中国遥感软件研制进展与发展方向——以像素专家PIE为例
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中图法分类号:TP751 文献标识码:A 文章编号:1006-8961(2021 )05-丨169-10
论文引用格式:Liu D S,Liao T K,Sun H Y and Ren F. 2021. Research progress and development direction of Chinese remote sensing software: taking
PIE as an example. Journal o f丨mage and Graphics,26(O5 ): 1169_ 11 *78 (刘东升,壞通逵,孙焕英,任芳.2〇21.中国遥感软件研制进展与发展方
向—以像素专家P IE为例.中国图象图形学报,26 (05):丨丨69-1178) [ D01:丨〇• 11834/jig. 200125 ]
中国遥感软件研制进展与发展方向
—以像素专家P I E为例
刘东升,廖通逵$,孙焕英,任芳
航大宏阌信息技术股份有限公司,北W100195
摘要:随着航天航空遥感技术的飞速发展,立体式、多层次、多视角、全方位和全天候对地观测的时代已然到
非主流情侣qq名来如何激活数据价值,吏好地服务行业应用,满足快速增长的遥感应用耑求,成为遥感企业面临的迫切课题遥
感图像处理软件作为遥感数据与行业应用的桥梁,在遥感产业化过程中发挥着不可替代的作用,本文概述了国内
外遥感卫星数据和遥感软件发展历程,通过中国国产遥感图像处理软件-----像素专家(pixel information expert,
P I E)阐述T国产遥感软件的研制进展、典型应用和未来技术发展方向,P I K软件具有多源遥感载荷全方位支持、全
谱段要素信息智能提取、多行业全业务链深度融合、海量遥感数据快速处理和自主产权程序完全可控等5大核心
能力未来将加强与大数据、云计算和人工智能等技术前沿领域的交叉融合,提升遥感数据分析处理、知识挖掘与
决策支持能力,实现遥感数据的按需获取快速传输和专题信息聚焦服务
关键词:国产遥感软件;像素专家(P I E);发展方向;云服务平台;人工智能;大数据
Research progress and development direction of Chinese
remote sensing software:taking PIE as an example
Liu Dongsheng,Liao Tongkui,Sun Huanying,R en Fang
P I E S A T In fo rm atio n T ech n ology Co., L td, B e ijin g100195, C h in a
Abstract :More and more satellites have been launched or will be launched soon. T h u s,remote sensing i s no longer far
away. With the rapid development of aerospace and aviation remote sensing technolog\,,a n ew era of three-dimensional,
multi-level,multi-angle, omni-directional, and all-weather earth observation has arrived. H o w to activate the value of data
and better serve industry applications so as to meet the rapidly growing d e m a n d for remote sensing applications has become
微波炉骨肉相连an urgent issue for remote sensing companies. As a bridge between remote sensing data and industry applications, remote
sensing image processing software plays an irreplaceable role in the process of remote sensing industrialization. With the
implementation of major strategic, projects su(‘h as “C h i n a’s High-Resolution Earth Observation System”(high-score spe-
cial project) and M National Medium-term to Long-term Civilian Space Infrastructure Development Plan (2015 —2025)”,
domestic high-score remote sensing data i s becoming more abundant. Whether these valuable data c an play i t s value and
h ow m u c h value i t can play depends on the conversion process from high-scoring remote sensing data to effective information
and application services. Th e value of remote sensing data recjuires excellent remote sensing image processing software for
mining and analysis. At t l i e s ame time, vigorously developing independent and controllable remote sensing image processing
