讓人工智能來熬夜讀圖
用計算機(jī)和人工智能來替代讀圖員,把浩如煙海的遙感原始數(shù)據(jù)變成有用的知識,同時把遙感應(yīng)用引向普及和深入,甚至走進(jìn)普通民眾的生活,這是業(yè)界幾十年來的夢想。人們?yōu)榇藝L試了很多算法和方法,但是要把它變成產(chǎn)業(yè),變成行業(yè)和個人能夠使用的工具。卻是一項知易行難的工程。
判讀員不夠用了
從遙感圖像里提取信息,是遙感應(yīng)用和遙感產(chǎn)業(yè)的基本生產(chǎn)方式。在衛(wèi)星遙感發(fā)明出來以前,航空遙感是人們俯瞰地球的主要手段。那時的航空遙感相機(jī)都是用膠片作為記錄手段的。圖像判讀員們要對著這些照片做人工目標(biāo)判讀工作。衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)明和應(yīng)用,特別是傳輸性對地觀測衛(wèi)星的出現(xiàn),讓這些傳統(tǒng)的判讀員們有了新的任務(wù)。
但是越來越豐富的圖像資源帶來了新的問題:判讀員不夠用。按照美國軍方的標(biāo)準(zhǔn),一名合格的判讀員培養(yǎng)周期長達(dá)八年之久。即使在技術(shù)人才最為充裕的美國軍隊和美國情報部門,也長期面臨著判讀員嚴(yán)重匱乏的問題。所以大部分衛(wèi)星圖像——不管是數(shù)字的還是膠片的——從來沒有人看過。
同樣的問題也出現(xiàn)在民用領(lǐng)域,自從傳輸型遙感衛(wèi)星投入使用,衛(wèi)星遙感圖像的數(shù)量再也不受膠片攜帶量的限制。高分辨率衛(wèi)星的商業(yè)化和商業(yè)星座的普及,更是讓數(shù)字遙感圖像成了要多少有多少的海量資源。
僅僅從國內(nèi)而言,目前在軌運行的就有國有制的資源、高分系列衛(wèi)星,以及商業(yè)機(jī)制的吉林一號星座和高景星座,更多商業(yè)星座正在籌劃和部署之中。判讀員不夠的問題,比以前更加突出了。
這形成了遙感應(yīng)用產(chǎn)業(yè)中最為薄弱的一個環(huán)節(jié),龐大的資源和龐大的需求之間,靠極為有限的人力判讀環(huán)節(jié)維持著。產(chǎn)能不足必然會抑制需求,這也是遙感應(yīng)用市場一直沒有像位置服務(wù)及廣播電視那樣發(fā)展壯大的原因。
熬夜得來的驅(qū)動力
國外遙感應(yīng)用界最近才把這個問題推向前臺。2017年9月,在歐洲咨詢公司主辦的“世界衛(wèi)星商業(yè)周”上,人們熱議的話題正是“對地觀測行業(yè)從銷售數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向銷售答案”。要從數(shù)據(jù)中取得答案,就不可能像傳統(tǒng)上那樣靠人力來分析數(shù)據(jù),只能依靠人工智能和深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。
在遙感產(chǎn)業(yè)界規(guī)模最大、名氣最大的數(shù)字地球公司,則把自己的業(yè)務(wù)全面轉(zhuǎn)向了亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司(AWS),利用AWS所掌握的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來實現(xiàn)深度分析,服務(wù)于防務(wù)、情報、公共安全、測繪、環(huán)境保護(hù)、油氣勘探和導(dǎo)航等領(lǐng)域。這一連串的事件得到了國際航天媒體的廣泛報道。但是國外航天媒體所沒有報道的是,中國的商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)者們不但很早就意識到了這個問題,而且表現(xiàn)出了更高的行動力。
早在2006年,一家叫做航天星圖科技(北京)有限公司(以下簡稱航天星圖)的創(chuàng)業(yè)企業(yè),就啟動了向遙感圖像智能處理進(jìn)軍的進(jìn)程。迄今為止,他們已經(jīng)開發(fā)出了五代產(chǎn)品,從GEOVIS 1到GEOVIS 5,智能化程度越來越高。在曙光超級計算機(jī)和智能計算基數(shù)的支撐下,這種產(chǎn)品平臺正在發(fā)揮著日益顯著的效能。不但如此,航天星圖還打算融合用戶的知識與力量,共同建立產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈,開發(fā)GEOVIS平臺的應(yīng)用,共同把遙感數(shù)據(jù)中的信息變成對社會運行有用的知識。
航天星圖并不是因為突發(fā)奇想才選擇了遙感圖像智能處理這個研究方向。早在21世紀(jì)初,國內(nèi)就開始采購國外高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星圖像。當(dāng)時這類衛(wèi)星圖像數(shù)量較少,而且應(yīng)用非常有限,用人力處理圖像還是可以接受的方式。
