2023年1月15日，珞珈三号01星在太原成功发射。珞珈三号01星是面对国家航天技术重大需求，探索航天信息情报服务新理论、新技术、新装备的重要成果。

武汉大学李德仁院士、王密教授团队在国际SCI期刊Geo-Spatial Information Science (地球空间信息科学学报，GSIS)上发表快讯文章（Letter），介绍了中国首颗互联网智能遥感科学实验卫星——珞珈三号01星。李德仁院士为第一作者。

快讯全文阅读地址：

欢迎扫码查看原文

“

”

Deren Li, Mi Wang, Fang Yang & Rongfan Dai (2023) Internet intelligent remote sensing scientific experimental satellite LuoJia3-01, Geo-spatial Information Science, DOI: 10.1080/10095020.2023.2208472

以下为快讯全文翻译

互联网智能遥感科学实验卫星—珞珈三号01星

李德仁a, 王密a,b, 杨芳c, 戴荣凡a,b

a测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉大学，武汉，中国；b国家网络安全学院，武汉大学，武汉，中国；c航天东方红卫星有限公司，北京，中国

随着5G/6G、云计算、物联网和人工智能等新技术的发展，人类已经进入万物互联时代。传统遥感卫星数据获取、处理和应用模式已无法满足大众化和实时化的应用需求，为了响应万物互联时代的地球空间信息产业服务需求，从孤立的遥感卫星走向空天地信息网络成为必然趋势。

2023年1月15日，中国首颗智能遥感科学实验卫星—珞珈三号01星（图1）在中国太原成功发射。珞珈三号01星是面向国家空天科技重大需求，探索空天信息智能服务新理论、新技术、新装备的重要成果，建立了通导遥集成的开方式科学实验与验证平台，能够展示全球范围的信息获取、智能处理、稀疏表征与压缩传输和终端实时分发的全过程，体现空间信息网络环境下遥感数据应用“快”“准”“灵”的目标。珞珈三号01星为相关科研单位提供了开放式在轨实验验证平台（用户能够获取感兴趣的遥感数据，并设计开发相关APP软件在珞珈三号01星平台上进行在轨实验），也将为中国下一步推动天基互联网的空天信息实时智能服务做好技术准备。

图1 互联网智能遥感卫星实时服务

1. 多模式开放智能互联的新一代遥感卫星设计

珞珈三号01星搭载了多模式成像的轻小型光学遥感相机，具备在轨高性能处理平台、开放软件平台，支持在轨灵活加载安装智能处理APP，有着以下四大核心特点。

1.1. 多模

卫星具有机动能力强、指向精度和稳定度高的平台，在此基础上能够实现敏捷的高清视频凝视成像。相机光轴始终指向固定地面目标点，在成像时间段内可通过实时调整卫星姿态实现对目标点的连续快速跟踪，满足对热点区域进行90 s长时连续观测的要求。另一方面，卫星能够在偏离星下点35° 范围内进行三轴姿态机动，从不同角度动态跟踪目标，实现多角度立体成像。在面阵推帧成像时，通过姿控引导光轴指向沿卫星飞行方向，实现对地表的匀速扫描，相对地速小于卫星飞行速度，通过控制相机可以成像出多个单幅图像，相邻图像间有一定的重叠区，多幅连续图像可构成一个条带。在推扫成像时，卫星保持固定的拍摄姿态，通过进行双CMOS组合成像，可实现大区域连续影像获取。珞珈三号01星所具有的这种高清视频、多角度立体和连续区域成像的多模式成像特点，可以满足对不同应用场景的观测需求。