software has increasingly become an urgent recjuirement to ensure national information security, implement the strategy of
收稿日期:2020-04-20;修回日期:2020-08-24;预印本日期:2020-08-31
*通信作者:黎通逵*********************
Vol .26,No .5,May  2021
中国图象图形学报
JOURNAL OF IMAGE AND GRAPHICS
aerospace power, enhance technological innovation, and serve social development. Through the research and analysis of the development process of remote sensing satellite data and remote sensing software in China and abroad, the domestic remote sensing software has experienced three stages of development : the budding period, the catch-up period, and the independ­ent innovation period. T he remote sensing image processing software pixel information expert ( PIE) is taken as an example to illustrate the development progress, typical applications, and future technological development directions of domestic remote sensing software. PIE, a domestically m a d e  remote sensing image processing software, was independently developed by P I E S A T  Information Technology Co. , Ltd. (http: //w r ww. piesat. cn/) . While opening the application of cloud serv­ice platform, PIE has evolved from a single general-purpose software plug-in architecture to 3S  integration, multi-platform, and multi-load cluster processing ; from pure satellite remote sensing image processing to aerospace integrated platform ; and from optical load to application m o d e  of optics, radar, and hyperspectral full spec;trum. PIE6. 0 has developed from a gener­al remote sensing image processing software to PIE-Basic remote sensing image processing software, PIE-Ortho satellite image surveying and mapping processing software, P I E -S A R  radar image data processing software, P I E -Hyp hyperspectral image data processing software, P I E -U A V  u n m a n n e d  aerial vehicle image data processing software, PIE-SIAS scale set im­age analysis software,
PIE-AI remote sensing image intelligent processing software, P I E -M a p  geographic information system software, and m a n y  other 44 families . PIE6. 0 has five core capabilities : comprehensive support for multi-source remote sensing loads, intelligent extraction of full-spectrum element information, deep integration of multi-industnr  and full-busi­ness chains, rapid processing of massive remote sensing data, and complete control of independent property rights pro­grams. In order to meet the ever-increasing d e m a n d  for remote sensing applications, w e  should build an intelligent, high- performance, and practical remote sensing image processing system ; provide a wider, more refined, and more in-depth spe­cial service ; and gradually develop and improve market mechanisms to establish sustainable development of remote sensing industry