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大数据时代的遥感“利器”

——“星空地”一体化对地观测新型地质勘查遥感系统应用侧记

2016-7-15 17:32:37 来源:中国矿业报 作者:王浦

中国地质调查局国土资源航空物探遥感中心(下称“航遥中心”)在基于“十一五”和“十二五”遥感地质工作成果的基础上,构建了我国首套具有自主知识产权的“星空地”一体化对地观测新型地质勘查遥感系统,研究了服务于遥感地质勘查的新技术、新方法。该成果在遥感系统建设和高光谱数据处理两方面都具有创新意义,切实提高了我国地质找矿的综合能力,强化了遥感对地观测的水平和地质调查效果。

随着我国经济的快速发展,国内可持续利用的矿产资源与能源形势相对严峻,遥感技术作为基础地质调查、矿产资源评价、地质灾害调查等的重要技术之一,为地质调查与矿产资源调查工作提供了更加有力的技术支撑和数据支持。然而,目前遥感技术在国土资源领域的应用还缺乏一套星载、机载和地面遥感技术相结合的统一体系,这对海量高光谱数据多领域应用形成了巨大的制约,急需建立一整套全球尺度下的多源海量遥感数据处理平台来支撑遥感数据的应用。

航遥中心在对国内外现有遥感数据地面处理系统调研和分析的基础上,制定了地质勘查遥感系统的总体规划方案和开发规范,研发了国内首套“星空地一体化”的地质勘查遥感系统,该系统适用于矿产勘查、油气探测等地质领域,主要面向星载、机载及岩芯高光谱数据的处理和管理,实现了高光谱数据从原始数据到标准产品的生产以及后续的地质应用。基于研建的星空地一体化地质勘查遥感系统,航遥中心利用现有数据和项目在甘肃、青海地区进行了系统试运行,并分别在新疆东天山地区开展了矿产资源应用示范,在鄂尔多斯地区开展了油气探测应用示范,均取得了良好的应用效果。应用结果表明,本系统功能完备,具有很强的专业性和地质应用针对性,操作简洁,可扩展性强,提取精度高。

该成果是“航空高光谱成像系统研发及地质勘查遥感系统建设”计划项目的子项目“地质勘查遥感系统集成与综合应用示范”研究成果,研究人员在对国内外已有卫星地面处理系统、航空高光谱地面系统以及地面岩心数据处理系统的充分调研和需求分析的基础上,根据载荷指标、应用特点设计了地质勘查遥感系统总体规划设计,制定了地质勘查遥感系统的开发规范。

研究人员以地质勘查遥感系统总体规划设计为基础,研发模拟数据接收解析、快视处理、高光谱数据回放、数据编目、高光谱传感器建模、流程配置、流程驱动、流程管理统计、数据管理、数据分发、系统监视、计算资源管理和任务调度等关键技术模块,并集成高光谱数据噪声评估和去除软件、高光谱反射率反演软件、矿物填图软件、高光谱油气异常提取软件、高光谱岩芯管理软件地,形成地质勘查遥感系统并进行试运行,可以实现星载、机载和岩芯高光谱数据的接收、处理、地质应用和分发等。

据了解,这套地质勘查遥感系统主要包括:高光谱遥感数据接入单元、海量数据存储单元、作用执行单元、管理控制单元、地质应用单元、用户服务与信息发布单元以及硬件设备支撑平台。系统可实现包括数据编目、高光谱数据管理、元数据查询、数据分发和地质应用产品生成等,并能够为典型地质应用提供高光谱数据处理、存储、访问和产品生成的功能。从常规卫星数据处理功能上来看,该系统能够实现数据接入、数据预处理、编目、快视、存储、查询检索等功能。而从专业应用来看,该系统能够支持矿产资源高光谱遥感探测、油气高光谱遥感探测应用,能够根据用户需求生成相应的高级数据产品。

据介绍,该套系统走通了国土资源高光谱数据处理的整个流程,能够保障高光谱数据充分应用于国土资源工作的多个领域,能够大大提高我国矿产和能源探测的效率,从而提高我国地质找矿的能力,推动该领域各项关键技术的发展,进一步缓解我国由于快速城市化带来的资源和能源短缺状况。

尤为值得一提的是,该成果还系统性地解决了高光谱数据处理和应用系统的一体化集成的关键技术,实现了高光谱数据快速处理和高效数据管理。该系统创新性地提出了基于工作流和消息队列的处理软件集成方式,该技术方案能够以流程定义语言的方式对整个系统的处理流程进行精确描述,并能够在运行过程自动进行流程解析和业务模块驱动,实现了应用示范系统高效性和高可扩展性集成的统一,便于后续的升级和扩展。采用这种方式,高光谱地质应用示范系统实现了从数据接收、编目、快视显示、数据预处理的自动化处理,系统的行为可以通过配置管理模块来改变。针对高光谱数据处理过程复杂,数据量大的技术特点,项目组设计了基于任务级的并行处理、基于OpenMP/MPI模型的细粒度并行处理和基于GPU的小型化并行处理三种方案,能够满足高光谱处理和应用过程中多种场景的需求;同时,项目组研发了基于分布式存储的高光谱数据管理软件,该软件将高光谱数据按着不同的维度分布式存储在不同的存储单元中,能够大大提高系统的IO性能和可扩展性,并能够以统一的接口向外部提供数据存取和检索服务。

据了解,该套“星空地”一体化地质勘查遥感系统目前已经部署在航遥中心的多个项目。基于航遥中心现有项目和数据,项目组在不同项目组的不同试验区开展了试运行。试运行结果表明,该系统可以满足项目对相关数据的日常需求和地质勘查需求。而且,系统的各项功能运行正常,性能稳定,可对星载、机载高光谱数据进行接入、存储、管理,能够快速且准确的进行0~2级产品生产,能满足项目组日常工作需要;在甘肃柳园地区和青海小干沟地区开展的矿产资源探测的试运行结果也表明,该系统地质应用效果好,矿物提取精度很高,能够满足项目组地质应用的基本需求;通过在新疆地区、西藏地区、甘肃地区、陕西地区等不同试验区的示范和试运行,也显示该系统可以满足高光谱遥感在地质矿产资源探测和油气探测中的应用,同时也可满足地质工作作业管理、信息服务的信息化管理的需求。

此外,基于系统在甘肃、青海等地开展的地质应用的试运行,项目组还在新疆东天山地区、西藏甲玛铜矿区开展了矿产应用示范,在陕西榆林、庆阳地区进行了油气应用示范,在西藏甲玛铜矿区开展了岩芯管理应用示范,试运行和应用示范的检验结果表明,该套系统功能完备,有很强的地质应用针对性,处理速度快,提取精度高,可有效满足高光谱数据在地质中的应用,是一套简单、易用、实用的高光谱数据处理系统。□D09

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