讓人工智能來(lái)熬夜讀圖——我國的遙感圖像智能處理技術(shù)

　　用計算機和人工智能來(lái)替代讀圖員，把浩如煙海的遙感原始數據變成有用的知識，同時(shí)把遙感應用引向普及和深入，甚至走進(jìn)普通民眾的生活，這是業(yè)界幾十年來(lái)的夢(mèng)想。人們?yōu)榇藝L試了很多算法和方法，但是要把它變成產(chǎn)業(yè)，變成行業(yè)和個(gè)人能夠使用的工具。卻是一項知易行難的工程。

　　判讀員不夠用了

　　從遙感圖像里提取信息，是遙感應用和遙感產(chǎn)業(yè)的基本生產(chǎn)方式。在衛星遙感發(fā)明出來(lái)以前，航空遙感是人們俯瞰地球的主要手段。那時(shí)的航空遙感相機都是用膠片作為記錄手段的。圖像判讀員們要對著(zhù)這些照片做人工目標判讀工作。衛星遙感技術(shù)發(fā)明和應用，特別是傳輸性對地觀(guān)測衛星的出現，讓這些傳統的判讀員們有了新的任務(wù)。

　　但是越來(lái)越豐富的圖像資源帶來(lái)了新的問(wèn)題：判讀員不夠用。按照美國軍方的標準，一名合格的判讀員培養周期長(cháng)達八年之久。即使在技術(shù)人才最為充裕的美國軍隊和美國情報部門(mén)，也長(cháng)期面臨著(zhù)判讀員嚴重匱乏的問(wèn)題。所以大部分衛星圖像——不管是數字的還是膠片的——從來(lái)沒(méi)有人看過(guò)。

　　同樣的問(wèn)題也出現在民用領(lǐng)域，自從傳輸型遙感衛星投入使用，衛星遙感圖像的數量再也不受膠片攜帶量的限制。高分辨率衛星的商業(yè)化和商業(yè)星座的普及，更是讓數字遙感圖像成了要多少有多少的海量資源。

　　僅僅從國內而言，目前在軌運行的就有國有制的資源、高分系列衛星，以及商業(yè)機制的吉林一號星座和高景星座，更多商業(yè)星座正在籌劃和部署之中。判讀員不夠的問(wèn)題，比以前更加突出了。

　　這形成了遙感應用產(chǎn)業(yè)中最為薄弱的一個(gè)環(huán)節，龐大的資源和龐大的需求之間，靠極為有限的人力判讀環(huán)節維持著(zhù)。產(chǎn)能不足必然會(huì )抑制需求，這也是遙感應用市場(chǎng)一直沒(méi)有像位置服務(wù)及廣播電視那樣發(fā)展壯大的原因。

　　熬夜得來(lái)的驅動(dòng)力

　　國外遙感應用界最近才把這個(gè)問(wèn)題推向前臺。2017年9月，在歐洲咨詢(xún)公司主辦的“世界衛星商業(yè)周”上，人們熱議的話(huà)題正是“對地觀(guān)測行業(yè)從銷(xiāo)售數據轉向銷(xiāo)售答案”。要從數據中取得答案，就不可能像傳統上那樣靠人力來(lái)分析數據，只能依靠人工智能和深度機器學(xué)習技術(shù)。

　　在遙感產(chǎn)業(yè)界規模最大、名氣最大的數字地球公司，則把自己的業(yè)務(wù)全面轉向了亞馬遜網(wǎng)絡(luò )服務(wù)公司(AWS)，利用AWS所掌握的機器學(xué)習技術(shù)來(lái)實(shí)現深度分析，服務(wù)于防務(wù)、情報、公共安全、測繪、環(huán)境保護、油氣勘探和導航等領(lǐng)域。這一連串的事件得到了國際航天媒體的廣泛報道。但是國外航天媒體所沒(méi)有報道的是，中國的商業(yè)航天創(chuàng )業(yè)者們不但很早就意識到了這個(gè)問(wèn)題，而且表現出了更高的行動(dòng)力。

　　早在2006年，一家叫做航天星圖科技(北京)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)航天星圖)的創(chuàng )業(yè)企業(yè)，就啟動(dòng)了向遙感圖像智能處理進(jìn)軍的進(jìn)程。迄今為止，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了五代產(chǎn)品，從GEOVIS 1到GEOVIS 5，智能化程度越來(lái)越高。在曙光超級計算機和智能計算基數的支撐下，這種產(chǎn)品平臺正在發(fā)揮著(zhù)日益顯著(zhù)的效能。不但如此，航天星圖還打算融合用戶(hù)的知識與力量，共同建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，開(kāi)發(fā)GEOVIS平臺的應用，共同把遙感數據中的信息變成對社會(huì )運行有用的知識。

　　航天星圖并不是因為突發(fā)奇想才選擇了遙感圖像智能處理這個(gè)研究方向。早在21世紀初，國內就開(kāi)始采購國外高分辨率商業(yè)遙感衛星圖像。當時(shí)這類(lèi)衛星圖像數量較少，而且應用非常有限，用人力處理圖像還是可以接受的方式。

