开放科学对全球综合地球观测系统建设影响分析

分类：论文范文 发表时间：2021-12-13 08:58

　　摘要:遥感应用已经成为众多行业必不可少的工作支撑，各国遥感系统发展风起云涌，可信遥感信息支持执法应用成为用户新的要求。针对地球观测组织在2019年堪培拉部长级峰会上提出的面向数字经济推动由开放数据向开放科学的转变，分析了地球观测系统需要研究新的互操作模式来指导知识枢纽建设，适应数字经济对于数据质量的要求，提升科学决策支撑能力。遥感信息独特优势吸引了国际数字技术大企业的关注和参与，讨论了新一代数字技术支持下遥感图像处理新的技术路线，依据遥感科学的概念顾及获取到信息整体链条进行全参数处理，通过构建检验、认证质量保证体系实现定量遥感、可信遥感。进一步分析了开放科学目标下全球综合地球观测系统建设需要在实现数据质量和结果复现下，运用云计算和大数据等技术整链条式处理信息，建立遥感系统之间新的互操作，实现各国用户执法应用的可信支持。

　　关键词:全球综合地球观测系统;开放科学;遥感科学;整链条处理;地球观测系统互操作;可信遥感

　　0引言

　　地球观测组织(GrouponEarthObservations，GEO)是主要发达和发展家为响应2002年在南非约翰内斯堡举行的世界可持续发展峰会提出的对地球状况进行协调观测的迫切要求，以及2003年法国举行的八国集团首脑峰会(G8)关于确认地球观测应是重要和优先行动的声明，于2005年建立的政府间多边科技合作机制［1］。GEO是目前在地球观测领域规模最大、最具权威和影响力的政府间国际组织，也是地球观测领域最重要且最活跃的国际舞台，主导和引领着全球地球观测系统的发展。GEO的目标是推动全球综合地球观测系统建设，通过制定和实施《全球综合地球观测系统十年执行计划》［2］，建立一个综合、协调、可持续的全球综合地球观测系统，更好地认识地球系统，为包括天气、气候、海洋、大气、水、陆地、地球动力学、自然资源、生态系统以及自然和人类活动引起的灾害等社会领域服务，为决策者提供从初始观测数据到专门应用产品的信息服务。

　　1地球观测系统开放科学必须要生产

　　高质量数据融入数字经济地球观测系统进入数字经济，主要是提供数字信息，以成为数字社会中广域、连续、客观、时效性信息源的主要部分。地球观测在数字经济中的角色和作用必须要符合数字经济的一般规律，符合数据科学的一般理论，才能够真正融入进去。

　　1．1数据质量是数字经济的重要基础和遥感结果

　　的必答题遥感数据需要顾及大数据的需求，尤其是数据科学对于数据质量、数据产品、数据驱动决策等理论要求，调整自身的生产供给体系，融入大数据、数字经济中。

　　数据科学随着大数据时代的到来成为学科和产业研究的热点。数据科学是一种以数据为中心的科学，朝乐门［5］在《数据科学》中概括了其基本内涵:①将“现实世界”映射到“数据世界”，在“数据层次”上研究“现实世界”的问题，并根据“数据世界”的分析结果，对“现实世界”进行预测、洞见、解释或决策;②以“数据”尤其是“大数据”为研究对象，以数据统计、机器学习、数据可视化等为理论基础，主要研究数据加工、数据管理、数据计算、数据分析和数据产品开发等活动;③实现“从数据到信息”、“从数据到知识”和(或)“从数据到智慧”的转化为主要研究目的，以数据驱动、数据业务化、数据洞见、数据产品研发和(或)数据生态系统的建设为主要研究任务。

　　1．2遥感图像处理结果质量缺乏控制标准成为其开放科学的首要问题

　　地球观测系统必须要提供高质量的数字信息才能够使自身融入进数字经济，开放科学首先要回答如何保证GEOSS支持不同、不同生产者利用数据和研究成果来复现生产高质量数据支持用户决策的问题。这需要对于遥感处理体系进行重新规划和研发，与云计算能力、人工智能等相匹配，实现由统计学方法、数据驱动到未来知识驱动的转变［10］，使遥感信息能够依据其科学体系最大限度地考虑各类参量约束获得高质量的计算结果，直接面向大数据时代提供遥感数据产品。