capabilities. Domestic remote sensing software continues to develop key technologies, such as remote sensing spati- otemporal big data storage management, intelligent synthesis, incremental cascading update, cleaning analysis and mining, and information security, to improve remote sensing data analysis and processing and knowledge mining and decision sup­port capabilities and to build shared data and codes. Th e  open platform of methods promotes multi-source heterogeneous (lata sharing and interoperability. In the future, domestic remote sensing software will closely follow industry applications and public needs, advanced technology integration and collaboration,remote sensing ()n-()rbit intelligent real-time process- ing, and one-stop refined remote sensing cloud services. PIE
will continue to increase the contribution rate of science and technology ; promote the modernization of remote sensing apj)lication capabilities ; strengthen the cross-integration of remote sensing applications with big data, cloud computing, artificial intelligence, and other cutting-edge technologies ; continue to improve remote sensing data analysis and processing, knowledge discovery, and decision support capabilities ; and realize the on-demand acquisition of remote sensing data, the rapid transmission of data, and the focused services of thematic infor­mation, so that multi-source remote sensing data can truly b e come a powerful weapon to promote resource investigation, environmental monitoring, emergency rescue, and so on.
K e y  w o r d s : domestic remote sensing software ; pixel information expert ( PIE) ; direction of development ; cloud service platform ; artificial intelligence ; big data
我想做点小生意〇引言
卫星遥感技术的飞速发展开启了立体式、多视 角、多层次、全方位和全天候对地观测的新时代。目 前,全球空间基础设施已进人系统化发展和全球化 服务的新阶段,遥感卫星加速升级迭代。新一代遥 感卫星具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分 辨率和高辐射分辨率等特点(郭仁忠等,2018)。遥
感观测手段的日益增多为遥感技术的研究及应用提
供了更广阔和更丰富的数据源。蕴含巨大经济、社 会和科研等价值的海量遥感数据成为关注的焦点 (李德仁等,2014)。
随着中国高分辨率对地观测系统(高分专项) 和《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015— 2025年)》等重大战略性工程的实施,国产高分遥感 数据日趋丰富。这些数据能否发挥价值以及发挥多 大价值,取决于从高分遥感数据到有效信息和应用服
第26卷/第5期/2021年5月
刘东升,廖通逵,孙煥英,任芳中国遥感软件研制进展与发展方向——以像素专家P I E为例
务的转换能力,需要优秀的遥感图像处理软件进行挖 掘和分析。大力发展自主可控的遥感图像处理软件 日益成为保障国家信息安全、践行航天强国战略、增 强技术创新和服务社会发展的迫切要求。
为全面了解国产遥感软件发展历程,本文从国 内外遥感卫星、数据及遥感软件等方面进行对比,对 国内遥感软件进行总结分析,并通过遥感图像处理软件----像素专家(p ix e l information expert,P I E)阐述国产遥感软件的研制进展、典型应用与发展方向。
1发展历程
l.i国际遥感卫星发展历程东海水晶
随着首颗人造地球卫星发射升空,人类开始了 对太空和地球观测的探索1972年美国发射陆地 观测卫星LandSat-1,开始通过遥感卫星对地观测;丨986年法国发射高分辨率遥感卫星SPO T; 1999年 美国发射商业高分辨率遥感卫星I K O N O S;2013年 S k y B o x公司发射SkySat-1,开始小微卫星遥感应用。目前国际遥感卫星发展呈现出更高、更多、更小、更 短、更稳和更准的特点,空间分辨率达到().25 m,时 间分辨率达到1 <1,辐射分辨率达到12 hit,光谱分辨 率为8谱段或更多。国际遥感卫星发展历程如图1所示。
^0^3"s C9