　　隨著(zhù)圖像數量的增加和用戶(hù)任務(wù)的頻繁，人力處理的弊端越來(lái)越突出。航天星圖的幾位創(chuàng )業(yè)者當時(shí)供職于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所。這是中國第一個(gè)綜合型電子信息科學(xué)研究所，也是國內航天遙感技術(shù)的領(lǐng)先單位。有關(guān)科研人員經(jīng)常為用戶(hù)進(jìn)行遙感衛星圖像的處理工作。在遇到應急任務(wù)的時(shí)候，就需要增加人手或者徹夜加班。創(chuàng )業(yè)者們逐漸萌發(fā)了用計算機來(lái)自動(dòng)處理圖像，提取目標的想法。后來(lái)發(fā)生的一件事情堅定了他們的認識。

　　當時(shí)，用戶(hù)要求從海洋遙感圖像當中找到一條船的位置，而留給他們的時(shí)間只有一個(gè)晚上。項目團隊為此組織了二三十人進(jìn)行圖像判讀，忙了一晚上之后，總算順利完成了客戶(hù)交付的任務(wù)。但這僅僅是一個(gè)用戶(hù)要找一條船而已，如果用戶(hù)需要找十條船、一百條船怎么辦?如果是一百個(gè)、一千個(gè)用戶(hù)同時(shí)下單怎么辦?很顯然，靠堆人力是不可能應對爆發(fā)式需求的。

　　實(shí)際上，幾乎每個(gè)領(lǐng)域的遙感科研人員都遇到了這種問(wèn)題。人們紛紛嘗試著(zhù)計算機自動(dòng)處理，進(jìn)行了大量的理論研究和算法編制，發(fā)表了大量論文。航天星圖的創(chuàng )業(yè)者們也不例外。為了提高生產(chǎn)效率，他們嘗試著(zhù)利用計算機圖形圖像處理技術(shù)來(lái)對遙感圖像進(jìn)行粗略篩查。本著(zhù)“寧可選錯不可放過(guò)”的原則，先把所有疑似目標都挑選出來(lái)，然后再由人力進(jìn)行精細的識別和選取。

　　這種方式提高了生產(chǎn)效率，也降低了工作人員的負荷，取得了初步的成效。但是這種粗略篩查，有著(zhù)很高的虛警率。計算機經(jīng)常把小塊的云團當作海上目標提取出來(lái)，也經(jīng)常把那些被云層遮蓋了一半的船只漏過(guò)。能不能更進(jìn)一步，消除計算機自動(dòng)識別的虛警率呢?

　　這個(gè)時(shí)候，人工智能和深度機器學(xué)習技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。國際上這兩項技術(shù)的研究和應用取得了很大的成效，一次次的人機對弈都會(huì )登上新聞頭條。創(chuàng )業(yè)者們敏銳地意識到了深度機器學(xué)習技術(shù)對遙感產(chǎn)業(yè)的意義。

　　經(jīng)過(guò)艱苦的努力，團隊將人工智能和深度學(xué)習技術(shù)應用在計算機圖形圖像處理當中，成功實(shí)現了高準確率的圖像自動(dòng)識別和目標提取，虛警率已經(jīng)降低到了人工分析的水平。

　　而且，計算機可以不眠不休地日夜工作，不會(huì )疲勞、不會(huì )厭倦，更不會(huì )像人類(lèi)那樣為瑣事所困擾，這是人力永遠無(wú)法相提并論的。遙感圖像智能處理技術(shù)終于取得了決定性的突破。

　　左圖為原始影像 ，右圖為提取結果(道路、建筑物、水體、植被)

　　會(huì )研發(fā) 也會(huì )應用

　　技術(shù)成熟之后，就面臨著(zhù)產(chǎn)品化和業(yè)務(wù)化的問(wèn)題，然而中國科學(xué)院電子研究所是一家以科研為主要工作模式的學(xué)術(shù)型單位。對于這家研究所的科研人員來(lái)說(shuō)，取得成果、發(fā)表論文是主要的考核模式，這與商業(yè)企業(yè)的運行模式是不同的。

　　為了把計算機圖像自動(dòng)處理技術(shù)推向市場(chǎng)、廣泛服務(wù)于用戶(hù)，在中科院成果產(chǎn)業(yè)轉化的大背景下，中科院電子所和中科曙光共同組建了航天星圖。電子所有圖像智能處理的技術(shù)積累，中科曙光有超級計算機和商業(yè)化經(jīng)驗。強強聯(lián)合，彼此促進(jìn)。經(jīng)過(guò)十余年積累，公司已經(jīng)在國防、交通、國土、農業(yè)、林業(yè)、城市管理等多個(gè)領(lǐng)域實(shí)現了業(yè)務(wù)化運行。這對于中國遙感乃至世界衛星遙感產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，都是較為前沿的嘗試。

　　它的意義不僅僅在于將先進(jìn)技術(shù)投入商業(yè)化運營(yíng)，而且在于通過(guò)商業(yè)運行獲得的投資和利潤，反哺技術(shù)開(kāi)發(fā)、反哺基礎理論突破，創(chuàng )建一種有示范價(jià)值的科研成果應用和轉化機制。這對于遙感應用和衛星產(chǎn)業(yè)的所有領(lǐng)域，都有著(zhù)推動(dòng)作用。