973项目课题 标书 实例对地观测数据空间信息地学知识的转化机理.docx

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973项目课题标书实例对地观测数据空间信息地学知识的转化机理

项目名称：

对地观测数据-空间信息-地学知识的转化机理

首席科学家：

起止年限：

依托部门：

一、研究内容

围绕对地观测数据—空间信息—地学知识转化过程中的关键科学问题展开研究。

通过研究统一时空基准的对地观测遥感影像成像机理，提出对地观测系统的高精度定位理论以及遥感成像几何物理模型一体化求解方法；通过深入研究基于地理要素及其关系的空间信息反演模型，提出遥感信息解译和目标识别的智能化方法、多源空间信息整合与动态更新的理论和方法；通过探讨从对地观测数据和空间信息中发现地学知识的机制，提出空间数据挖掘与地学知识发现理论以及网格环境下空间信息智能服务模式。

本项目研究涉及基础科学问题，包括地学时空数据认知、各种卫星遥感影像成像机理、对地观测数据与地学知识的转换理论、地学知识的表达规则等；关键算法，包括遥感卫星精确定轨定姿算法、多传感器时间精密同步算法、卫星遥感影像RPC参数整体求解算法等；应用示范，城市空间信息应急反应辅助决策系统。

项目的研究涉及六个方面：

2.1对地观测系统的时空基准与高精度空间定位

面向对地观测数据精确处理的重大需求，研究对地观测系统中天地一体化、静动态一体化的优化参考框架，建立完善的对地观测系统定轨定姿的理论、方法与技术，为满足对地观测数据的认知、空间信息反演和地学知识发现，提供精密、连续和统一的基准保障，为深入、细致地研究和理解复杂的“地球”解释提供可靠的数值依据。

主要研究内容为：

1）对地观测系统的时空基准

分析不同空间大地测量技术手段的观测模型、解算参数类型及基准定义等特性，研究不同技术在原始观测量、法方程及最终结果等不同层面进行组合的优越性和可行性；分析不同观测系统间的系统性误差，推导相应的平差模型，确定优化组合模式。

研究建立统一的时空基准所需要的描述参数、公式和模型的协议，以及协议所涉及的相关理论和方法，建立基于我国自主北斗导航卫星系统的国家地基－空基-天基一体的时空参考基准的基础理论和方法，并研究相应的算法和软件。

2）中低轨遥感卫星精确定轨

研究不同高度、不同类型卫星的精化摄动力模型；分析我国北斗二代、GPS、GLONASS、Galileo和SLR定位的观测值模型，研究对多系统组合定轨方法，形成多数据源融合的可行性方案及相应的质量控制措施；建立可用于实时和事后处理的中低轨卫星精密定轨处理系统。

3）中低轨遥感卫星精密定姿

利用星敏感器摄取的星像图，研究星敏感器观测视场里的有效观测星与导航星表中恒星的自动匹配方法，快速提取与之唯一匹配的天体；根据星图获取时刻计算匹配天区的坐标，建立计算星敏感器姿态以及卫星姿态的算法；开发可用于实时处理的中低轨卫星精密定姿软件平台。

2.2遥感几何物理成像模型与一体化求解方法

卫星遥感所获取的对地观测数据主要是数字影像，而影像是由地物辐射经过大气层后被传感器接收所形成，由于遥感平台的运动、地球的转动等一系列因素的影响使影像在几何上产生变形，在灰度上产生衰减。

为了能从对地观测数据中精确提取所需要的地理空间信息，必须对所获取的遥感影像进行精确几何纠正和辐射校正。

重点研究内容如下：

1）卫星遥感成像几何物理模型

以线阵推扫式高分辨率遥感影像为对象，研究卫星影像成像机理，利用卫星系统参数建立影像与对应地物的严格几何关系模型；定量研究地球大气对电磁波信号和光信号的吸收及散射引起的信号衰减几何与物理成像模型，建立影像辐射校正模型。

