金亚秋院士:解读空间遥感大数据与人工智能技术

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  12月13日,由中国金融信息中心、中国科学院上海分院联合主办,中科院院士上海浦东活动中心协办,新昌县人民政府全程战略支持的“海上院士讲坛·第十期”在中国金融信息中心举行。本期特邀中国科学院院士、发展中国家科学院院士、国际宇航科学院院士、复旦大学金亚秋教授作题为"空间遥感大数据与人工智能信息技术"的主旨演讲。

  以下为会议实录:

  主办方致辞

  

  中国金融信息中心总裁助理 张超

  中国金融信息中心总裁助理张超在致辞中表示,今天讲坛的关键词是遥感,遥感就是遥远的感知,听起来是专业词汇。但我们对感知却不陌生,每个人与生俱来都有感知的能力,我们的耳朵可以听,眼睛可以看,鼻子可以闻。但是人类并也不满足于这样的一些感知能力,我们希望到更高的地方去看,像鸟一样从天空的视角俯瞰大地,所以我们对自身能力的想象,比如说屏幕上的超级英雄,他们都具有某种程度上的遥感能力,纵身一跃就可以到大气层外遥看我们的地球。既然是超能力,就具备更强大的探测能力。遥感也是这样,它既包括人眼看到的可见光,也包括人眼看不到的更多的电磁波信息。空间技术赋予了我们更多更强的感知能力,能在更高、更远的地方探测地表信息。利用遥感技术为生产生活服务,比如气象预报、减灾防灾、区域规划、对国土资源的探测和管理以及智慧城市等。新华社在国庆阅兵时发表了一篇特别的报道,从卫星上一览长安街上的阅兵队伍,这也是遥感在新闻报道的应用。

  今天,越来越成熟的空间技术,加上3S技术,即遥感(RS)和地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS),为人工智能的应用准备了海量的空间数据,加上5G移动通信和万物互联时代的来临,这些数据将为我们带来对未来智能时代的憧憬。金院士带来的是即将到来的未来,所有的空间信息和所有生产生活的可能都被智慧化,我们的地球是一个智慧的地球。

  最后,再介绍一下中国金融信息中心,是新华社的直属机构,是新华社和上海市人民政府战略合作的成果。其造型像一颗蓝宝石,与东方明珠交相辉映,因此被誉为"东方蓝宝石"。上海"五个中心"建设的背后,需要一个思想中心、信息中心、知识中心来做支撑,因此我们打造了"陆家嘴讲坛"这样一个集名家大家智慧的系列讲坛平台,旨在促进思想激荡,经验分享。其中包括陆家嘴科创沙龙、陆家嘴资本夜话、海上女性讲坛、浦江养老金融夜话、国资大讲坛和今晚的海上院士讲坛等。

  主旨演讲

  

  中国科学院院士 金亚秋

  金亚秋院士从"什么是遥感、人工智能技术提供遥感大数据的信息感知的新途径"等方面,作了"空间遥感大数据与人工智能信息技术"的主题演讲。

  地球上空每天飞行着上千个卫星,各种模式的卫星载荷遥感监测,每时每刻都产生着新的各类数据及其图像。构成了 "空间大数据"。我们的卫星观测、通常说的空间遥感,已经达到很高的分辨率。合成孔径雷达图像空间分辨率可达到分米量级。通过雷达对地球上的大气、地表、海洋、空间等进行目标识别,这个过程就是信息感知。在这之中,我们获得了什么信息,这些信息又能形成什么知识产品?这是在空间观测和空间遥感得到重要应用的主要问题。而人工智能的发展,为信息感知提供了新的途径。今天主要讲讲如何用人工智能的方法来处理空间遥感大数据,从而对目标精细特征进行感知,并形成知识产品。

  1、 什么是遥感

  遥感就是遥远的感知。从地球遥感来说,可分为早期的光学遥感(即飞机上的航空摄影)、卫星平台上的空间遥感、红外遥感、微波遥感。从主被动来说,可分为被动遥感和主动遥感。被动遥感在气象预报、海洋预报方面发挥着很大作用;主动遥感可以达到分米量级的分辨率,通过发射并接收电磁波,感知、反演、重建目标的物理特征。

  要想仔细观测某个地方,需具备比较大的雷达孔径,进而获得较高的分辨率。大孔径有赖于合成技术,七十年代第一个合成孔径雷达运用于海洋卫星,开启了在民用上的应用,九十年代,合成孔径雷达技术蓬勃发展,我们称其为多源多模式合成孔径雷达。至今,它已发展成为一个多源多模式高分辨率全极化合成孔径雷达。多源,即数据有各种目的、各种频率;多模式,即数据采集、测量有不同方式;高分辨率,指雷达可以达到分米量级;全极化,即测量后可以得到电场、磁场不同方向上的反应。

  上世纪九十年代时,中国在这方面基本上是空白的。九十年代后,国内空间遥感事业随着国家的发展而迅速发展。2000年后,中国已经不单是做调研了,而是开始有了实质性的进展,尤其是地球遥感中的风云气象卫星及海洋卫星被广泛应用。举个例子,地球同步卫星"风云四号"围绕地球与太阳同步旋转,只要保持一定的倾斜角,就可始终观测到地球上某一个固定区域。而现在我们的环境卫星及一些其他卫星,都有合成孔径雷达技术。最近发射的环境卫星,也达到了分米量级,达到了全极化。

  许多人关心国家在这方面的技术到底处于什么水平?应该说,我们已经从"追赶"、"跟跑"到了"平跑"阶段,达到了第一集团的水平。我们当然还没有领先,但最近十多年已经取得了非常明显的进展,正在不断形成全面的技术。从世界范围来看,德国做得很好,加拿大在卫星的商用方面做得很好,美国较为保密,日本则有比较成熟的数据发布。这些都是值得学习的方面。

