西电图像所助力可持续发展科学卫星1号获取高清微光、多谱段和红外影像

发布时间:2021年12月23日 16:24 浏览:

2021年12月20日,可持续发展科学卫星1号(SDGSAT-1)首批影像在京正式发布,包括我国长三角、山东半岛、西藏纳木错、新疆阿克苏、北京、上海及法国巴黎等多个地区和城市的微光、多谱段与热红外成像仪影像。

2021年11月5日,我国在太原卫星发射中心成功发射SDGSAT-1卫星。该星是世界上首颗可持续发展目标监测卫星,是专门服务联合国2030年可持续发展议程(以下简称“2030年议程”)的科学卫星,是可持续发展大数据国际研究中心(CBAS)规划的首发星。

针对可持续发展目标的监测与评估需求,SDGSAT-1搭载了热红外、微光和多谱段成像仪三个有效载荷,以实现对人类活动与自然环境相互作用过程的精细刻画。热红外成像仪具有高分辨率宽幅观测能力,能够获取300公里幅宽、30米分辨率的数据,在国内首次采用全光路低温光学系统设计,可在大动态范围下分辨出0.2摄氏度的温度差异。微光和多谱段成像仪采用共用光路的创新设计,在保证数据观测一致性的同时,实现了10米分辨率的数据获取能力。同时,SDGSAT-1卫星设计有“热红外+多谱段”、“热红外+微光”以及单载荷观测等多种数据获取模式,可实现多载荷、全天时协同观测,针对三个载荷分别设计了不同的星上定标模式,以满足服务全球可持续发展的数据获取效率和定量化探测需求。

SDGSAT-1卫星高分辨率多载荷协同、全天时观测模式,每秒钟获取的图像数据峰值高达2Gb以上,造成星上存储和星地传输链路带宽难以负荷,必须在星上完成高速多源图像压缩,从而有效减少卫星存储和下传的数据量。同时,SDGSAT-1卫星获取的图像数据具有动态范围大的特点,并且对于地面解压恢复图像的质量有更高的要求,必须在星上采用支持高动态、近无损的高性能图像压缩算法。然而,星上提供的硬件逻辑资源十分有限,如何在有限资源下完成高性能图像压缩算法的高吞吐率硬件实现,是SDGSAT-1卫星星载数据处理需要解决的关键技术问题。对此,受中科院国家空间科学中心委托,作为承研单位的西安电子科技大学图像所团队在李云松教授、雷杰教授的带领下,提出了以下解决方案:

针对SDGSAT-1卫星的多载荷多模式、高速率高性能图像压缩任务需求,设计实现了超高数据吞吐率的支持码流精确控制的JPEG-LS近无损图像压缩IP核,解决了JPEG-LS近无损算法存在的重建值复杂计算依赖和码流无法精确控制的技术瓶颈问题。在单片FPGA上集成了多个图像压缩IP核,通过高效并发的资源调度管理,实现了高达3Gb以上的图像压缩处理速率。同时支持无损、2倍、4倍等不同压缩比,以及设定不同失真量的限失真压缩,成功解决了SDGSAT-1卫星多载荷图像数据的高速率、高性能在轨压缩技术难题。

此外,图像所团队的吴宪云副教授还承担了SDGSAT-1卫星去格式解压缩系统的研制工作,在地面上针对星上回传的热红外、多光谱、微光载荷数据,完成了无损/有损数据解压缩任务。解压缩系统具有任务动态调度、任务优先级、系统状态查询等机制,支持网络或磁盘阵列输入,能够实时解压缩、自动生成图像、获取并检查码流中的辅助信息。到目前为止,解压软件运行稳定,有力地保障了SDGSAT-1卫星任务的正常运行。

目前,SDGSAT-1卫星处于在轨测试阶段,各项功能正常,性能指标满足任务要求。此次发布的影像具体如下:

(一)微光成像仪图像

微光成像仪通过探测夜间灯光的强度和分布,具有反映社会经济发展水平和人居格局的能力。SDGSAT-1微光成像仪设计有1个全色波段和3个彩色波段,全色和彩色微光数据的空间分辨率分为10米和40米,开创了彩色微光探测模式。利用其观测数据,结合经济、社会、人文等数据,可为SDG 11(可持续城市和社区)中的住房条件、人居环境、交通运输等,以及SDG 14(水下生物)中的海岸光污染、海上渔业捕捞、海洋油气开采等相关指标的监测、评估和科学研究提供服务。

1、 北京市微光遥感卫星影像图

2、 上海市微光遥感卫星影像图

3、长三角微光遥感卫星影像图

4、法国巴黎市微光遥感卫星影像图

(二)多谱段成像仪图像

SDGSAT-1多谱段成像仪设计有7个波段,空间分辨率为10米。多谱段数据具有大幅宽、高信噪比等特点,其波段设置适用于各种浑浊水体的水色指数、透明度和悬浮物等的监测,可服务SDG 6(清洁饮水和卫生设施)和SDG 14(水下生物)中的水质监测、近海生态环境、滨海养殖和水生植物分布等相关指标的监测和评估。另外,多谱段数据还可用于开展冰川面积与变化、积雪消融状态、植被覆盖等信息提取及变化分析,可为SDG 13(气候行动)和SDG 15(陆地生物)等相关指标监测和评估提供服务。