2）卫星遥感影像几何与物理参数一体化求解

研究将遥感影像几何关系模型与辐射校正模型进行组合的理论和方法，根据影像坐标及其灰度建立有理多项式模型（RPC），并用RPC取代严格成像模型。

根据地面控制场、辐射定标场、遥感平台及大气等关联条件，研究RPC参数的整体解法和优化算法，以及利用地面控制点提高RPC参数精度的算法。

3）RPC参数分离与遥感影像辐射校正

研究RPC参数的物理意义，将其严格区分为几何改正与辐射校正两部分；研究利用辐射校正参数对遥感影像实施辐射校正的理论与方法，以及将分离出的几何改正参数随影像提供最终用户的标准。

4）利用RPC参数从遥感影像提取空间信息

研究利用RPC几何改正参数直接从遥感影像（单幅影像、立体影像）提取空间信息的理论和方法以及质量控制措施；探索利用影像位置及其灰度所构建的一体化方程反演地物目标的几何与物理特性，为利用对地观测技术解决地物目标的地点、性质、变化三大任务奠定理论基础。

2.3高性能遥感影像网格计算与智能处理

对地观测系统是一个多传感器的集成平台，所获取的数据源自不同的传感器，为提取所需要的信息，需要研究各种传感器影像数据的几何物理特征，提取地理要素及其空间关系。

本项内容的研究重点是：

1）空间信息认知模型和遥感影像智能解译与识别

模拟地学专家对遥感影像的生理视觉和逻辑心理等多层次的认知过程，探求其内在规律和认知模型，研究基于智能计算的遥感影像解译与识别的系统理论；以空间信息认知理论和空间要素关系模型为基础，分析遥感影像的颜色、形状、空间方位、纹理、光谱、频谱等特征以及对应地物的非遥感属性信息，研究特征绑定下遥感信息解译的模型；通过定量分析遥感影像智能解译和目标识别过程中的信息流，研究遥感影像智能解译和目标识别的不确定性模型；利用人工神经元网络智能计算模型研究分布式知识表达、并行联想推理等知识处理方法。

2）遥感影像信息智能提取与目标自动识别模型

基于遥感信息认知模型和智能解译与识别理论的研究，综合多学科相关交叉知识，包括智能计算理论、知识工程、专家系统等，研究多信息源（纹理、光谱、SAR、三维等）综合的遥感信息智能提取和目标自动识别方法的共性关键技术，研究新型遥感传感器的信息智能解译与目标识别方法，包括高光谱信息智能解译与目标识别方法、SAR影像信息解译与目标识别方法、高分辨率影像解译与目标自动提取方法。

建立针对高光谱、高分辨率、雷达和三维信息的智能化、自动化信息解译与识别技术框架，形成栅格－特征－矢量一体化的数据模型和数据结构，建立智能化遥感影像信息解译与识别软件原型系统。

3）高性能遥感影像网格计算

为满足从TB到PB量级的海量数据进行高效、实时分析处理的需求，开展遥感影像网格计算研究，包括遥感影像网格计算的体系结构、技术框架、应用模式；解决遥感影像网格计算若干关键技术，包括并行分布式处理算法、遥感影像大型矩阵分布式数值计算、多元信息协同网格计算方法等。

4）土地利用与地表覆盖自动提取与应用示范

以土地覆被/土地利用动态监测应用为示范内容，集成遥感影像信息智能提取与目标自动识别方法和高性能遥感影像网格计算方法相关研究成果，开展应用示范研究，建立能够稳定运行的自动化、智能化程度较高的区域土地利用遥感监测运行系统。

2.4多源空间信息集成融合理论与实时动态更新

充分利用不同传感器、不同分辨率、不同时相的空间信息在纹理、光谱和几何等方面的特征，把多种空间信息在空间和时间上的冗余或互补信息，依据某种规则进行整合，以获得对地球空间信息及地学知识的一致性解释或描述。

1）多源空间信息集成与融合机理

多源空间信息融合机理是研究空间信息整合各个环节中的理论、方法及规则。

研究内容包括多源空间信息的空间基准、时间基准的一致性，多源空间信息的尺度转换规律，多源空间信息整合的精度相融性与误差传递规律，多源空间信息语义描述的一致性及语义转换方法。

2）多源空间信息的多维动态时空模型

研究时空拓扑关系，探讨空间物体历史数据和现势数据的组织和存储方式；研究基于时间基础上空间对象层和片的动态组成和结构，定义与时间和空间相关的时空对象，形成一个完备、高效、时空无缝及尺度依赖的时空数据模型；研究基于多源时空数据模型的建模方法与建模语言，以及容纳历史和现势数据在内的空间和属性查询语言，探索这些时空数据的动态图形及属性表现方式。

