高地球空间信息学的数据获取能力空天地传感器资源（专业和非专业）v天上的卫星已超过1000个（美国500多个，俄罗斯120多，中国135个）；v空中的有人飞机和无人机超过10000架；v地面移动测量系统和智能驾驶车上百万辆（光学和激光雷达）；v海上移动测量系统（光学、激光雷达和声纳）；v城市的各种智能传感器（中国视频头2000多万）；v人人手中的智能手机与智能手表（10亿多个）。国际商业遥感技术进展美国IKONOSⅡ卫星美国华盛顿米IKONOS卫星多光谱影像（4米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍隐约可见，花坛信息没有，背景草坪不清晰）IKONOS卫星融合影像（1米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍清晰可见，花坛和背景草坪显示出来，色调自然逼真，连纪念堂柱子的阴影都很清楚）QuickBird三峡坝区卫星图象典型的高分辨率遥感影像：北京西站，美国GeoEye，分辨率0.4米中外卫星遥感的性能差别美国中国v在轨运行卫星数量:205+300；135;v空间分辨率:0.15m；0.5-3m;v卫星定轨精度:3-5cm；3-5cm;v卫星定姿精度:0.001gon；0.005gon;v无控制目标定位精度:5-10m；5-20m;v有控制目标定位精度:0.3-0.5pixel；0.5-1pixel;v量化级别:10-12bit；8-10bit;v卫星侧摆变轨速度:1分钟；1-3分钟差别在缩小,”从无到有”走向”从有到强”.中国气象卫星:FYSeriesPolarOrbitsGeostationaryOrbitsFY|1A1B1C1DFirstGenerationFY|2A2B2C2D2ESecondGenerationFY|3A3BFY|3C43HFY-3AlaunchedonMay27,2008中国气象卫星发展路线图TherouteforfuturedevelopmentofFYseries2011FY-3AM12012FY-2G2013FY-4A(TEST)2012FY-3PM12013FY-3RM(TEST)2010FY2009FY-3B(TEST2014FY-3AM2008FY-2E2015FY-4E2006FY-2D2015FY-3PM202016FY-42020FY-4MS2017FY-4MS(TEST)2018FY-3PM32019FY-3RM22016FY-3RM12020FY-4WEST22019FY-4EAST225FY-2三颗卫星可15分钟重复观测OnehourimageloopHalfhourimageloop15minimageloop中国的环境与灾害卫星HJ-1a，1b，1cThe“2+1”projectincludesthreesatellitesandgroundsystem,2opticaland1SARAnditisexpectedtoexpandto“4+4”project.ThesecondstageisproposedtobeconstructedthroughinternationalcooperationHJ-1A，1B与TM和SPOT的比较HJ-1ACCD2Image(Bands4,3,2)TM5Image(Bands4,3,2)HJ-1BCCD1Image(Bands4,3,2)SPOT4Image(Bands3,2,1)HJ-1C:中国第一颗SAR卫星ItemPerformanceLaunchdate19Nov,2012Lifetime3yearsOrbitheight~500kmMicrowaveband(Polarization)S-band(VV)Radarfrequency(wavelength)3.2GHz(9.37cm)Radiometricresolution3dBSpatialresolution5m(Stripmap),20m(ScanSAR)Imagingswath40km(Stripmap),100km(ScanSAR)Incidenceangle25~47°Repeatcycle31daysHJ-1C湖北武汉SAR图像,2012年12月9日Wuhan,HubeiHJ-1C与其他SAR卫星比较HJ-1C,TerraSAR-X,9Dec28Sep20082012X-bandS-bandRADARSAT-2,7Dec2011ALOSPALSAR,13Mar2011L-band资源卫星1号（CBERS）中巴资源号彩色合成图像武汉市34中巴资源卫星CBERS-04的载荷与参数SensorParameterPanchromaticMulti-spectralIRSWFI0.45-0.52um0.50-0.90um0.45-0.52umspectralrange(um)0.45~0.90um0.52-0.59um0.63-0.69um1.55-1.75um2.08-2.35um0.52-0.59um0.63-0.69um0.77-0.89um10.4-12.5um0.77-0.89umGSD(m)5m10/20m40/80m73mNumberofquantizationbits8bit8bit8bit10bitSwath(km)60120120850WFIImages测绘卫星系列规划为了满足国民经济建设和社会信息化发展的需要，建议在我国对地观测系统中列立测绘卫星系列，包括：¨高分辨率立体测图卫星¨干涉雷达卫星¨激光测高/激光雷达卫星¨重力卫星¨导航定位卫星42资源三号基本情况资源三号卫星我国第一颗民用高分辨率立体测图卫星，主要用于1：50000立体测图及更大比例尺基础地理产品的生产和更新，以及开展国土资源调查与监测。平台基本参数ü卫星重量2640公斤ü星上固存容量1TBü平均轨道高度505.984公里；ü轨道倾角97.421度；ü降交点地方时10点30分；ü轨道周期97.716分钟ü回归周期59天43搭载载荷及参数：三线阵相机和多光谱相机载荷参数三线阵相机多光谱相机蓝：0.45-0.52um光谱范围0.5~0.8um绿：0.52-0.59um红：0.63-0.69um近