隨著圖像數(shù)量的增加和用戶任務(wù)的頻繁,人力處理的弊端越來越突出。航天星圖的幾位創(chuàng)業(yè)者當(dāng)時供職于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所。這是中國第一個綜合型電子信息科學(xué)研究所,也是國內(nèi)航天遙感技術(shù)的領(lǐng)先單位。有關(guān)科研人員經(jīng)常為用戶進(jìn)行遙感衛(wèi)星圖像的處理工作。在遇到應(yīng)急任務(wù)的時候,就需要增加人手或者徹夜加班。創(chuàng)業(yè)者們逐漸萌發(fā)了用計算機(jī)來自動處理圖像,提取目標(biāo)的想法。后來發(fā)生的一件事情堅定了他們的認(rèn)識。
當(dāng)時,用戶要求從海洋遙感圖像當(dāng)中找到一條船的位置,而留給他們的時間只有一個晚上。項目團(tuán)隊為此組織了二三十人進(jìn)行圖像判讀,忙了一晚上之后,總算順利完成了客戶交付的任務(wù)。但這僅僅是一個用戶要找一條船而已,如果用戶需要找十條船、一百條船怎么辦?如果是一百個、一千個用戶同時下單怎么辦?很顯然,靠堆人力是不可能應(yīng)對爆發(fā)式需求的。
實際上,幾乎每個領(lǐng)域的遙感科研人員都遇到了這種問題。人們紛紛嘗試著計算機(jī)自動處理,進(jìn)行了大量的理論研究和算法編制,發(fā)表了大量論文。航天星圖的創(chuàng)業(yè)者們也不例外。為了提高生產(chǎn)效率,他們嘗試著利用計算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)來對遙感圖像進(jìn)行粗略篩查。本著“寧可選錯不可放過”的原則,先把所有疑似目標(biāo)都挑選出來,然后再由人力進(jìn)行精細(xì)的識別和選取。
這種方式提高了生產(chǎn)效率,也降低了工作人員的負(fù)荷,取得了初步的成效。但是這種粗略篩查,有著很高的虛警率。計算機(jī)經(jīng)常把小塊的云團(tuán)當(dāng)作海上目標(biāo)提取出來,也經(jīng)常把那些被云層遮蓋了一半的船只漏過。能不能更進(jìn)一步,消除計算機(jī)自動識別的虛警率呢?
這個時候,人工智能和深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實用化階段。國際上這兩項技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了很大的成效,一次次的人機(jī)對弈都會登上新聞頭條。創(chuàng)業(yè)者們敏銳地意識到了深度機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對遙感產(chǎn)業(yè)的意義。
經(jīng)過艱苦的努力,團(tuán)隊將人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用在計算機(jī)圖形圖像處理當(dāng)中,成功實現(xiàn)了高準(zhǔn)確率的圖像自動識別和目標(biāo)提取,虛警率已經(jīng)降低到了人工分析的水平。
而且,計算機(jī)可以不眠不休地日夜工作,不會疲勞、不會厭倦,更不會像人類那樣為瑣事所困擾,這是人力永遠(yuǎn)無法相提并論的。遙感圖像智能處理技術(shù)終于取得了決定性的突破。
會研發(fā) 也會應(yīng)用
技術(shù)成熟之后,就面臨著產(chǎn)品化和業(yè)務(wù)化的問題,然而中國科學(xué)院電子研究所是一家以科研為主要工作模式的學(xué)術(shù)型單位。對于這家研究所的科研人員來說,取得成果、發(fā)表論文是主要的考核模式,這與商業(yè)企業(yè)的運行模式是不同的。
為了把計算機(jī)圖像自動處理技術(shù)推向市場、廣泛服務(wù)于用戶,在中科院成果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的大背景下,中科院電子所和中科曙光共同組建了航天星圖。電子所有圖像智能處理的技術(shù)積累,中科曙光有超級計算機(jī)和商業(yè)化經(jīng)驗。強強聯(lián)合,彼此促進(jìn)。經(jīng)過十余年積累,公司已經(jīng)在國防、交通、國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市管理等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了業(yè)務(wù)化運行。這對于中國遙感乃至世界衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)來說,都是較為前沿的嘗試。
它的意義不僅僅在于將先進(jìn)技術(shù)投入商業(yè)化運營,而且在于通過商業(yè)運行獲得的投資和利潤,反哺技術(shù)開發(fā)、反哺基礎(chǔ)理論突破,創(chuàng)建一種有示范價值的科研成果應(yīng)用和轉(zhuǎn)化機(jī)制。這對于遙感應(yīng)用和衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的所有領(lǐng)域,都有著推動作用。