3）分布式环境下海量空间信息的集成方法

研究分布式环境下多源空间数据的注册、发现与绑定方法，多源异构空间数据集成与互操作，广域数据无缝拼接，多比例尺空间数据管理，多时态空间数据的组织，大规模空间数据的分布式计算与管理，多源多维空间数据的动态可视化方法等。

4）多源空间信息的智能融合理论与方法

利用小波多尺度分析、模糊数学及神经元网络等方法研究多源、多时相、多传感器遥感影像数据的融合理论与方法；研究多源时空数据的特征信息提取、特征空间的构建方法以及基于特征的空间信息的融合理论与方法；引入决策支持系统理论、专家系统理论，研究不确定性推理机制以及在决策层融合中的应用，研究普适性的决策层融合方法与原则；研究数据层融合、特征层融合、决策层融合结果的相容性，为遥感信息的综合利用提供最佳结果。

5）多时态空间信息的变化检测理论与方法

运用拓扑学、集合论（包括偏序和格）和一般几何学等数学方法研究空间物体的变化，用数学语言描述空间物体的各种变化，进而总结变化的类型，研究空间要素的变化特征和规律，揭示这些地理要素变化的实质；研究多源空间信息时空变化检测的理论以及自动发现变化的方法，包括多源多时相遥感信息之间的自动变化检测以及多源遥感信息与地理要素信息之间的自动变化检测方法。

6）多源空间信息的动态更新机制

研究多时相空间信息实时动态更新机制与方法，包括多时相遥感信息及地理要素特征信息局部更新方法，变化要素与事件在数据库中的表示，变化要素的数据库存储的增量备份机制，变化要素与事件前后状态之间的联接，变化要素前后状态的拓扑一致性检验，为多源时空数据库自动更新奠定基础。

2.5空间数据认知模式与海量空间数据库知识发现

对地观测数据具有海量、多类型及空间关系复杂等特点，现有的数据处理与信息提取方法难以适应其目前和将来的发展需要，发展适合于从纷繁复杂的空间数据发现知识的理论和方法迫在眉睫。

本项内容将重点研究：

1）空间数据认知理论

研究时空数据特征的形成、表达、识别与分类，建立地学知识表达与分析系统的理论框架；研究地学专家有关时空数据的综合表达与决策分析过程的机制，建立地理空间图元语义关系模型与空间推理图式符号系统。

2）地学信息图谱分析方法

从结构描述、符号定义、指标体系建立、图形参数计算、时空坐标转换等地学信息图谱出发，研究地学信息图谱各尺度—结构单元层的多维图解、可视化分析方法，建立基于空间形象思维－精确模式识别计算－定性与定量综合集成的海量空间数据分析与知识挖掘的方法。

3）时空丛聚异常模式与空间关联规则挖掘

研究区分空间噪声和空间模式的密度界限、划分模式与离群值之间的界限，寻找剔除时空噪声的各种谱分析方法；针对遥感影像的智能化分类，研究基于EM和MC理论的空间混合模式分解的知识发现方法；针对高分辨率影像的目标识别，研究基于统计学习理论支持下的空间基元层次组合及目标发现方法；针对多时相数据中的时空迁移规律分析，研究时空耦合条件下的异常模式发现方法；针对地理要素之间的关系，研究基于蒙特卡罗方法的丛集异常模式发现方法;研究地学时空事件与过程的物理性质、完成事件与过程的形式化描述；研究顾及过程时空逻辑关系的关联规则的形式化定义、数学性质、发掘模型与算法。

4）数据挖掘和地学知识发现的不确定性

分析空间、非空间多源数据的不确定性来源、度量模型及其在空间运算中的不确定性传播，研究空间数据挖掘不确定性传播模型—带可信度因子的模糊逻辑传播模型，用知识表示中的不确定性来描述知识本身隐含随机性、模糊性和未确知性。

2.6网格环境下空间信息智能服务及应用示范

1）空间信息网格计算的理论与方法

针对新一代的网络环境，以网格技术为出发点，融合SemanticWeb、WebServices、中间件、Agent等技术，从方法学的角度，对各类分布式计算技术进行合理的集成和抽象，为空间信息处理大型复杂计算提供统一的分布式协同（交互）计算环境及其安全、可靠的运行支撑平台，在普适意义下支持开放、动态和多变网络上的分布计算。

