PIE 6.0遙感產品體系及應用服務

文|劉東升

航天宏圖信息技術股份有限公司

一、研發背景

隨著對地觀測技術的迅速發展，多視角、多手段、多時相、多分辨率遙感影像源的獲取能力不斷提升，遙感應用領域不斷拓展。航天宏圖信息技術股份有限公司（以下簡稱航天宏圖）自主研發的PIE軟件，是一款高度自動化、簡單易用的遙感工程化應用軟件，主要面向國內外主流的多源遙感影像數據提供遙感圖像處理、輔助解譯、信息提取及專題制圖功能。

從2008年起，PIE從 1.0發展到6.0版本歷時整整十年。在遙感應用市場的驅動下，PIE始終以“激活數據價值，服務行業應用”為研發使命，以精準、快速、穩定、便捷為研發目標，不斷豐富PIE功能模塊，提升PIE性能指標。PIE遙感產品體系覆蓋了光學、合成孔徑雷達（SAR）、高光譜、無人機等多源載荷影像的全流程處理，產品形態上不僅有桌面軟件和集群軟件，還重點打造了PIE-Cloud遙感云平臺，把圖像處理技術與云計算技術深度融合，面向自然資源、生態環境、氣象海洋等多個領域提供遙感云服務。

二、PIE 6.0遙感產品體系

PIE 6.0采用“云+端”的技術架構，秉承工作流、組件插件式、多層和多模塊結構的設計思路，研制了包含強大底層庫的PIE-SDK二次開發組件包和多種專業工具軟件，包括：用于光學、SAR、高光譜、無人機數據生產的專業工具（PIE-Basic遙感圖像基礎處理軟件、PIE-Ortho衛星影像測繪處理軟件、PIE-SAR雷達影像數據處理軟件、PIE-Hyp高光譜影像數據處理軟件、PIE-UAV無人機影像數據處理軟件），用于遙感影像智能解譯的專業工具（PIE-SIAS尺度集影像分析軟件和PIE-AI遙感圖像智能處理軟件），以及用于地理信息和行業應用的二三維可視化展示平臺（PIE-Map地理信息系統軟件）。同時，依托PIE-Cloud遙感云平臺，對PIE各產品及多項行業應用成果進行標準化集成和運行，構建云端和用戶端協同一體化的遙感云服務體系。PIE 6.0遙感產品體系圖1所示。

圖1 PIE 6.0遙感產品體系

1.PIE-Basic遙感圖像基礎處理軟件

集遙感與地理信息系統（GIS）技術于一體，面向國內外主流遙感數據，具備遙感數據預處理、圖像增強、圖像分類、綜合判讀、監測分析、矢量處理、專題制圖全流程處理功能，特別是對國產衛星數據如資源系列、高分系列、環境系列、風云系列、海洋系列、天繪衛星、吉林一號等衛星數據具備卓越的處理能力，對新興傳感器類型具備快速擴展能力。廣泛應用于教育、科研、氣象、海洋、水利、農業、林業、國土、減災、環保等多個領域。支持Windows、Linux、Mac等國外主流操作系統，完成與中標麒麟、銀河麒麟等國內主流操作系統的兼容性適配。

2.PIE-Ortho衛星影像測繪處理軟件

采用全流程不落盤高速處理、大區域多源遙感影像自動匹配和聯合平差、不依賴第三方軟件的人機交互精調色平臺工具箱等技術相結合，針對國內外衛星遙感影像數據進行專業測繪生產處理，可快速批量化完成數字正射影像（DOM）、數字高程模型（DEM）、數字地表模型（DSM）的生產，已廣泛應用于國土、測繪、農業、林業、水利、環保等相關行業。軟件支持集群分布式運算，可滿足不同規模的數據生產需求，能夠充分利用計算資源，實現海量數據的分布式自動化處理，可大幅提升作業效率，縮短項目周期。該軟件已提供給50多個行業用戶試用，積累了2000萬平方千米業務化生產經驗，數字正射影像生產的效率較傳統作業模式至少提高了4倍。

