釋放遙感數(shù)據(jù)的潛力
——分析就緒數(shù)據(jù)介紹

文 | 李俊杰 郭朝輝 陳衛(wèi)榮

中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心

分析就緒數(shù)據(jù)（Analysis Ready Data，ARD）是以用戶為中心的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是已經(jīng)準(zhǔn)備好可以直接用于分析（信息提取）的遙感數(shù)據(jù)。從遙感專家、用戶、遙感服務(wù)提供商和遙感產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不同角度來說：分析就緒數(shù)據(jù)是遙感信息提取專家的福音；分析就緒數(shù)據(jù)是人工智能和定量時序分析的最佳搭檔；分析就緒數(shù)據(jù)是面向大眾的實時遙感應(yīng)用服務(wù)的燃料；分析就緒數(shù)據(jù)是民商遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供商的核心競爭力；分析就緒數(shù)據(jù)是遙感產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。

一、分析就緒數(shù)據(jù)的定義

什么是分析就緒數(shù)據(jù)，不同的人理解的內(nèi)涵是不一樣的，之前大家并沒有達(dá)成完全共識，但是現(xiàn)在基本都認(rèn)可國際上對地觀測領(lǐng)域權(quán)威的非政府組織國際衛(wèi)星對地觀測委員會（Committee on Earth Observation Satellites，CEOS）給出的CEOS版本分析就緒數(shù)據(jù)定義：CEOS 分析就緒數(shù)據(jù)是衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)已按照最低要求進(jìn)行處理，并組織成能夠立即進(jìn)行分析的形式，用戶只需付出最少的額外努力，并通過時間和其他數(shù)據(jù)集實現(xiàn)互操作性。

CEOS 的分析就緒數(shù)據(jù)定義簡要展開解釋：1）什么是最低要求的處理？輻射和幾何處理是最基本的處理，最低要求的量化有不同的界定；2）如何組織成立即分析形式？數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)分塊，帶逐像素的元數(shù)據(jù)和質(zhì)量輔助數(shù)據(jù)（例如云掩膜）；3）時間和其他數(shù)據(jù)的互操作性指什么？時間互操作是指可以長時序?qū)Ρ确治龊腿诤戏治觯渌麛?shù)據(jù)互操作是指不同傳感器數(shù)據(jù)可以聯(lián)合起來同等使用。圖1為CEOS 分析就緒數(shù)據(jù)示意圖。

圖1 CEOS 分析就緒數(shù)據(jù)示意圖

為了進(jìn)一步深入理解什么是分析就緒數(shù)據(jù)，需要了解分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)生的背景和當(dāng)前已有的分析就緒數(shù)據(jù)，這樣有更全面和直觀的感受。

二、分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)生的背景及其價值

從遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取有意義的信息時數(shù)據(jù)處理太耗時、成本高，通常需要經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士。信息提取中有個80/20 準(zhǔn)則，大家80%的時間用于準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，20%的時間用于分析數(shù)據(jù)，不同的項目都需要重新準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，效率低下，導(dǎo)致遙感信息獲取的成本高時效低，本末倒置。分析就緒數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，可以讓遙感數(shù)據(jù)分析人員把大部分精力用于分析數(shù)據(jù)，而不是對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。圖2 顯示了大氣頂層反射率圖像和經(jīng)過大氣校正處理的地表反射率圖像的差異，當(dāng)前歐洲航天局（ESA）的哨兵數(shù)據(jù)和美國的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到國內(nèi)外用戶好評并且被廣泛使用，一個很重要的原因就是這些數(shù)據(jù)是或者接近于是分析就緒數(shù)據(jù)。

圖2 陸地衛(wèi)星-8 獲取的未做大氣校正的真彩色圖像（左圖）和地表反射率圖像（右圖）比較

從遙感數(shù)據(jù)的用戶（使用者）和遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的提供商（生產(chǎn)者）兩個角度談，分析就緒數(shù)據(jù)價值不容小覷。

對于用戶的價值：1）降低了遙感數(shù)據(jù)的使用門檻，不需要遙感數(shù)據(jù)幾何和輻射等處理的專業(yè)知識；2）降低了使用成本和時間，不需要針對不同的項目耗費大量時間、精力重復(fù)去整理和處理數(shù)據(jù)；3）方便用戶進(jìn)行空間大尺度和長時序的遙感數(shù)據(jù)分析；4）全自動信息提取應(yīng)用程序開發(fā)和服務(wù)實現(xiàn)，借助分析就緒數(shù)據(jù)，用戶可以建立實用的變化檢測、時序分析等應(yīng)用程序，生產(chǎn)可靠、可重復(fù)和相關(guān)的產(chǎn)品及服務(wù)。

