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国家基础地理信息中心

张宏伟:技术再创新 架起工程应用之桥

文章来源:中国测绘    时间:2020-11-25 作者: [链接] [链接]

——访青年测绘地理信息科技创新人才获得者张宏伟

数字正射影像(DOM)是重要的基础地理信息资源,以直观逼真、信息丰富,具有良好的判读、量测等特性而应用广泛。国家基础地理信息中心遥感处处长、全球地理信息资源部主任张宏伟介绍说,从国情监测、自然资源调查到农业估产(精准农业)、荒漠化监测、生态变化监测……正射影像应用不断深入,取得了显著的社会与经济效益。同时,各领域对于正射影像的质量要求也越来越高。

张宏伟,2004年武汉大学遥感信息工程学院摄影测量与遥感专业博士毕业后,来到国家基础地理信息中心,一直从事数字正射影像生产与研发。在全球地理信息资源建设、第三次全国国土调查正射影像生产、地理国情普查正射影像生产等重大工程建设中,他带领团队持续开展技术创新,结合工程应用技术难点,在稀少控制影像生产、基于立体基准网的正射影像生产,以及国产卫星影像几何纠正模型等方面,提出了有效解决方案,攻克了工程生产中多项技术难题。如今,44岁的张宏伟已先后获得国家科技进步二等奖、中国测绘学会颁发的2019年青年测绘地理信息科技创新人才奖等奖项。

“我们主要针对工程化应用中的难题,在已有技术基础上进行再创新,这相当于在技术和工程应用中间搭起了一座桥,让生产单位可以快速上手,高效生产,从而助力国家重点基础测绘工程顺利实施。”张宏伟很谦虚地说。

填补高精度调查底图空白

正在开展的第三次全国国土调查(以下简称“三调”)是国务院部署的一项重大国情国力调查项目,目的是全面查清、查实国土利用现状和变化情况,摸清我国自然资源基础家底,掌握真实的国土基础数据,为重大国情、国策研判提供基本依据和重要参考。承担调查任务的测绘界人士普遍认为,“三调”使命光荣,但也面临着时间紧、任务重、标准高、困难多的挑战。

随着信息技术的进步,地图呈现形式早已从纸质走向数字化。以“4D产品”为代表的现代数字地图,包括DOM(数字正射影像图)、DEM(数字高程模型)、DRG(数字栅格地图)、DLG(数字线划地图)担当起了数字化测绘底图的重任。“三调”就是以高精度正射影像图为基础底图,有了这张基准图,后续各生产作业单位可以快速展开调查工作。

按照“三调办”工作总体部署,“三调”正射影像生产由国家基础地理信息中心(以下简称“地信中心”)负责牵头实施,地信中心将这一任务交给了本单位“专职”正射影像研发的张宏伟及其团队,他们负责全国正射影像生产的技术设计、组织实施和质量控制。

张宏伟知道,这次任务有很大的挑战性,困难大、难题多。业界都知道,“三调”对正射影像底图生产提出了很高的要求:全国范围影像分辨率全部优于1米,几何精度达到1∶1万地形图精度要求,且以国产卫星影像为主,获取影像的时间范围(时相)为一年之内。

说实话,要达到“三调”的精度要求,的确有一定难度。这样的精度在我国历史上从未达到,主要是由于我国西部380多万平方公里区域内高精度测图十分困难,直到2011年才解决全国1∶5万比例尺地形图测图全覆盖,更高精度的大规模1∶1万测图,靠现有的技术还无法解决。虽然说我国立体测绘卫星资源三号已经投入使用,加之同样可以立体测图的高分七号卫星也将加入卫星测图家族,有望弥补“西部无1∶1万地形图”空白的缺憾,但“等米下锅”的“三调”等不得。难题抛给了国家基础地理信息中心,抛给了张宏伟和他的团队。

“三调”正射影像生产于2017年下半年启动,2018年1月份开始大规模生产,留给张宏伟团队的时间只有1年。针对上述困难,张宏伟带领团队拿出了一套设计方案:基于立体基准网的多模式影像大范围区域网平差方案、基于稀少控制递进平差的模型优化技术方案和整体工艺流程。随后,他又带领团队研发了大规模异源卫星影像协同处理技术方法,攻克了工程应用的技术瓶颈。院士专家组一致认为,这一技术成果达到国内领先、国际先进水平。

这套创新技术在正射影像生产中大显身手,张宏伟团队圆满完成了全国范围正射影像生产任务。该技术充分应用国产高分二号、北京二号等十多种非立体卫星影像,解决了国产非立体卫星影像无法严密区域网平差和无控制精度定位的难题,完成了西部近400万平方公里1万多景影像的极稀少控制集中区城网平差和模型优化工作,质量完全达到设计要求。目前,基于这套技术生产的高精度正射影像已全面用于国土三调的后续工作,在“三调”中发挥了基础性和重要支撑作用。