3.PIE-SAR雷達影像數據處理軟件

目前已支持國內外主流星載SAR傳感器的數據處理與分析，包括基礎處理、區域網平差處理、InSAR地形測繪、DInSAR形變監測和極化SAR分割分類等功能。實現多源、多時相、多分辨率影像間的高效、高精度自動匹配，光學與SAR影像自動匹配精度可以達到平原地區1～2個像素，山區2～4個像素。針對不同行業用戶，開發了水體提取、海岸線提取、艦船監測、土地覆蓋變化監測等應用模塊。PIE-SAR軟件全面支持國產高分三號衛星數據，已廣泛應用于海洋、應急減災、水利等多個行業。

4.PIE-Hyp高光譜影像數據處理軟件

面向高分五號衛星、珠海一號衛星、地球觀測衛星-1（EO-1）等國內外主流高光譜衛星影像進行全流程自動化處理，支持高空間分辨率影像與高光譜影像的異源空譜融合，可提供影像質量評價及修復、圖譜分析、輻射校正、幾何校正、目標探測、地物分類、參量反演分析等專業處理功能。結合地物波譜庫提供的光譜信息查詢、分析與應用能力，能夠實現水環境監測、農作物精細化分類、巖礦識別等高精度定量應用，為生態環保、精準農業和自然資源等行業提供完整的應用解決方案。

5.PIE-UAV無人機影像數據處理軟件

可進行多平臺、多載荷航空數據的特征提取、特征匹配、影像對齊、DEM生成、正射校正、影像拼接等一系列高精度專業處理?？梢绘I式自動完成大批量航空影像數據的流程化生產，廣泛應用于國土、測繪、農業、林業、水利、環保等行業。在此基礎上，PIE-UAV軟件與航天宏圖一型、二型無人機硬件進行整合，形成了面向社會的“無人機硬件+軟件一體化”綜合遙感監測服務解決方案。

6.PIE-SIAS尺度集影像分析軟件

采用面向對象的分類方法，具備面向多源遙感數據地表覆蓋分類、目標識別與邊緣提取和變化檢測等多種信息提取能力。功能覆蓋大幅面影像快速尺度集分割、人工樣本選擇、自動樣本選擇、面向對象分類、分類后處理、半自動交互式智能信息提取、專題制圖等方面。對當前流行的慢特征分析變化檢測功能進行了優化改進，形成了變化檢測工具集，廣泛服務于國土、水利、農業、林業、環保等諸多領域。

7.PIE-AI遙感圖像智能處理軟件

基于深度學習進行遙感影像自動化、智能化、工程化解譯，具備從海量遙感影像中識別目標及地物的全自動化智能提取能力。支持光學、SAR、高光譜、無人機等遙感影像從樣本標注、樣本管理、模型訓練、智能解譯到成果發布服務全流程處理。目前已構建包含飛機、機場、綠地、操場等幾十類目標及地物的影像樣本庫，可幫助用戶快速完成地物目標的模型訓練，實現了國土、水利、生態、國防等多行業、多領域的大規模工程化應用。

8.PIE-Map地理信息系統軟件

服務于行業應用的地理信息二三維可視化展示，提供空間數據管理、投影轉換、查詢分析、地理標繪、專題制圖、地圖配置、數據接入與發布、矢量編輯、導航定位、二三維動態可視化等GIS數據專業處理服務?？蓪庀?、海洋等多元時空地理信息數據進行有效承載、關聯融合和動態顯示，支持多專題、多場景環境的模擬與仿真；可將多種感知終端上的全要素信息實時接入、動態更新、動態展示。PIE-Map軟件提供了國內首款真正的地理信息VR引擎，可以把地理空間數據進行實時三維場景構建，渲染出來的實體三維效果帶有地理坐標，可以進行精準量測，以滿足不斷發展的GIS行業應用需求。

9.PIE-Cloud遙感云平臺

PIE-Cloud平臺是以“關聯表征、數據挖掘、知識發現、智能處理、按需服務”為牽引，基于云計算、物聯網、大數據和人工智能等技術，依托云平臺基礎環境構建的共享數據、軟件、技術的遙感應用資源一站式產業化云服務平臺。該平臺對PIE各產品及多項行業應用成果進行標準化集成和運行，在線提供多源遙感衛星影像數據服務、遙感數據生產處理服務、遙感智能解譯分析服務以及面向行業的軟件即服務（SaaS）應用服務，從而提升資源整合和數據快速處理、智能分析與發布共享的能力，實現遙感數據的按需獲取、快速處理和專題信息的聚焦服務，促進多源異構數據共享和互通互用。