對于數(shù)據(jù)提供商的價值：1）擴大數(shù)據(jù)的使用率、影響力和吸引更多的新興用戶，由于分析就緒數(shù)據(jù)是以用戶為中心的易使用的數(shù)據(jù)；2）帶來更多的商業(yè)收入和價值，相對于用戶，在技術(shù)、成本等方面提供商更適合生產(chǎn)分析就緒數(shù)據(jù)；提供商大量的歷史存檔數(shù)據(jù)可以被使用并產(chǎn)生價值；3）數(shù)據(jù)資產(chǎn)整體可復(fù)用率大大提升，分析就緒數(shù)據(jù)可以被整合進(jìn)端到端的遙感應(yīng)用解決方案，源源不斷為多種多樣的應(yīng)用服務(wù)提供“燃料”，同樣的數(shù)據(jù)可被重復(fù)使用多次。

三、民用和商業(yè)遙感衛(wèi)星的分析就緒數(shù)據(jù)

分析就緒數(shù)據(jù)受到了民用和商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)商的廣泛關(guān)注，民用遙感衛(wèi)星的分析就緒數(shù)據(jù)比較知名的是美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）推出的陸地衛(wèi)星集合2（Landsat Collection 2）地表反射率（見圖2 和圖3）和地表溫度，以及ESA 推出的哨兵-2A/B 地表反射率（Sentinel-2 Surface Reflectance）。商業(yè)遙感衛(wèi)星公司麥克薩（Maxar）和行星公司（Planet）比較積極和領(lǐng)先，不但發(fā)起了分析就緒數(shù)據(jù)的年度討論會，而且也推出了自己獨有衛(wèi)星的分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖3 美國陸地衛(wèi)星水體反射率分析就緒產(chǎn)品(左圖真彩色圖像，右圖波段2 水體反射率)

分析就緒數(shù)據(jù)是衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，它需要明確的分級界定和產(chǎn)品規(guī)范，根據(jù)不同用戶的應(yīng)用需求，對分析就緒數(shù)據(jù)的處理級別也有不同的要求。此外，如果要滿足不同分析就緒數(shù)據(jù)集之間的互操作，就需要較為一致的規(guī)范和處理級別。CEOS 牽頭制定了分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)品系列規(guī)范（Product Family Specifications，PFS），它是一個靈活和可擴展的框架，用于詳細(xì)說明數(shù)據(jù)集必須滿足的特定要求，才能被分類為CEOS 分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)品（CEOS ARD）。每個PFS 具有以下核心要素：1）通用元數(shù)據(jù)：允許用戶評估數(shù)據(jù)集的整體適用性；2）每像素元數(shù)據(jù)：允許用戶選擇使用或丟棄哪些觀測值（例如像素）；3）輻射校正和精度要求：規(guī)定為達(dá)到測量值必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行的任何校正，以及分析就緒數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求；4）幾何校正和精度要求：規(guī)定必須進(jìn)行的幾何校正和分析就緒數(shù)據(jù)所需的幾何精度。CEOS 已制定完成地表反射率、地表溫度等7個分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范，正在進(jìn)行的產(chǎn)品規(guī)范有地理編碼單視復(fù)數(shù)、干涉雷達(dá)等產(chǎn)品規(guī)范，這些規(guī)范涉及的傳感器包括可見光、紅外、夜光、雷達(dá)、激光等。

CEOS ARD 產(chǎn)品是經(jīng)過評估以確定其符合CEOS ARD 要求（PFS）的產(chǎn)品，評估過程包括：數(shù)據(jù)提供者的自我評估和CEOS 專家的同行評審。ESA 和USGS 都在積極使自己的哨兵和陸地衛(wèi)星的分析就緒數(shù)據(jù)滿足CEOS ARD 產(chǎn)品規(guī)范，他們提供的多個分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)品已通過審查，滿足CEOS ARD 產(chǎn)品最基本的“閾值”規(guī)格。越來越多的分析就緒數(shù)據(jù)在準(zhǔn)備中以滿足CEOS ARD 規(guī)范要求，中國的高分一號衛(wèi)星地表反射率產(chǎn)品也在CEOS的“開發(fā)/評估中”的列表內(nèi)。

四、總結(jié)

分析就緒數(shù)據(jù)適用于各類專業(yè)和非專業(yè)用戶，是靈活且易于訪問的產(chǎn)品，它將被集成用于各種定量分析、時間序列分析、機器學(xué)習(xí)和AI 模型等信息提取工作流，增強衛(wèi)星數(shù)據(jù)的全球使用和科學(xué)價值，各個民商遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供商都在開發(fā)或即將推出分析就緒數(shù)據(jù)產(chǎn)品，方便用戶使用和最大程度釋放遙感數(shù)據(jù)的潛力。