张宏伟表示,这一技术成果主要是在三个方面实现突破:一是首次实现影像时相一年内0.5米~1米分辨率的正射影像数据全国国土覆盖;二是首次实现全国范围正射影像数据达到1∶1万精度;三是全面应用国产遥感卫星影像数据,国产卫星影像的应用比例高达90%。该成果还在新疆、青海、四川基础测绘生产中得到推广应用。

立体基准网定位“不跑偏”

张宏伟一再跟记者讲:“这些技术其实都不是我首创的,我们只是在已有科研技术基础上再创新,让新技术大规模应用于工程上。”其实,已有的科研成果甚至还得过奖,但是也只能在小范围试用,无法大规模应用到工程中,张宏伟将这些技术进行“适应性改造”后,再应用于工程生产中,大幅提高了作业效率。


想想看,小小的微创新,能够让“束之高阁”的科研成果焕发生机,派上大用场,何乐而不为呢?同行们说,从2004年入职至今16年来,张宏伟一直专注于正射影像的研发和创新,凭借着多年积累,他懂得行业需求,创新的点子也多。

实际上,张宏伟的这些微创新得来并不轻松。就正射影像快速生产而言,因为当期影像难寻,往往获取的影像数据源五花八门、复杂多样,仅“三调”,他们就统筹了国内外遥感影像数据源达16种以上,数据量高达500T,这些影像有卫星拍的、飞机拍的,有国产的、购买国外的。了解该领域的人都知道,要把这些繁复的影像建立起覆盖全国、标准统一的正射影像图,由于不能构建稳定的区域网,会是一件很难的事。用张宏伟的话说,“的确很难!难到无法用语言来形容。”

“再难也要上。”张宏伟“滴水穿石”般的韧劲让他一往无前,无所阻挡。为了更好地整合不同规格的数据源,他想出了一个好点子,就是建立一张覆盖全国的立体基准网,“通过约束关系,将不同的影像订合在这张立体基准大网上,再通过优化加工和多源控制,实现了立体基准网精度达到3~5米。”张宏伟一边比划一边说,就相当于给有破洞的衣服打补丁,四处寻来的16种以上影像就是打补丁用的布料,把大小形状不同的布料缝合到适宜的破洞上,既要缝合结实,又要平整规范。

事实上,这一立体基准网后来大规模应用到工程上,无论国内还是国外都是首次。张宏伟提出的立体和非立体遥感影像协同处理方法,显著提高了国产卫星影像无控制高精度定位,且优于1∶1万测图精度;他提出的增量式协同处理技术方法,还解决了影像分批覆盖整体定位工程技术难题。

西部困难区域现场调查控制难,是不争的事实。怎么样减少外业控制,减少测绘外业人员工作量,是张宏伟经常思考的另一个问题。为了保障正射影像的生产精度和生产进度,早在2014年前后,他负责地理国情普查、1∶5万比例尺数据库动态更新等国家重点项目工程中的全国范围正射影像生产技术设计与技术支持时,就主持编写了多个工程项目的生产技术规定和技术路线,创新性地提出稀少控制遥感影像正射纠正技术、单片卫星遥感影像弱连接区域网平差技术、点线混合像控技术等工程用技术,解决了控制困难地区正射影像生产技术难题,明显加快生产进度,节约了生产经费。仅“三调”工程上,采用这一技术生产,就为国家节约了七八千万元到一亿元的生产经费,而且人也不用往外业跑了。

探索机器代人多快好省

不知道大家是否还记得,2014年,我国政府将自主研制的世界首套30米分辨率全球地表覆盖数据产品GlobeLand 30捐赠给了联合国。现在,大家可以到国家基础地理信息中心网站浏览该图集部分美景,了解地表覆盖近10年来的变化。

30米分辨率全球地表覆盖图的研制,曾是世界性难题。在“看图说话”的时代,在推动全球生物多样性保护、生态环境治理的今天,能有这样一张全面反映全球地表覆盖现状及变化的数据集,对于相关研究工作者来说必不可少,而世界上恰恰又缺少这样一套能够展现全球地表地貌的图集。

今年5月,中国工程院院士、30米分辨率全球地表覆盖项目首席科学家陈军在接受《中国测绘》杂志记者采访时表示,为破解全要素地表覆盖制图遇到的精细化提取、产品质量控制等诸多难题,我国上百名科技工作者做了大量科技创新,这是集体智慧的结晶。这套数据成果正在为促进全球变化研究和可持续发展规划服务。有国外专家曾表示,“为了做这样的生物多样性评估,我们已等了30年”。30米分辨率全球地表覆盖图如甘露、及时雨,向世界贡献着中国测绘工作者的智慧。