　　2基于传感器整链条式过程处理构建高可信遥感信息体系

　　遥感要融入大数据时代、成为数据挖掘的核心组成部分，必须要供给高质量的遥感信息，为实现这个目标，通过以上的分析我们的观点是，不进行分阶段处理，而是按照某一个传感器的整体链条进行处理、瞄准任务要求的专题信息进行组合或者融合、运用强大计算能力进行智能处理，建立流程溯源和评估标准对数据质量进行检测认证。这一框架可以简称为“整链条式”。

　　整链条式处理，必须要把遥感图像按照任务要求的专题信息，从最初传感器到数据地面站接收再到专题信息提取的整个链条过程涉及的每一个参数进行计算，充分发挥计算传输等新一代数字技术能力，做尽量少的参数简化处理。做好整链条式处理需要切实按照遥感科学体系来连续实施每一步的处理工作。

　　3GEO开放科学融入数字经济需要新的互操作

　　GEO通过15a的努力，遵从SystemofSystems指导原则，成功地建成了初级的GEOSS［15］，基本实现了开放数据的目标。目前这个系统主要包含组件与服务注册中心(componentsandservicesregistry，CSＲ)、数据访问代理服务(discoveryandaccessbroker，DAB)和访问门户(portal)3部分，其中CSＲ提供了资源分级分类标准和资源目录管理能力，DAB和分布式检索中心(clearinghouse)实现了分布式地球观测资源和系统的访问，访问门户提供地球观测资源的搜索和展示的能力。应该看到当前系统比较好地实现了资源元数据信息的“多到一的汇聚”和资源访问能力的“一对多的连接”，极大地促进了全球各国尤其是广大发展家对于遥感数据的获取和应用。我国也参照相关体系框架建设了综合地球观测数据共享平台［16］，对国内遥感卫星数据、国际卫星数据资源进行了综合编目和数据共享服务，已经成为国内卫星数据共享的重要渠道，极大地促进了我国综合地球观测系统间的合作和应用推广。

　　4以高可信遥感互操作来建设GEOSS

　　GEOSS实质就是实现各国、区域系统之间的互操作。事实上地球观测系统之间的互操作也确实得到了GEO的高度重视［17］，2005年组织建设之初，科学家们就推动成立了互操作和标准工作组，并进行了几年的活动。但是由于实施目标、增值效益不明确，现在仅仅成为了一个资源注册入口，欢迎各国自发注册自己的标准，并进行推广和宣传［18］，这已经完全不能够适应开放科学的要求了。

　　4．1GEOSS提供高质量数据需要整链条式处理过程的互操作

　　现在GEO在进行开放数据到开放科学的转型，通过构建知识枢纽等新的设施来推动遥感结果服务于用户决策、融入数字经济中，这为从更加科学角度调整重整GEOSS、推动新的系统互操作、实现各国系统的增值服务提供了良好机遇，也是新的要求。我们提出要以质量保证、高可信遥感信息来服务决策，得到了2019年堪培拉会议的认可，其后GEO讨论知识枢纽建设文件也重申了这一思想［19］。这是大数据时代的要求，遥感必须要调整和发展自己来适应数字经济用户的要求。

　　4．2整链条式推动系统互操作面临的主要问题

　　整链条式处理模式以遥感学概念作为指导，具备逻辑合理性。但是实现这种处理系统却不是容易的事情。

　　1)遥感系统的复杂性。定量遥感实际上就是地物与平台间各参数组成的方程的求解，但是目标－传感器之间的相互作用非常复杂，既有大气的反射、散射、透射，也有地表的反射、辐射以及地－气之间的多次散射，因此造成待求解的参数个数数量繁多，目前求解地表参数的过程往往还是离不开经验模型和物理方程相结合来算出地表参数。另外还有其他多重因素影响，如地表非朗伯体特性、地形起伏等复杂性、定量遥感产品验证和质量控制复杂性。因此虽然各个阶段的处理系统比较成熟、水平很高，但要形成整链条式处理系统还需要做大量的工作，大量算法、模型需要重新架构。

