即时遥感,覆盖全球——首都师大遥感成像团队的“直播梦”
摘要:“直播地球”的梦想能够延伸多远,并不局限于钟若飞和该项目团队的想象,需要全体遥感人乃至每一个人贡献自己的想象力,去描绘这个充满无限可能的梦想……

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长征八号运载火箭“一箭22星”发射现场


地球真的可以直播吗?它又将如何实现?带着这些疑问,记者采访了首都师范大学遥感成像团队的科研带头人钟若飞教授。如今,名为“蛙瞳”的验证载荷卫星已经在预定轨道开始了“直播地球”的验证任务。钟若飞回忆,当卫星成功进入预定轨道的那一刻,他心中倏忽一空,随着团队成员的报喜,激动、欣慰才一齐涌上心头。


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“直播地球”的想法从何而来,事情还要从6年前说起。2016年,各种形式的网络直播百花齐放,新闻资讯、娱乐消费等多种即时服务开始借助直播平台走到更广大的用户群体身边。在直播热之下,钟若飞开始了冷思考,直播的特点,一是传播范围广,能够简单直接地服务于尽可能多的用户;二是传播效率高,直播的本质就是即时传播,发生即所见,所见即所得。


作为活跃在卫星遥感科技一线的遥感人,钟若飞突然萌发了一个大胆的想法:卫星遥感是获取大尺度影像的重要方式,是否可以像网络直播一样实时感知,即时服务?正是沿着这一思路向下求索,“直播地球”的概念就应运而生了。


“‘直播地球’就是指利用多颗遥感成像卫星获取地球表面的目标运动状态的地理数据,并且进行运动目标数据下传,经过地面数据还原,最终将接近实时的‘动态’遥感影像推送到用户终端的技术。其中,卫星星座的数量与时间分辨率成正比,数量越多,再次成像及下传数据窗口所等待的周期越短;卫星高低轨的搭配也能够兼顾大范围动目标的发现和高分辨率目标影像的获取这两个目标。”钟若飞介绍,“直播地球”的实质就是覆盖全球的即时动态遥感服务,从这一层面看,“直播地球”其实就是所有遥感人的最终目标。

from clipboard相机外观图


作为一个看似大胆的设想,“直播地球”如何落地呢?对于一线科技工作者而言,仅停留在设想层面的概念是没有意义的,恰好在2016年,北京成像理论与技术高精尖创新中心承担了一项与此有关的研究项目——“多模态传感器基元程控成像技术与应用”。钟若飞介绍,该项目主要开展新型CMOS传感器成像技术及应用研究,它提出了传感器基元程控理念,重点研究四种关键性技术:一是相机采样成像模式可实现灵活切换;二是传感器大面阵超分辨率图像获取功能;三是传感器可实现数字域TDI级数灵活可控;四是动目标检测功能。这一项目的所有技术点围绕的终极目标是能感知、能看清地面的运动目标。


“直播地球”的目标就是要感知地球上动态目标的实时变化,而其中的关键就是动目标检测技术。这一概念的具体想法就是分离目标与背景,从而极大降低数据率,同时,根据动目标检测相机装置获取的两个时刻的影像数据检测目标运动状态,并且预测未来时刻的运动轨迹,使卫星影像从包含某一时刻的目标位置,扩展为连续的运动信息,从而实现直播地球的目的。


钟若飞告诉记者,在“直播地球”概念萌生后,他就开始专门关注地球动态感知方向上的软硬件技术。他发现,国际上也出现了一些关注地球动态的技术和软件产品,例如美国和加拿大在国际空间站安装高清摄像头,向公众提供高清流媒体直播,把新闻热点和空间位置结合,配以高清卫星图片,做到地理信息、热点事件、背景信息的融合。当时国内也出现了类似的动作,他们团队参与的“风马牛一号”便是利用两颗全景镜头,实现了太空720°视频直播。


“因为这些直播案例,我们觉得动目标技术和直播能够碰撞出更多火花,因为视频流数据量大和卫星数据下传带宽受限制是一对天然的矛盾,而利用动目标技术可以很好地解决这一矛盾。因此我们大胆提出设想,利用卫星星座搭配在轨实时动目标检测技术来实现对地面运动目标的获取,使少量的数据需要下传,降低了建设直播地球星座的数据传输门槛。围绕这一个需求点,我们将概念拆分为2个具体的载荷,包括相机和数据处理单元,相机的成像传感器为具备基元程控技术的CMOS,实现双线阵推扫成像。数据处理单元方面,我们选择了FPGA和ARM异构计算的路线,功耗可控,软件硬件也自主可控。”钟若飞说道。

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一个技术概念距离具体的科研项目以及项目之后的反复验证之路,这之间是有着差别和距离的。技术概念需要分解成一个或者多个科研项目才能开始攻坚,而科研立项之后,不仅意味是长时间的技术攻关,还有此后可能更长远的验证与调整之路。那么,技术思路初具雏形后,接下来就是要不要做,以及找谁来做的考量。


就在进退之间,钟若飞想到了刘先林院士。“十几年前,刘院士带领我们研制国内首套国产化移动激光测量车时,也没有产品可以参考,这次我们的‘直播地球’遥感卫星载荷在世界上也是一个新东西,没有太多可以借鉴的资料。刘院士可以在一穷二白的境遇下把成果做出来,我们不能丢掉这种攻坚克难的勇气和刻苦钻研的精神。”钟若飞说。


于是,钟若飞就和首都师范大学的几名老师,带着一届一届硕士、博士、年轻老师、校外专家在老前辈们的指导下,开始了追梦的“接力”之路。


在项目的最开始时,整个研发团队就遇到了很大的问题。团队成立初期,新一届研究生们从上届师兄师姐手中接过工作,新工作和新内容需要熟悉,新事物需要认识,新伙伴要接纳,时间紧任务重,这已经是不小的挑战。再加上研发团队中的学生主要是非计算机专业出身的研究生,缺少硬件开发领域的系统知识,在沟通合作的过程中困难重重。学生们一边学习从未接触过的新知识,一边要寻找全新的突破口解决硬件技术问题,巨大的压力如同一块块巨石压在每个人身上。


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此外,要实现对动目标的及时检测,摆在项目团队面前的就有三大难题:如何看到动目标,怎么看清动目标,如何实现数据的有效下传?