张宏伟是参与该项目的上百名科技工作者成员之一,负责“全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究”中全球遥感影像处理与数据集成。这是一项国家863重点项目,张宏伟重任在肩。“此次遇到的难题是卫星影像宽窄幅问题。”张宏伟说,测绘卫星拍摄的影像多是20~60千米的窄幅面,这次采用的是我国环境减灾卫星拍摄的影像,幅面宽达300千米。这种宽视场角影像带来了一系列问题:比如宽视场角影像精度上没有测绘卫星高,就像我们拍照片,用广角镜头拍风景必然会带来局部变形,不如拍局部特写精准,窄幅的测绘卫星相当于拍特写,精度就高。此外,用宽视场角影像制作正射影像图没有过先例,意味着所有常规技术都要推倒重来,重新编写算法和模型。

只有创新、创新、再创新,别无它法

张宏伟拿出了他研究设计的宽视场角线阵卫星影像高精度几何纠正模型和基于影像匹配的影像自动配准生产方案,通过全球统一坐标系联合平差,克服了地球曲率影响,解决了宽视场角相机畸变差大、轨道姿态不稳定等一系列问题,生产精度从5个像素提高到1.5个像素,生产效率提高了3倍。最终他和团队成员一起完成了全球覆盖陆地面积70%、约1亿平方千米的环境减灾卫星影像的正射纠正生产,保障了全球地表覆盖遥感制图的国产卫星影像生产精度和有效覆盖。随后,该项成果及开发的软件系统被推广到自然资源部各直属测绘地理信息局生产单位使用,这对于全球地表覆盖更新工程、全球地理信息资源建设工程起到重要的支撑作用。

创新无止境。眼下,张宏伟又在琢磨“机器代人”实现自动化生产。传统测图做地表覆盖提取、全球典型要素提取、地名属性提取等测绘生产工序都要靠大量人工完成,耗时长、费用成本高。比如,全球地理信息资源建设工程中交通、水系、地名等地物信息的提取,大多数情况下,测绘人员要到处查找各种卫星数据源、互联网数据源,以及到各种专题网站找数据,有时为了确认一条道路或者一家酒店的名称,可能要花费几天时间“泡”在互联网上查找,并且还要进行多方交叉验证。

随着人工智能技术发展,机器学习的方法不断在遥感领域得到应用。张宏伟也想着借助机器学习和大数据挖掘来改变测图生产现状。“每年,仅地名属性提取这块,投入人力高达两三千人,地名翻译费(地名标准化)一年要一两千万元,从中可知工作量之大是无法想象的。”张宏伟说,技术创新关键点是靠众源数据(多源、众包)的集成,就是想借助人工智能技术,让机器学习代替人工,参与到测图生产中,以提高劳动生产效率,降低生产成本。

“怎样把深度学习方法、遥感信息提取和大数据挖掘技术用到全球地理信息资源建设和地表覆盖数据生产的更新中,以实现遥感影像信息的自动化提取,是我们团队正在研究的一项课题。”国家基础地理信息中心遥感处人工智能专家陈家阁博士坦言,目前这项再创新技术还处于实验阶段,没有应用到工程中。但从目前结果来看,效果还是比较理想的,生产效率能够比传统人工方法提高2/3。比如采用人工的话,一景遥感影像要花5个白天(工作时间),5天×8小时=40个小时;如果采用深度学习方法,算上训练过程和预测过程,只需要2天时间,如果再加上人工干预1天时间,3天×8小时=24小时,时间成本和人力成本都大为减少。而实际上机器可以不停地工作。今年只有30岁的陈家阁,期盼着能早一天研究成功,让机器代替大部分手工劳动,推动行业技术向前迈一大步。

张宏伟告诉记者,团队成员很年轻、有活力、思想活跃,学历高。地信中心全球地理信息资源部10人中,有2/3是博士毕业;遥感处8人中,博士也占到6成。大家创新意识强,特别是想做一些具有挑战性的工作。“我们年轻人想做事,有想法,领导也鼓励和支持创新,带着大家一起讨论,从宏观整体架构到层层解构细化,每一步都进行指导,我们创新劲头十足。”陈家阁说。

从小区域到大区域,再到全球尺度的生产技术挑战;从外业控制到稀少控制,再到无控制的技术创新突破,张宏伟的每一步都走得那么坚实有力。“挑战自我,超越自己,勇于创新,推动行业技术进步。”张宏伟默默坚守着自己的初心。