三、PIE 6.0遙感產品體系關鍵技術

通過攻關多源異構遙感影像密集型計算、遙感數據智能解譯與處理、地理信息可視化、多維一體化地圖制圖、地理大數據融合挖掘及主動服務、泛在地理信息獲取與安全監管等關鍵技術，突破基于多源遙感數據的快速處理、變化發現、自動分類、時空統計、動態建模、預測預警、質量控制等技術瓶頸，構建了PIE 6.0遙感產品體系及共享云平臺。PIE 6.0遙感產品體系關鍵技術如圖2所示。

圖2 PIE 6.0遙感產品體系關鍵技術

1.海量遙感影像快速處理

PIE 6.0底層架構可以支持遙感處理作業流程的全過程不落盤處理，這項技術可以把作業流程中所有步驟的數據實時可視化展現出來，中間步驟沒有任何I/O交互，大幅提升生產效率，并大大節約存儲空間。

2.超大區域多源異構遙感數據聯合平差

這項技術支持對可見光、紅外、激光雷達強度圖像、雷達數據、網絡地圖等多源異構數據進行全自動化、高精度的異源匹配，并對匹配的結果進行聯合區域網平差。

3.基于諧波分析高光譜影像處理

利用諧波分析技術對高光譜影像和高空間分辨率影像進行像素級融合，融合后可以大比例提升高光譜影像的空間分辨率，融合后的高光譜影像中每個像素對應的光譜曲線具有高保真度。

4.多模態遙感影像智能解譯

針對用戶不同的解譯場景，定制不同的遙感影像智能解譯模式。用戶可根據自己的解譯場景，結合軟件的指導意見，選擇合適的遙感解譯模態進行遙感解譯。

5.遙感影像快速變化檢測

對當前世界通用的變化檢測算法進行高度的集成和封裝，包括像素級的變化檢測、對象級的變化檢測等，形成變化檢測工具包。用戶可以在變化檢測工具包的指導下，針對自己的數據源、變化檢測類型，選擇合適的方法進行分析，從而快速獲取和更新地物變化檢測信息。

6.大場景二三維可視化

支持高效、海量的空天地海水上數據的二三維一體化表達，支持大范圍場景與局部精細化場景的無縫切換，可實現精細化場景模型和實體三維模型等數據的動態接入、目標場景切換、局部場景的三維高度逼真動態渲染與顯示。

四、PIE-Cloud遙感云平臺服務能力與應用

PIE-Cloud遙感云平臺是以行業應用需求為牽引，持續攻關時空大數據存儲管理、智能綜合、增量級聯更新、清洗分析與挖掘、信息安全等關鍵技術，提升遙感大數據分析處理、知識發現和決策支持能力，構建的共享數據、軟件、技術的開放平臺。通過多載荷與平臺高效集成，依托天空地海一體化網絡，根據不同用戶的個性化需求，快速搭建集多源、多尺度、多時相遙感影像數據處理、變化檢測、管理、分發、應用于一體，實現遙感數據的按需獲取、數據的快速傳輸處理和專題信息的聚焦服務，推進遙感監測能力現代化。

1.PIE-Cloud云平臺服務能力

（1）遙感數據管理云服務

建設基于遙感監測信息的一體化數據庫，提供多尺度時間序列遙感監測產品的管理、存儲、查詢與下載服務。對遙感影像本地數據、監測業務基礎數據、遙感監測專題數據、生態環境保護、應急管理等遙感監測業務數據，以及其他輔助服務數據等多源異構數據進行自動解析編目、增量更新、存儲、快速檢索與共享分發，實現遙感影像數據、產品、基礎地理信息數據、公眾數據、行業業務數據的快速獲取統籌管理能力。

（2）遙感影像處理云服務

支持用戶在線進行測繪數據生產，并為用戶提供通用的影像處理工具集；支持多種遙感影像數據格式，實現多載荷（光學、SAR、高光譜、無人機）、大數據量遙感影像的快速瀏覽及高效處理，具有超大規模衛星影像快速構網、穩健平差模型與方法以及基于相位一致性的異源影像匹配能力；遙感算法并行調度方法和CPU/GPU內存全流程邏輯處理多源遙感影像數據技術兩者緊密結合，實現海量遙感影像數據快速處理及影像圖的一鍵式快速輸出。