1.2. 智能

创新性地提出了“任务规划-传感器校正-目标检测-智能压缩” 在轨实时智能处理技术体系，解决了海量遥感数据处理不及时的问题。针对系统资源的优化调度问题，构建了面向移动终端用户的地面云中心协同服务机制，通过对成像任务和平台资源的精准描述，实现了准确高效的任务驱动。针对星上有限条件下的实时数据处理问题，提出了任务驱动的星地协同在轨流式处理架构，构建了数据迁移和计算迁移的星地协同在轨服务机制，能够精准锁定兴趣区数据，适配DSP、FPGA、GPU等异构多核计算平台,实现了任务“边获取-边处理-边传输”。为实现星上实时智能信息提取，通过星上搭载的智能处理单元,设计了“地面训练-星上检测-反馈更新”星地联动框架，解决了深度学习模型无法应用到新目标检测的问题。首次将传统星下处理分析任务迁移至星上，有效提升了卫星服务的智能化和实效性。针对海量卫星遥感数据传输难、重构质量差的问题，提出了卫星遥感影像稀疏表征与在轨高倍率压缩技术，突破单源数据压缩极限，可有效去除时序遥感影像数据的长程冗余信息。

1.3. 互联

互联的目的是实现“卫星-接收站-移动终端”的相互通信和传输，主要借助地面站来进行任务上注和数据下传，完成星上在轨处理数据对于移动用户终端的分发。首先，针对用户对感兴趣区域或目标的观测需求，通过集成演示验证客户端提交观测任务，地面测控数传站将任务需求上注至卫星平台；智能遥感卫星自主任务规划产生任务指令并执行，当卫星过境目标任务区域时则进行成像，获取所需图像；星上智能处理单元对数据进行实时的定位、几何校正、云检测、目标检测、变化检测、动目标提取与跟踪等处理，并进行智能高效压缩，经星地传输链路实时下传至地面接收站；最后，通过地面网络进行实时分发，通过5G网络基站或WIFI热点方式将在轨处理结果反馈给用户移动终端，支持向普通大众提供数据获取端到移动终端的遥感信息实时智能服务。这种模式创新性地将星地链路与5G移动通信集成在一起，打通了卫星与移动终端的双向链路，可实现全球范围遥感数据到用户的分钟级智能服务。

1.4. 开放

珞珈三号01星提供开放的数据源和卫星在轨算法平台服务。设计了高性能硬件处理平台、开放的软件平台（包括基础操作系统环境、应用程序编程接口、图像处理基础库、深度学习软件框架等），支持在轨灵活地开展多样化智能应用。用户除了可按需订购感兴趣的数据，还可以自主设计开发相关应用程序，可根据不同的任务需求对星上智能应用算法进行灵活的上注、更新与卸载,进行在轨科学实验。目前卫星在轨预装了目标检测、变化检测、图像压缩等9款应用程序。

2. 面向多样化需求的多模式成像

2.1. 高分辨率连续区域成像

珞珈三号01星搭载了一台轻小型亚米级分辨率Bayer彩色面阵相机，能够在500km轨道上获取星下点优于0.72m分辨率的彩色影像，同时可以进行面阵推帧或线阵推扫连续区域成像，最大连续成像时间可达10 min，幅宽优于10km。

2.2. 高清视频实时成像

卫星视频凝视成像与传输是珞珈三号01星多模、智能技术的关键问题。视频凝视成像要求卫星在高速运动过程中使相机精准指向目标区域。同时，视频凝视成像数据量大、星地传输耗时长，为智能传输提出了挑战。珞珈三号01星采用武汉大学自主研发的在轨高倍率压缩与传输技术，最高传输速度可达2GB/min，有效解决了带宽受限导致的传输延迟问题，卫星视频凝视成像数据可服务于时敏性要求高的目标监测任务，例如港口船舶、高速公路车流量、空中运动目标跟踪监测任务等。

2.3. 多视角立体三维成像

珞珈三号01星具备高敏捷、高稳定、高精度的影像获取能力，在视频凝视成像模式下，可实现同轨对一个区域进行多次多角度观测，获取高精度立体影像。通过实景三维重建软件处理后，可构建满足地形级、城市级、部件级的不同三维地理场景，这将在城市规划与管理、自然灾害评估等多个领域发挥重要作用。实景三维建模主要包括空中三角测量、密集匹配、点云构网和纹理映射。空中三角测量利用SIFT算子提取影像特征点，并完成影像之间的匹配。在匹配的连接点基础上，通过综合交替趋近法和有理函数模型进行严格的几何畸变修正，完成大规模影像的无控制区域网平差处理，生成场景稀疏点云。密集匹配充分利用“多视”这一冗余条件，可以通过两两组成立体像对进行匹配，进行结果加权、验证；也可以按基高比、侧摆角为不同条件结合地形特点进行迭代，得到相对更加接近真值的密集点云。这里采用SGM算法逐像素匹配，通过寻找具有图像一致性的区域，生成影像对稠密点云，使用一定的内插和滤波算法，并得到数字表面模型DSM，确定像素点相对于相机平面的深度（三维点坐标）。在DSM产品基础上进一步构建Delaunay三角网，并通过三角面片剖分、纹理映射生成高质量的实景三维模型。