面对第一个问题,钟若飞和项目团队想到了“多模态传感器基元程控成像技术”这一项目的研究成果,该项目所产生的CMOS设计可以作为验证载荷的硬件基础。因此,项目团队就在软件层面投入了大量精力,通过多种方法的联合应用,提高动目标的检测精度。


第二个是如何看得清动目标。“对此,我们提出了一种‘斜模式’超分辨率算法,不需要卫星修改硬件,只需要增加控制模式,在轨调整CMOS读出速度,换句话来说也就是调整开窗范围和帧频,就可以利用卫星与轨道的偏航夹角,实现斜模式条件下CMOS行与行之间的错位推扫,从而获取到亚像元的地物信息。”钟若飞解释道。


第三个问题是如何实现数据的有效下传。卫星遥感为了提升时间分辨率,通常要求增加卫星数量、建设大规模对地观测网络,但是随着卫星数量的增加,卫星成本也倍数增加,数据传输能力也是整个系统能力发挥的瓶颈因素,保证有效数据的下传才是核心竞争力的体现。


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“在我们的设想中,要用动目标检测技术取代凝视视频等动态遥感手段,与传统模式对比,双条带推扫模式数据量增加一倍,更加不利于数据下传,这就对数据的在轨处理提出了要求。”钟若飞告诉记者,为此,团队投入了2年时间自研了一块星上处理板卡,用来支撑在轨处理算法。


“如今,把这三大难题解释清楚,或许并不需要太久,但每一个问题都凝聚着团队成员的努力和贡献,都藏着一段短则数月,长则数年的科研‘接力’。”钟若飞说,以星上处理板卡的研制为例,星上数据处理板卡上的主控程序是板卡“大脑”。研二学生杜鑫主动担起重担,与赵可、成美智等同学一起完成任务。地检测试仪器是卫星上天之前在地面测试的重要辅助设备,必须自研,博士生李清扬带领组内研究生连续奋战,研发出配套的地检设备和软件系统。研一学生郝嘉伟、张琛琛、王远航、佘姜璐、张诗悦共同参与到软硬件联调和测试中……


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发射场星箭对接调试现场


从2016年的概念萌芽,到2022年验证载荷进入轨道,钟若飞和团队中一名名老师、一届届研究生们共同参与了这一场长达数年的科研攻坚和技术接力,而在“蛙瞳”验证载荷上天之后,关于“直播地球”概念验证的接力还将继续。


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“直播地球”应该是所有遥感人的终极目标的梦想,钟若飞如是说道。而钟若飞和他的团队成员们已经走在追梦的路上。验证载荷的成功入轨,远不是这一梦想的终点,它只是这群追梦人迈出的第一步。


科研追梦人的特点是,他们追逐的梦永远不会是空中楼阁,他们总会用自己的智慧,把目标和梦想用技术来分解,用项目来落地,再用产品来验证。


钟若飞告诉记者,“蛙瞳”验证载荷是第一步,仅靠这一颗卫星,显然不可能实现“直播地球”的终极目标,但它仍然是坚实的一步,它为遥感卫星的采样模式设计提供了一个新的方案,可以在不增加成本的情况下扩展卫星的功能,既可以推扫,又可以推帧,还可以凝视视频。


此外,验证载荷卫星所提出的动目标检测技术结合动态遥感图以及动画遥感图,能够创新实现对于地表运动目标、变化信息的提取,发现快变化和慢变化,是直播地球的核心。动目标检测的核心是变化检测,能够大幅度减少数据传输量,这是提高系统时间分辨率的基础,能开拓一个新的应用领域,让“直播地球”的实现变成可能。


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卫星出厂前调试


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而且,验证载荷中应用的切片推送技术,利用地面计算机的计算能力,也可以根据数据访问请求获取精准的数据切片,再交由客户端侧进行实时重建和显示,为遥感影像数据的处理和传输提供了新的思路。


“直播地球”是一场关于未来的梦,首都师范大学遥感成像团队的验证让这个梦想变得可预见,可实现。那么当“直播地球”照进未来的生活,又将是怎样的场景呢?作为“直播地球”追梦团队核心成员的钟若飞向我们展示了他的“直播地球”梦。

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卫星首图


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“直播地球”的梦想能够延伸多远,并不局限于钟若飞和该项目团队的想象,需要全体遥感人乃至每一个人贡献自己的想象力,去描绘这个充满无限可能的梦想。



文 / 本刊记者 陈阳  图 / 受访者提供

编辑:张永超

初审:齐   阳

审核:彭震中

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Yuki 2022-08-26 09:06
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新手71263 2022-08-26 07:58
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AcadApp 2022-08-25 09:31
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蓝天白云 2022-08-25 08:24
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布川·酷紫 2022-08-24 20:23
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