（3）智能分析云服務

結合深度學習技術提供遙感影像各種要素的信息分類、提取、變化檢測云服務，形成多要素或專題要素的監測產品。支持用戶對遙感影像進行智能解譯識別操作，主要包括：目標識別、地物分類、變化檢測等。具有智能交互式信息提取能力，實現超大區域典型要素的自動化、定量化解譯和快速提取，提高多期遙感影像變化檢測解譯的自動化程度。

（4）專題制作云服務

提供在線制圖工具和制圖模板，用戶可使用Web服務對無人機影像數據、航空影像數據、航天影像數據、常用矢量格式等多種數據源進行在線制作，提供多源多尺度多時間序列數據專題圖產品服務。

（5）共享分發云服務

提供在線數據共享分發服務、數據需求訂單等模式的遙感影像快速共享分發機制，以多時間序列的遙感影像數據為基礎，實時為用戶提供矢量數據、影像數據、瓦片數據以及成果數據服務，實現“常規需求即時服務、特殊需求及時服務”。

（6）“云+端”協同化云服務

基于移動互聯網技術，通過構建統一的云平臺數據訪問接口，提供Web和移動端一體化和按需共享方式的遙感應用服務。在滿足現有業務需求的同時，PIE-Cloud云平臺轉向多終端、智能化、操作便捷的輕量級應用模式，為不同層次用戶提供一站式、精細化智能終端在線實時服務。

PIE-Cloud遙感云平臺既可實現遙感數據采、存、管、算、用一站式遙感云服務，提供“交鑰匙型”整體解決方案，也可借助API開放性接口，對用戶現有信息化系統遺留架構進行升級改造，整合遷移上云，形成一個標準統一、通用性強、服務性強、技術力量強大的云服務平臺，滿足自然資源調查監測、國土空間優化管控、生態保護修復等應用需求。

2.PIE-Cloud云平臺行業應用

PIE-Cloud云平臺可以應用于自然資源監管、生態環境、氣象海洋、應急減災、智慧農業等諸多領域。

在自然資源領域，利用PIE-Cloud云平臺可進行土地調查、土地利用、地質礦產資源勘查、地質礦產資源開發與監管。同時，還能提供森林資源監管、動態監測與評價、濕地資源監測、草地資源監測、區域荒漠化監測和評價等。

在生態環境領域，利用PIE-Cloud云平臺可進行空氣質量監管，目前已經為石家莊等多個城市提供了天空地一體化的監測服務；可進行水質參數反演以及黑臭水體監測，已為北京市等城市提供黑臭水體監測信息服務，黑臭水體的遙感監測精度可達到85%以上；該平臺還能提供土壤環境、生態系統監測等方面的服務。基于PIE-Cloud云平臺的“慧眼”遙感智能監管服務界面如圖3所示。

圖3 “慧眼”遙感智能監管服務界面

在氣候與海洋領域，利用PIE-Cloud云平臺可以進行氣候監測和氣候評估、海洋環境監測、海洋資源監測、海洋災害監測、沿海各省近岸重點工程監測，以及東海、南海等區域的海上典型目標監測。

在應急減災領域，利用PIE-Cloud云平臺可以進行洪澇、林火、滑坡、泥石流等災害的監測。在森林火災監測方面，該平臺接入了6顆地球靜止軌道衛星和多顆極軌氣象衛星數據，通過自動監測和專人值班的方式，可以將森林火災的監測頻次提高到10分鐘一次，最小可以實現15分鐘一次的火情監測。基于PIE-Cloud云平臺的火情衛星遙感監測服務界面如圖4所示。

圖4 火情衛星遙感監測服務界面

在智慧農業方面，利用PIE-Cloud云平臺可以提供農作物監測等智慧農業服務，還可以面向農戶、農企和農業管理部門提供精準的種植管理服務。

五、結語

加強PIE遙感應用與云計算、大數據、人工智能等前沿技術的交叉融合，充分利用天空地海遙感、云計算、大數據、人工智能等技術，進行技術集成研發，構建系列化、工程化、產業化的PIE遙感產品體系，向自動化、規模化、定量化、智能化方向轉型。同時，繼續拓寬PIE遙感產品體系的使用場景，形成針對國土、林業、海洋等行業的專題信息產品，使遙感信息真正為政府科學決策、科研院校研究和社會公眾關注應用提供信息服務。