1、 西藏纳木错多谱段遥感卫星影像图

2、山东胶州湾多谱段遥感卫星影像图

3、黄河入海口多谱段遥感卫星影像图

(三)热红外成像仪图像

SDGSAT-1热红外成像仪为3个波段的新型设计,空间分辨率为30米,幅宽为300公里,具备判识0.2摄氏度温度差异的能力,可精细探测陆地表面与水表温度、农田精细水热动态变化、城市热能分布等,为作物长势、病虫害发生环境、能源消耗、地表温度变化提供基础数据,可服务SDG 2(零饥饿)、SDG 7(清洁能源)和SDG 13(气候行动)等相关指标监测和评估。

1、新疆阿克苏地区热红外遥感卫星影像图

2、 青海乌兰乌拉湖区域热红外遥感卫星影像图

立足自给、自主创新

与国家重大需求和实际应用紧密结合,正是西电图像所团队开展科学研究的重要前提和最终目标。自从事星载图像、视频压缩编码与处理的研究以来,图像所团队始终围绕国家航天领域重大需求,深入研究可见光全色图像、多光谱图像、立体图像、红外图像和视频图像等各类卫星遥感图像的成像特性、高效压缩编码方法以及星载高速硬件系统实现方法,解决了我国现阶段卫星图像数据传输和存储的瓶颈问题,在满足图像质量要求的前提下提高了压缩比和图像压缩解压缩实时处理能力。相关成果曾获得2012年国家科技进步二等奖,2020年教育部技术发明一等奖。

此次SDGSAT-1卫星在轨正常运行后,将为可持续发展目标的监测、评估和科学研究提供持续稳定的全球数据支撑。未来,该卫星的数据产品将提供全球共享,为落实2030年议程、推动构建人类命运共同体和“全球发展倡议”做出贡献。西安电子科技大学图像所师生为能参与这样历史性的航天工程任务,并做出应有贡献而感到无比自豪和骄傲。同时我们会秉承图像所一丝不苟、坚持不懈、艰苦朴素的优良作风,发扬工匠精神,为我国的航天事业继续贡献自己的力量。


参考资料:

[1]齐芳,高空来图,光明日报,https://mp.weixin.qq.com/s/KBU7t2fCA8oaZa-dYdlNlg, 2021-12-20.


导师介绍:

雷杰,博士,教授,博士生导师,IEEE会员,现任陕西省图象图形学学会理事。曾于2014-2015赴美国加州大学洛杉矶分校访学,师从美国工程院院士、中国工程院外籍院士JasonCong教授开展系统级高层次综合、特定域定制化加速计算方面的研究工作。主要从事遥感图像在轨智能处理、神经网络与硬件结构自动搜索、AI算法加速器设计等领域的研究工作。主持了包括国家自然科学基金面上项目、GF预研、重点实验室开放基金、重点研发计划子任务、国家重大科技专项等在内的多项科研课题,承担了我国探月工程“嫦娥二号”、“嫦娥三号”、“嫦娥四号”、“嫦娥五号”,载人航天工程“天宫一号”、“天宫二号”伴星,SDGSAT-1卫星,以及我国首次火星探测工程“天问一号”环绕器等卫星平台上的图像编码处理单元研制工作。以第一/通信作者在IEEE TNNLS、IEEE TGRS、IEEE JSTARS、Remote Sensing等国际期刊和国际会议发表论文二十余篇,获国家发明专利二十余项。获国家科技进步二等奖1项(2012)、教育部技术发明一等奖1项(2020)、教育部科学技术奖一等奖1项(2011)、军队科技进步二等奖1项(2014)、陕西省科学技术二等奖1项(2008)。获2020年JW航天系统部主办的第二届“天智杯”人工智能挑战赛全国冠军、获2020年JWZFB主办的“强芯健魄,铸基智能”挑战赛全国二等奖和三等奖。

吴宪云,副教授,博士生导师。曾于2011-2012赴美国威斯康辛大学麦迪逊分校访学,2012年授予西安电子科技大学通信与信息系统博士学位,2013年任职于西安电子科技大学至今。主要研究方向为遥感图像压缩与在轨处理、遥感图像智能解译、高性能并行计算、计算流体力学/声学/电磁学等。参与了我国“嫦娥二号”、“嫦娥三号”、“嫦娥五号”、“创新XX01星”、“创新XX02/03星”、“SDGSAT-1卫星”、火星探测“天问一号”、“高分对地观测国家重大科技专项”等航天工程任务。主持了重点研发计划子任务、国家自然科学基金青年基金、陕西省自然科学基金青年基金、博士后基金等多项基金课题。以第一/通信作者在在IEEETGRS、IEEEGRSL、RemoteSensing等国际期刊和国际会议发表论文十余篇,论文入选ESI高被引1篇,申请/授权专利十余项。


个人主页:https://web.xidian.edu.cn/xywu/

科研成果:http://www.superzhongguo.com/


上一条:【同心抗疫共克时艰】通院先进交通技术导学团队师生党支部为学生发放暖心水果
下一条:“通”心同行,阻击疫情|通信工程学院党员突击队在行动

关闭