2）空间信息智能服务机制与空间智能体

研究空间信息和地学知识的智能服务机制，包括空间信息智能服务模型、服务规范和服务质量评估方法；探索基于网格的空间信息智能服务框架和体系结构；研究空间智能体的基本功能和空间智能体的连接与嵌入方法；为实现网格环境下空间信息与地学知识的一体化服务提供理论与方法基础，解决如何将信息优势快速转化为知识优势和决策优势的问题。

3）空间信息网络服务语义模型与智能搜索方法

研究基于Ontology的空间信息服务方法，将空间信息与地学知识组织成具有语义的、自适应的空间信息网格。

在空间信息网格基础上，深入剖析空间信息服务的共有和独有的特征，定义空间信息共享服务与互操作协议，设计空间信息网格服务语义模型；根据空间服务所共有的特征抽象出一系列基础性的元服务，组成服务框架。

在服务框架的基础上，研究空间信息服务任务流程建模理论与服务汇集，基于各种应用需求和服务的独有特征来创建新的空间信息服务。

此外，还需要研究空间信息与地学知识的智能搜索方法，保证用户能够及时准确地得到所需要的空间信息和地学知识。

4）空间信息智能服务示范应用系统

研究空间信息智能服务方法与关键技术在城市突发公共危机事件中的监测、预警、事件信息采集、报送，基于专业模型的分析与处理、辅助决策与指挥调度等方面的应用机制，构建面向城市突发公共危机事件的相对完整的应急反应辅助决策示范系统，验证空间信息智能化、自动化处理和地学知识发现以及智能搜索方法的有效性。

二、预期目标

1、总体目标

在天空地一体化时空基准框架下，建立严密的遥感成像几何物理模型；提出从遥感数据中自动化、实时化提取空间信息以及转化为地学知识的理论和方法；为空间信息和地学知识的网格化服务提供理论支持。

经过若干年的研究，在上述方面取得突破性进展，达到同期国际先进水平，在若干研究点上居国际领先地位。

为形成我国独立自主的对地观测数据获取、信息处理与分发服务奠定理论基础，以实现天空地数据获取的一体化、空间信息处理的定量化、自动化和实时化，空间信息分发与应用的网格化，空间信息服务的大众化与智能化。

2、五年目标

✧提出适合我国对地观测系统的精密定轨定姿理论，为我国对地观测系统遥感影像的几何纠正和辐射校正提供基于有理多项式的遥感成像理论模型和方法。

在缺少地面控制点情况下，将我国卫星遥感的对地目标定位精度从目前的500-800m提高到50m，利用地面控制点数据库自动定位精度达到米级，使我国遥感影像几何定位水平挤身于国际先进行列。

✧建立集知识工程、智能计算等多种方法于一体的智能遥感信息解译和目标识别的理论与方法体系，初步形成新型传感器遥感影像智能化处理的理论框架，提出适应海量遥感数据快速处理的高性能遥感影像网格计算方法。

✧建立可以覆盖全球的多源时空数据模型，提出多时相空间信息变化自动检测与动态更新的方法。

✧建立从海量图形图像数据库挖掘空间信息和发现地学知识的理论与方法，针对对地观测系统在自然灾害与突发事件应急反应等重大问题提出空间知识辅助决策的机制，初步形成从空间信息到地学知识转化的理论与技术体系。