  2、 人工智能技术提供信息感知的新途径

  通过全天时、全天候、高分辨率、多维度获取数据成像,我们对天、空、地、海上的目标进行识别,得到信息感知和特征的反演、重构。需强调的是,这里讨论的是微波、毫米波等电磁波,而不是光学的照片——它是个非视觉的过程,不是通过人眼去"看"能明了的,必须经过科学研究和分析来获取。

  如何识别雷达转化的数据图像?一个研究方式是做模型,例如,通过各种物理参数对复杂的地表进行计算和成像,这也叫做正向的模拟。可是即便所成的像和光学照片有一定相似性,除非是依靠有经验的人,普通百姓依然无法靠肉眼识别信息。

  而人工智能技术提供了信息感知的新途径。以人脸识别为例,机器可以从众多人脸中快速识别所需的人脸,在雷达图像中,我们同样希望可以通过大数据感知所需识别的内容。目前,人工智能已助力于雷达图像识别中,在智慧城市、灾害监测评估、侦察定位跟踪等方面都有广泛的应用。

  人工智能实际上是模拟人脑、人眼视网膜,通过对局部或整体的数据分析,建立感知机制。通过深度学习、大量的数据输入,人工智能产生特征性的矢量分布,进而获取了感知信息的能力。我们非常热切的希望,通过计算神经学、计算机人工神经网络的建立,发展出处理多源多模式高分辨率全极化遥感的新方式。

  比如,通过训练工具及神经网络的计算,人们可以判断舰船及舰船的类型;再如合成孔径雷达技术,通过神经网络,可将单极化图像转变为彩色图像,便于识别分析;此外,雷达图像和照片之间的互验,即光学和微波之间的互验,也可以用神经网络进行处理,以便视觉判断。

  民用广泛的需求促进了雷达技术的发展,雷达技术在民用方面也有很大的应用。比如说台风路径监测。因为台风眼是一个非常强的热力场的动力过程,通过光学红外看不到里面,云雨把红外线挡住了,照相更不可能。但是微波可以透过云雨,微波可以透过台风眼看到里面的物理参数。所以我们通过微波雷达观测,雷达遥感建立台风内部的特征,并选取一定的特征性参数作为训练台风路径的人工智能技术。特别是局部地区的气象预报实际上很难,主要是观测网太少,卫星观测也不太可能对一个小时之内发生的天气现象进行观测,但人工智能所形成的模型可以做到这一点。将来人工智能对于一些灾害性的天气必定会发挥非常重要的作用。

  雷达技术还可以应用对植被、农作物的估产。我们可以通过农作物的各种参数,比如温度、土壤湿度、季节降水、高度等,以及它最后的产量建立起一个训练网络,从而实现对农作物的估产。

  还有城市变化、灾害评估的分类识别。1984年的上海与2014年的上海,城市发生了什么变化?看起来密密麻麻的东西多了、城市建设多了,但其它的科学评估不能单凭眼睛看,我们必须建立起一个目标多时相变化的评估方法,也是人工智能的方法,这在城市的环境监测、城市的发展变化、变化的识别以及发生灾害的评估方面都可以产生很大的作用。

  归根到底,人的眼睛看不到许多雷达图象,我们希望有一个电子的眼睛,称之为微波视觉。如果人眼、人脑或者我们所控制的计算机有一个微波视觉,将雷达图象变成我们想知道的物理特征,并进行分类识别。这实际上从一维的数据、二维的图象变成了多维的信息,实际上也是国家能力的一个体现。

  为此,我们提出物理智能,也就是智能技术要加强在交叉学科当中的物理学规律下进行,提出了"微波视觉"的概念。现在各行各业实际上都是围绕如何发展人工智能技术,从而达到相应的目标,这就需要进行各方面的工作。一方面,我们正在编写一套关于空间微波遥感的研究和应用的丛书,还组织了一些国际研讨会、专刊,希望能够推动人工智能在大数据、信息感知方面取得新的进展,从而在特定的目标、特定的任务当中发挥作用。

  实际上,我们从电磁物理学,加上人工智能AI形成了微波视觉,其中包括了电磁波的仿真反演的研究,包括类脑智能以及物理世界相互作用方面的结合,从而产生交叉科学的电磁方面的人工智能技术,这是我们所提出的人工智能技术特别是在空间电磁学、空间遥感科学,或者目标的自动识别技术方面的进展。根据定义不同,我们可以在许多方面得到应用,比如地球科学当中的一些参数的反演,包括全球变化的研究、目标识别方面的ATR技术。同样还可以在电子对抗技术、空间导航技术等方面得到应用。

  总体来说,卫星技术和其它相关技术提供了大量的数据,但大量的数据和信息的感知不能划等号,特别是多维度、精细的信息感知。我们可以再发展人工智能新的模型、新的算法,并在契合空间遥感的物理学需求的情况下,产生一个交叉的新科学。长期以来,理论、实验和计算构成了科学的三大支柱,现在增加了一个新的支柱,就是智能的支柱。理论,是科学的基本理论;实验,是科学理论的一个实现和佐证;计算,是由于计算机的发展;智能,是由于科学技术的发展。这些科技的应用将带动许多相关学科和相关产业的发展,比如我们正在进行的用来目标识别的人工智能芯片,一方面带动了许多原先没有的产业的新发展,同样,也会促进许多基础研究。基础研究将进入一个新的领域。

  

  主持人:中科院院士上海浦东活动中心主任 吕君

  注:未经院士本人确认

  文字:吴天宇、陈奕屹

  图片:陈奕屹

  统筹:李志琴

  本文来源:陆家嘴金融网

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