　　2)遥感系统之间的非完全公开特性。遥感系统由于传感器、卫星或者航空平台、地物参数敏感性、数据的商业性等特征，造成遥感系统的管理者对于遥感地面站之间完全公开全链条信息是有保留的、很难在行业内完全实现的，全部实现全链条处理是一个最理想的状态，需要在技术上探索解决方案。

　　3)遥感内容单一识别特征与混合像元地物过程的特殊性质。传感器获取的地物信息是综合的像元，地物电磁波识别特征是针对纯粹单一地物的，而遥感图像的任何一个像元中获得的都是地面上某一个尺度上所有地物的集合，其中地物间的比例千差万别，因此任何一个像元都有可能是不同地物不同比例的混合，其中差别是非常微小的、微弱的，再加上同物异谱、同谱异物的存在，高质量处理的难度怎么强调都不过分。行业内在建立获取系统平台之外，这个方向的重视程度和投资力度严重不足，使得数据质量和误差计量的坎儿没有迈过去。

　　4)新一代数字技术的复杂和跨学科人员的缺失。新一代数字技术涉及高性能计算、数据库、数据挖掘等技术，遥感涉及空间数据的尺度效应、空间拓扑、空间动态并发等，遥感信息加工必须要在新的计算能力、网络平台下进行新的架构设计、算法和模型研发、系统开发，这需要信息技术、遥感、地理信息系统等科学家的密切合作，跨学科的工作带来了一定的困难。

　　5)作为一个科学体系、逐步迈向成熟的行业，需要有一套质量保证和检验体系。在上述4个方面的工作取得进展的同时，必须要构建综合地球观测系统获得的数据和处理信息结果的质量评价和检验体系，使决策者用得放心。不论开放科学是基于目前的知识枢纽方式进行推动，还是今后的升级和更新，开放科学中涉及的请求/要求开放的具体内容都顾及推动新的系统互操作，保证数据的质量和可复现。

　　5结论

　　开放科学的转变对于全球综合地球观测系统的建设提出了新的要求，通过分析新一代数字技术为遥感图像处理获得高质量可信信息服务提供的条件，大数据时代数据科学对质量、分析工具的要求，提出按照遥感科学的体系框架来构建整链条处理体系，改进发展初期计算资源有限时的分阶段简化处理的范式，这为遥感系统建设、遥感处理、信息质量体系等工作提出了新的发展方向，也将会对于全球综合地球观测系统建设产生巨大影响，提出全球开放共享的新的科研成果内容，为建设全球综合地球观测系统提供新思路。在各国地球观测系统之间实施保障整链条式处理的新的互操作，实现误差计量的高质量、高可信遥感信息服务，才能够保证各国尤其是发展家实现数据和知识的复用、数据成果的高质量和可对比，完成从开放数据到开放科学的转变，为决策提供可信信息，推进遥感信息融入数字经济中成为中坚力量，发挥出遥感科学的作用和潜力，切实实现地球观测组织的目标任务。

　　参考文献(Ｒeferences):

　　［1］李素菊．空间减灾国际合作机制(四):地球观测组织机制介绍［J］．减灾，2018(15):50－51．LiSJ．Internationalcooperationmechanismonspacedisasterreduction(four):IntroductionofGEOmechanism［J］．DisasterＲeductioninChina，2018(15):50－51．

　　［2］GEOstrategicplan2016—2025:ImplementingGEOSS［OL］．h

　　［3］Canberradeclaration［OL］．

　　［4］Openscience［OL］．h

　　［5］朝乐门．数据科学［M］．北京:清华大学出版社，2016．ChaoLM．Datascience［M］．Beijing:TsinghuaUniversityPress，2016．

　　景贵飞

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