✧提出一套基于本体论的空间信息服务语义模型与智能体，通过城市空间信息应急反应辅助决策示范系统，建立较为完整的空间信息与地学知识网格服务的理论框架和应用模式。

✧发表高质量的学术论文150篇以上、出版著作6部，申报专利10项以上。

培养和造就一支具有一定规模的、以中青年科学家为骨干、多学科结合的遥感数据获取与信息处理的高水平人才队伍。

三、研究方案

四、年度计划

研究内容

预期目标

第

一

年

1、资料收集、整合与分析，包括各类对地观测数据，多时相、多尺度、多传感器数据，灾害发生数据、水热数据等，以及在对地观测数据、空间信息和地学知识等方面的研究成果

2、对地观测技术的研究

（1）分析各类对地观测技术手段的数据特点、参数类型、模型及使用的参考基准

（2）研究不同技术手段获取的空间数据的组合模型及参数估计方法

（3）研究卫星精密定姿的基本算法

3、卫星遥感成像机理

（1）研究高分辨率卫星遥感影像的成像机理

（2）建立影像与对应地物的严格几何关系模型

（3）建立影像辐射校正模型

（4）建立通用的RPC参数模型

4、遥感影像解译和目标提取

（1）研究基于对象的遥感信息抽取和描述的基本方法

（2）基于知识库的遥感影像的智能化信息提取方法研究

（3）建立遥感影像目标显著性图

（4）研究高分辨率影像解译与目标自动提取的总体技术框架

（5）研究面向海量遥感数据处理的网格计算模型

5、多源、多尺度、多时相空间信息整合集合和数据模型以及可视化方法

（1）研究多源、多尺度、多时相空间信息的时、空基准的一致性

（2）研究空间信息整合的精度相融性与误差传递规律

（3）研究空间信息语义描述的一致性及语义转换方法

（4）研究时空对象特征和多源、多尺度、多时相时空数据模型

（5）研究时空拓扑关系和时空数据的组织和存储方式

（6）基于多源时空数据模型的建模方法与建模语言，以及时空属性查询语言

（7）多源多维时空数据的可视化方法

6、空间丛聚模式的提取方法及其在丛聚地震时空模式提取中的应用

7、研究空间数据的模糊表达方法

8、空间信息网络模型与空间信息服务

（1）分析国内外在空间信息服务研究现状。

（2）研究空间信息网格模型和空间信息服务网格模型

1、研制多种大地测量基准观测数据组合方法与软件系统

2、建立卫星精密定轨标准子程序库。

3、建立适合国产高分辨率卫星遥感影像的有理多项式模型（RPC）

4、提出遥感影像目标显著性图生成方法

5、提出高分辨率影像解译与目标自动提取的具体解决方案

6、形成满足海量遥感影像处理的高性能网格计算平台总体框架

7、在提出精度和效率最优的区域统一时空基准的基础上，提出多源空间信息整合的尺度相融性、精度相融性和语义相融性指标

8、建立无缝的多源、多尺度、多时相的时空数据模型

9、建立一套能有效进行时空数据查询与可视化方法

10、初步建立空间信息网格模型和空间信息服务网格模型理论

11、研究空间数据挖掘算法5～6个并软件实现，

12、发表高水平论文30余篇

第

二

年

1、遥感卫星定轨、定姿

（1）研究基于北斗二代导航卫星系统的高轨、中轨卫星定轨的数据处理算法

（2）建立导航星象表，研究恒星敏感器摄取的星象图与星象表的匹配方法及定姿模型

2、卫星遥感影像几何与物理参数一体化求解

（1）几何关系模型与辐射校正模型的组合理论和方法

（2）RPC参数的整体解法和优化算法

（3）利用地面控制点提高RPC参数解算精度的算法

（4）研究RPC参数的物理意义，利用辐射校正参数对遥感影像实施辐射校正

3、影像自动分类、智能解译和网格计算

（1）遥感影像特定目标搜索与定位方法

（2）高分辨率影像样本库与知识库的建立与表达方法

（3）全极化SAR影像的自动分类与目标识别方法

（4）高光谱数据信息解译智能化模型

（5）高性能网格环境下的遥感数据处理的网格计算技术框架和协同机制

4、时空数据管理与可视化，以及分布式环境多源数据的管理与操作

（1）分布式环境下多源空间数据的注册、发现与绑定方法

（2）多源异构空间数据集成与互操作，大规模空间数据的分布式计算等

5、开展基于遥感影像的空间数据融合和变化检测的研究

6、地理现象变化模式和空间分布规律

（1）灾害模式以及水热异常模式的图谱表达方法

