3 米! AI + 遙感 , 讓地表信息制圖再攀新高峰

　　在近日召開的WGDC 2020全球地理信息開發(fā)者大會(huì)上,清華大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)、地球系統(tǒng)科學(xué)系主任、清華大學(xué)中國(guó)城市研究院院長(zhǎng)宮鵬教授重磅發(fā)布了由清華大學(xué)與全球領(lǐng)先的AI平臺(tái)企業(yè)商湯科技合作完成的全國(guó)首個(gè)3米分辨率地表覆蓋制圖產(chǎn)品。

　　這是繼30米地表覆蓋制圖和10米分辨率全球地表覆蓋圖(FROM-GLC10)后,宮鵬團(tuán)隊(duì)與商湯科技在全球遙感制圖領(lǐng)域完成的一次突破性成果。同時(shí),這一成果也代表了AI技術(shù)將遙感制圖引入了一個(gè)新的時(shí)代。

　　AI讓更高空間分辨率地表覆蓋成為可能

　　無論是城市的建設(shè),林地的開發(fā),還是荒地的改造,人類對(duì)土地的開發(fā)和利用,伴隨著人類文明的進(jìn)化而從未停止。土地利用是人類改造地球環(huán)境的頂級(jí)表現(xiàn),可以直觀地反應(yīng)地球的變遷進(jìn)程。

　　隨著人類活動(dòng)的加劇,土地信息的變化也在加快。為了進(jìn)行更加科學(xué)合理的規(guī)劃和施行相應(yīng)的措施,精細(xì)化的土地分類管理勢(shì)在必行。因此,及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取地球表面特征變化等要素,開展全球及區(qū)域地表信息數(shù)據(jù)的研究,就顯得尤為重要。在這樣的趨勢(shì)下,行業(yè)各界對(duì)更高空間分辨率的全球地表覆蓋產(chǎn)品,也均提出了迫切需求。

　　在這一過程中,不僅需要數(shù)學(xué)、地理、計(jì)算機(jī)、信息與通信工程、AI等多種學(xué)科的交叉融合,同時(shí)還要結(jié)合有效的定量化分析手段。

　　通過對(duì)耕地、林地、草地、水、不透水層、裸地、等土地類型進(jìn)行定量的分類和統(tǒng)計(jì),可以直觀地反應(yīng)土地覆蓋和土地利用情況。這些精確的地表信息,可有效支持對(duì)全球范圍的城市擴(kuò)張的模擬、對(duì)環(huán)境狀況的評(píng)估,從而為城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)政策的制定等提供高價(jià)值的決策依據(jù)。

　　相較于早前完成的全球30米分辨率地表覆蓋制圖,在3米分辨率下的制圖結(jié)果更能夠區(qū)分出更小的居民點(diǎn)、水塘和農(nóng)田。但與此同時(shí),其對(duì)數(shù)據(jù)量和對(duì)計(jì)算的要求也有了顯著提高。面對(duì)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的遙感影像分析和處理需求,單純依靠人工實(shí)現(xiàn)定量化分析已經(jīng)難以為繼。作為產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化引擎,AI技術(shù)不僅將讓更高空間分辨率的地表覆蓋制圖得以實(shí)現(xiàn),還可以帶來比人工更高的定量分析精度,逐漸成為越來越重要的自動(dòng)化解譯工具。

　　全國(guó)首個(gè)3米分辨率地表覆蓋制圖&全球3米分辨率全球地表覆蓋工作

　　此次發(fā)布的全國(guó)3米分辨率地表覆蓋制圖,是由清華大學(xué)與商湯科技合作共同完成。相關(guān)論文發(fā)表在了MDPI出版的國(guó)際遙感領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Remote Sensing》上。

　　該成果基于清華大學(xué)完成的全球唯一10米分辨率全球地表覆蓋制圖,使用了同樣的地表覆蓋分類系統(tǒng),利用商湯科技領(lǐng)先的AI遙感智能解譯深度學(xué)習(xí)算法,對(duì)超過50,000張1024*1024像素圖像進(jìn)行學(xué)習(xí),采用樣本遷移技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)了3米地表分類,下一步雙方計(jì)劃在年內(nèi)開展全球3米分辨率的制圖。