遥感对地观测岛分辨率K M遥感商业岛分辨遥感小微K M遥感1972 年1986年1999年2013年
图1国际遥感卫星发展历程
Fig. 1Development histor\' of remote sensing satellites abroad 1.2我国遥感卫星发展历程
我国遥感卫星的发展相比发达国家有一定差 距随着对地观测技术的不断提升,实现了跨越式 发展,并逐步实现业务化、商业化以及部分国际化出 口。1988年发射自主研制的第一代气象卫星风云 1号A星(卢乃锰和谷松岩,2016);1999年发射第 一代传输型地球资源卫星(中巴地球资源卫星);2002年
发射首颗用于海洋水探测的试验型业务 卫星海洋1号A星(蒋兴伟等,2016)。至此,气象、陆地、海洋卫星观测全面开启。2010年中国高分辨率对地观测系统重大专项启动实施,逐步开展高分 卫星发射32015年以来,陆续发射了以北京2号、吉林1号、高景I号为代表的一系列商业遥感卫星 (中国地理信息产业协会,2019)中国遥感卫星发 展历程如图2所示。
■■■R I B
气象P.M观测陆地卩足观_海洋P.M观测岛分辨串对地现测商业遥感1988年1999 年2002年2010年20丨5年
图2中国遥感卫星发展历程
Fig. 2 Development histor)r of Chinese remote sensing satellites
1.3我国遥感图像处理软件的发展历程
随着遥感卫星的发展,国产遥感图像处理软件 实现了从萌芽期、追赶期到自主创新期的发展。
1972—2000年为国产遥感软件萌芽期,遥感数 据源绝大部分是国外遥感卫星数据,我国仅1999年与巴西合作研制的中巴1号能够提供遥感数据,但 空间分辨率只能达到19 m。由于自主卫星不多,国外
玉树地震死亡人数
遥感数据及遥感图像处理软件基本垄断国内遥感 应用市场,国内遥感图像处理软件的研制处于萌芽 状态,仅表现为科研成果,未达到工程化应用程度,典型的遥感软件是美国的£1'(^8 11113§丨116、£1\\?1(611-vironment f o r visualizing images)和加拿大的PCI Geomatica。受限于当时计算机技术的发展,软件形 态主要是单机版,遥感图像处理功能主要包括影像 加载显示、通用图像处理、像素级分类和目视解译 等,主要用于资源环境宏观普查、土地覆盖/土地利 用分类、植被覆盖度监测、农业资源调查/动态监测、农作物估产、水体信息提取、湿地及生态资源监测和 地质矿产资源勘探等基本的遥感专题制图工作。
2001 —2010年为国产遥感软件的追赶期,国外 新增了Qui(.kBird-2、WorldView-l/2、GeoEye-l和R a|>i<IEy e等遥感卫星数据源,国外遥感软件继续发 展,从人机交互解译发展为半自动化信息提取,图像 分类在传统像素级分类基础上扩展为面向对象分 类,软件形态由单机版软件逐步发展为多机协同、多 机联动的集版遥感影像处理系统。我国2007年 发射了以Z Y1-02B为代表的米级高分辨率遥感卫 星,2008年发射环境与灾害监测预报小卫星,H J1-A 和 H J1-B 星 C CD(c ha rg e coupled device )影像空间分
PIE 6.0 IMI : 5.0PIE 4.0
PIE 3.0PIE 2.0
-
li
.用
I
件式架构
第6代 第5代 第4代第3代第2代 第I 代
2008
2010
2018 2019
图3 P I E 研制进展
Fig. 3
Development of PIE
据的处理已不能满足各行业的需求,国产遥感应用 软件必须集支持大范围、多载荷、功能全面和应用便 捷于一体。面对高速发展的应用需求,P I E 开发探 索多源异构遥感影像融合计算、遥感数据智能解译 与分析等关键技术,加快遥感数据实时化获取、自动 化处理和智能化信息服务等自主知识产权软件的研 制,产品体系向大众实用化、应用简捷化和业务集成 一体化发展(王晋年,2016)。H E  6.0由单一的通 用软件插件式架构演变成将3S  (遥感技术(remote
sensing,R S
)、地理信息系统(geography  information systems ,
G I S )和全球定位系统(global  positioning  sys -
tems ,G P S
))技术集成一体化的多平台多载荷集
处理,从纯粹的卫星遥感图像处理发展为航天航空 一体化平台,从单纯以光学载荷为主发展为光学、雷 达和高光谱全谱段的应用模式,同时开启云服务平 台应用,包括
P IE -B as ic
遥感图像基础处理软件、
PIE -Ortho
卫星影像测绘处理软件、P IE -S A R 雷达影
像数据处理软件、PIE -H y p 高光谱影像数据处理软 件、P 丨E -U A V 无人机影像数据处理软件、PIE-SIAS 尺度集影像分析软件、W E -A I 遥感图像智能处理软 件、P IE -M a p 地理信息系统软件,具有多源遥感载荷 全方位支持、全谱段要素信息智能提取、多行业全业 务链深度融合、海量遥感数据快速处理和自主产权 程序完全可控等5大核心能力(l i t t p ://w w w . piesat .
cn
/p i 'oduct /)。主程序界面如图4所示。2019年中
国测绘学会对P I E 评审鉴定,认为P I E 在基于相位 一致性的异源影像匹配、区域网平差匀技术方面 达到国际领先水平。2.1
陆海气遥感载荷全方位支持
P I E
实现了对资源系列、环境系列、海洋系列、
辨率达到30 m 。国产遥感数据开始在国内逐步试 点应用,Titan  I mage 、P I E 、Virtuozo 、J X 4、Image  S t at io n 和
MapMatrix
(赵忠明等,2019;廖通逵等,2〇18)等
国内遥感图像处理软件崭露头角,能够提供一些基 本的遥感图像处理功能,并且具备了初步工程化应 用能力。PIE 3.0的应用范围也从国土拓展到气象、 海洋等不同领域。
2011年至今为国产遥感软件的自主创新期。 高分专项等国家重大战略性工程推动了国产遥感卫 星自主创新性发展(童旭东,2016)。Z Y 3、G F 1、
G F
2、G F
3、G F
4、G F
5、G F 6和G F 7等国产遥感卫星相