（2）地震序列时空变化模式与强震时空迁移模式的研究，旱涝灾害的时空分布模式

（3）基于网格分析方法的水热数据之间的相关性分析

（4）基于遥感图像的云区提取及其时空分布规律研究

（5）强震丛聚模式的不确定分析，旱涝灾害时空模糊分布的不确定性评价

7、空间信息网格模型和空间信息服务网格模型理论

8、空间信息智能服务框架模型和空间信息智能服务平台的体系结构

1、初步利用北斗二代导航卫星系统进行地面动态目标和空中目标定位；

2、研制卫星定姿软件系统

3、形成一套求解RPC参数的算法

4、研制可用于求解各种高分辨率卫星遥感影像RPC参数的试验系统软件

5、完成特定目标搜索系统模块

6、初步形成极化SAR影像的自动分类与目标识别方法

7、建立面向领域的推理机及其知识库

8、提出基于WebSevice和GRIDService的异构空间数据集成与互操作的方法与协议

9、实现多源、多尺度、多时相、异构空间信息的分布式管理与集成，其中，分布的结点十个以上，管理数据的能力达到TB级

10、将已有算法应用地震时空模式、旱涝分布模式、水热相关性以及云区时空分布等研究

11、实现对空间信息服务属性的抽象描述，实现对空间信息服务进行快速灵活部署。

12、发表高水平论文30余篇，出版专著1部

第

三

年

1、卫星定轨、定姿

（1）探索和建立基于多种技术组合的全球综合对地观测系统的理论和方法

（2）研究Galileo导航卫星系统的数据处理算法

（3）研究组合星载导航系统的算法，提高中低轨道遥感卫星的定轨精度。

（4）研究并形成利用恒星敏感器进行卫星定姿的优化算法。

2、研究基于RPC模型的区域网平差、目标三维重建等理论和方法

3、遥感信息提取与解译

（1）研究遥感信息视觉特征的学习、归纳与推理，建立遥感信息认知模型

（2）研究遥感信息理解和解译的不确定性模型。

（3）研究基于图谱特征的信息提取及识别方法

（4）研究遥感信息获取与处理中的并行计算理论，以及遥感信息分布式处理算法

4、基于遥感影像的空间数据融合

（1）研究多源、多时相、多传感器遥感影像数据的融合理论与方法

（2）研究基于多源、多时相遥感影像数据的超分辨处理方法

（3）研究基于特征的空间信息的融合理论与方法；

（4）研究不确定性推理机制及其在决策层融合中的应用，进而研究普适性的决策层融合方法与原则

（5）研究数据层融合、特征层融合、决策层融合结果的相容性

5、地理现象空间相关性的分析与研究

（1）灾害链相关性以及水热异常相关性的图谱表达方法

（2）近500年来中国强震与旱涝灾害的空间分布的相关性分析

（3）近50年来中国生态环境的变化模式研究

（4）基于中国水热数据的气象因子的空间分布模式研究

（5）近50年来中国生态环境变化以及云区表达的模糊性分析

6、空间信息智能服务框架模型和空间信息智能服务平台的体系结构

7、数据语义解析和服务

1、完成多种大地基准观测数据组合软件平台

2、利用Galileo卫星导航系统的数据进行地面和空中定位、定轨数据处理

3、对国外中低轨道遥感卫星的定轨精度达到3－4cm，对我国遥感卫星定轨精度达到10cm左右

4、研制利用RPC参数直接从卫星遥感影像提取地物空间信息的试验系统软件

5、形成极化SAR影像的自动分类与目标识别方法和基于光谱特征的信息提取及识别方法

6、解决遥感处理的分布式超级计算问题

7、提出空间数据层融合、特征层融合和决策层融合的理论框架与具体方法

8、对数据融合结果提出评价指标体系

9、力争总结出区域上强震发生与洪涝灾害发生的空间相关模式，水热数据与气象因子分布之间的时空相关性模式，同时采用图谱的方法进行表达，并对这些模式进行模糊性分析

10、解决空间信息服务能力的动态发现问题

11、解决动态地创建、终止、管理和激活互网络服务的问题

12、解决空间信息服务执行环境的高可用性、可伸缩性和自组织性问题

13、解决如何通过业务协同层来解决资源同步管理问题

14、发表论文高水平的30余篇

第

四

年

1、卫星定轨、定姿

（1）研究深空大地控制网的建立和维持方法

（2）完成星载GNSS整周模糊度算法

（3）研究在统一时空基准下，利用定位与定姿的结果提高遥感卫星影像精度的实现方法

2、探索利用影像位置及其灰度所构建的一体