　　在精度方面,從耕地、林地、草地、水、不透水層、裸地到冰雪,此次3米地表覆蓋結(jié)果相較于FROM-GLC10,無論是UA(用戶精度)還是PA(制圖精度),均實(shí)現(xiàn)了5%左右的提升,總體解譯精度達(dá)到86%。這些提升具體體現(xiàn)在:改善了10米城市內(nèi)樓房陰影與水的混淆問題;讓語義結(jié)果更加連貫,減少局部類別混淆問題;對(duì)農(nóng)村建筑物、道路和河流的提取效果較10米有進(jìn)一步優(yōu)化。

　　例如,針對(duì)哈爾濱的3米制圖,其在水體的提取精度上有了顯著提升;針對(duì)太原的3米制圖,對(duì)耕地和建筑的提取效果有了明顯進(jìn)步;在上海,3米制圖修復(fù)了10米制圖中在耕地提取方面的一些錯(cuò)誤結(jié)果,帶來更精確的提取結(jié)果。

　　上海局部區(qū)域3米制圖和10米制圖差異對(duì)比

　　此次成果,也是AI技術(shù)首次應(yīng)用于世界級(jí)的地表覆蓋制圖,實(shí)現(xiàn)了對(duì)世界自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)行解讀。同時(shí),得益于AI技術(shù)的應(yīng)用,使數(shù)以萬計(jì)的高像素遙感影像高效自動(dòng)處理從不可能變?yōu)榭赡�。AI技術(shù)和遙感技術(shù)的跨領(lǐng)域“共振”,共同推動(dòng)了這一劃時(shí)代產(chǎn)品,開創(chuàng)了遙感制圖全新的發(fā)展趨勢(shì)。

　　加速產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展

　　3米地表覆蓋制圖的完成,將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用進(jìn)一步提速,城市體檢便是其中之一。今年6月,住建部印發(fā)《關(guān)于支持開展2020年城市體檢工作的函》,對(duì)部分城市開展城市體檢工作,共計(jì)36個(gè)城市被選定為2020年城市體檢樣本城市。

　　作為城市創(chuàng)新型治理的手段,城市體檢是支撐未來城市高質(zhì)量發(fā)展和精細(xì)化管理的有效手段。其中的“生態(tài)宜居”指標(biāo)主要反映城市的大氣、水、綠地等各類生態(tài)環(huán)境要素保護(hù)情況。以3米地表覆蓋制圖的應(yīng)用作為基礎(chǔ),結(jié)合產(chǎn)業(yè)界提供的多維度數(shù)據(jù)支撐,可以在生態(tài)宜居性、交通便利性等多個(gè)層面,為政府決策提供科學(xué)建議,共創(chuàng)城市的美好未來。

　　而從更加宏觀的角度來看,作為重要的全球觀測(cè)手段,遙感在自然資源管理、全球變化研究中具有不可替代的意義和價(jià)值。在過去幾十年中,遙感技術(shù)在人類應(yīng)對(duì)資源短缺、環(huán)境惡化、海洋開發(fā)和氣候變化等一系列重大課題上,已經(jīng)發(fā)揮了積極的作用。

　　此次3米地表覆蓋制圖的發(fā)布,將進(jìn)一步推動(dòng)遙感技術(shù)的應(yīng)用走向現(xiàn)代化和精細(xì)化時(shí)代。而商湯科技在AI技術(shù)方面的創(chuàng)新,也將進(jìn)一步加速全球和區(qū)域遙感數(shù)據(jù)的分析與生成,為高空間分辨率的地表覆蓋制圖的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。隨著產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的協(xié)作更加緊密,跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的加速融合,遙感將更好地服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè),推動(dòng)創(chuàng)新服務(wù)模式的產(chǎn)生,成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。