继发射,遥感卫星数据自主率和数据质量显著提高。 国内卫星遥感能力的不断提升,带动国产遥感图像 处理软件实现了跨越式发展。国产遥感图像处理系 统从单机版转变为集版,进而演化到遥感云服务 平台。国产遥感软件图像解译方式由半自动化逐步 发展到智能化。2015年以来,随着人工智能技术的 迅猛发展,遥感和深度学习等先进算法不断融合,从 遥感图像中挖掘所需信息和知识更为实时与便捷。 遥感应用商业形态逐步从单纯数据处理加工扩展到 对各行业提供多样化的信息服务,国产遥感图像处 理软件承担起了国内遥感产业化的重任。
2 P I E 软件的研制进展
遥感图像处理软件是遥感数据与行业应用(提 取专题信息)的桥梁。P I E 遥感图像处理软件以激 活
数据价值、服务行业应用为研发目标,全面支持国 产陆地观测、气象和海洋卫星等数据,深度结合国产 卫星参数和数据特点,提供更精准高效的辐射和几 何处理,支持地方坐标系,用户界面和交互方式更适 合国内用户需求,支持多语言二次开发,可快速构建 行业工程化应用解决方案。自2008年,P I E 已从
I
.()版本发展到6. 0版本,研制进展如图3所示。
随着国产自主遥感数据源的不断丰富,数据格
式越来越多,数据量呈井喷式增长,各领域对遥感应 用软件的需求也极具迫切性并对软件能力提出了新 的要求。例如全国一张图工程、第3次全国土地调 查专项建设、第3次全国农业普查、生态保护红线工 程等大型项目对遥感应用软件的需求日益凸显。仅 能简单支持某一行业的应用或针对某一种传感器数
中国图象图形字报
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jo u r n a l  o f  im a g e  a n d  g r a p h ic s
Vol . 26, No . 5. May  2021
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平台多载荷集处理
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■全谱段、云服务
第26卷/第5期/2021年5月
刘东升,廖通逵,孙煥英,任芳
中国遥感软件研制进展与发展方向—
—以像素专家P IE为例
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遥感图像处理软件PE6.0
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科技改变世界遥感走进生活
电话•400-890-0662航天宏f f i«思技术股份有限公司I 技术支持 O C B:215356434
图4P I E 6. 0主界面
Fig. 4P I E 6. 0 m a i n interface
风云系列、高分系列以及商业卫星系列等陆地、海洋 和气象遥感载荷的全方位支持,同时对新兴传感器 类型具备快速扩展能力。
PIE-Ortho 6.0卫星影像测绘处理软件基于全 流程C P U/G P U内存逻辑处理技术,实现一键式全
流程实时可视化处理,大幅提高数据处理效率,节约 存储空间。通过采用大区域可见光、热红外、L i D A R (l a se r radar)和 S A R(synthetic aperture radar)等多源 异构遥感影像自动匹配和联合平差技术,实现匹配 精度小于1个像元,正射校正精度平原地区达到 1〜1.5个像元,山区达到1〜3个像元。同时PIE 基于自主研发的地理模板勻、区域网平差勻和 交互式精调技术,形成了不依赖第三方软件的高 质量影像匀光匀能力,地理模板勻算法为整体调 设计,区域网平差匀技术可以满足影像接边处 彩自然过渡,在先整体后局部自动调的基础上,人 工精调工具集为局部精细化微调提供了保障。相 比其他同类软件,大区域影像匀光和匀效率大幅度 提高。此外,PIE6.0支持
单机和集两种部署模式,可以满足用户不同规模的数据生产处理需求。
W E-S A R 6.0雷达影像数据处理软件支持国内 T H42A/B、G F-3(12种成像模式)和国外E R S1/2、E N V I S A T A S A R、A L0S-1P A L S A R、C O S M O-S k y M e d、R a(l a r s a t-2、TerraSAR-X、A L O S-2P A L S A R、Sentinel-1A/B等主流星载S A R数据处理,支持自动化、高精 度和大规模的S A R区域网平差,支持与光学数据的异源匹配与联合平差,逐步实现了支持L0级原始 R A W数据、L1级斜距单视复数影像(single look
complex,S L C)、斜距多视复数/强度影像、L2级地理 编码浦球校正(geocoded el li p s o i d corrected,G E C)、
L3 级地理编码地形校正(geocoded t e r r a i n corrected,
G T C)和L4级行业应用产品。
PIE-H yP 6.0高光谱影像数据处理软件支持
G F-5 和 0H S-1(o r b i t hyperspectral s a t e l l i t e r)等国内 外主流星载高光谱数据的质量评价、预处理、光谱分 析、混合像元分解、图像分类、目标探测及行业专题 应用全流程处理,支持高空间分辨率影像与高光谱 影像的异源空谱融合,在空间融合比不高于1: 20 的情况下,可以高度保持高光谱
影像的光谱信息和 高空间分辨率影像的空间解析特性。
P I E-U A V 6.0无人机影像处理软件将计算机视 觉和传统的摄影测量技术相结合,支持多种框幅式 数码相机拍摄以及任意航迹的无人机影像数据自动 化处理,无需人工干预,可快速完成空三解算、D E M (d i g it a l elevation model)生成和正射影像拼接等处 理。提供地面有控制点时,能够实现高精度l)〇M (d i g i t a l orthophoto m a p)f t l D S M(d i g i t a l surface m o d-el)生产;无外业控制点时,可在最短时间快速生成 区域的影像快拼图,服务于应急测绘和特定场景快 速构建。
2.2全业务链条多行业深度融合
目前P I E与很多行业进行深度融合,通过定量

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