选取了中国日喀则地区50帧多视影像数据集进行三维重建（图2），并根据该地区20 km2子集的高分辨率机载LiDAR数据作为地面真值来评估准确性和完整性指标经过测量验证，在无控制点的情况下，模型的绝对坐标误差在1m以内。计算效率为单个节点一天可重建约600km2的范围，计算机环境为CPUi7-9700K，显卡NVIDIA GeForce GTX 2070，内存64 GB。

图2 日喀则地区的三维重建结果

3.任务驱动的在轨高倍率压缩与智能处理技术

为了满足在轨环境下遥感影像的高效数据压缩的需求，珞珈三号01星采用了面向任务的在轨智能压缩方法，对不同任务需求进行自适应码率分配，实现了感兴趣区域近实时高倍率压缩。测试表明，在轨静态图像数据压缩倍率优于30倍，动态视频数据压缩倍率优于200倍。

此外，珞珈三号01星突破性地实现了感兴趣目标的自主发现与识别，卫星可在轨进行云检测、目标检测、动目标跟踪（图3）、场景分类、变化检测等，相比于现有遥感卫星“先传输再分析”的传统模式，卫星在轨目标检测精度和动目标跟踪精度能够满足大部分实时智能分析应用需求。同时，珞珈三号01星搭载的智能处理单元，也为深度学习模型的推理提供了重要的计算平台，结合深度学习算法，让卫星更加智能化，为遥感信息实时智能服务提供了重要保障。

图3 动目标跟踪结果

4.互联网智能遥感卫星B2C实时服务新模式

珞珈三号01星具有的在轨处理和星间链路实时传输特性，打破了传统卫星遥感数据服务模式，开创了面向地面移动终端的互联网智能遥感卫星在轨处理与实时传输服务B2C的新模式，缩短了卫星数据获取、处理、传输和分发的时间，满足遥感信息“快、准、灵”实时信息服务需求，能够有效提高突发事件的动态应急响应效率，为遥感数据大众化移动终端服务提供有力支撑。在轨科学试验测试表明，从卫星端开始获取数据到用户移动终端接收并显示卫星视频数据耗时仅约8分钟，实现了分钟级的遥感信息实时智能服务。

5.总结与展望

珞珈三号01星围绕遥感信息“快、准、灵”服务的重大需求，构建了多模开放智能互联的新一代遥感卫星平台，突破了任务驱动的在轨高精度定位与智能处理技术，开创了互联网智能遥感卫星实时服务的B2C新模式。未来，将为科学研究的相关在轨功能软件提供实时验证平台，同时面向大众用户提供基于移动终端的智能遥感服务，推动卫星遥感从传统的专业数据服务向大众化、智能化和实时化遥感信息服务的技术跨越式发展。

基金资助

国家自然科学基金（No. 91738302）；湖北省自然科学基金（No. 2020CFA001）

作者简介

Deren Li

李德仁，武汉大学教授。1991 年入选中国科学院院士，1994 年入选中国工程院院士。1985年在德国斯图加特大学获得博士学位，2008 年获瑞士联邦理工学院荣誉博士学位，2022年获授国际测量与遥感学会（ISPRS）布洛克金奖。研究兴趣包括摄影测量与遥感、全球导航卫星系统、地理信息系统及其创新集成与应用。

Mi Wang

王密，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室教授。2001 年获武汉大学博士学位。研究兴趣包括高分辨率遥感卫星地面处理技术、摄影测量与地理信息系统的集成和更新。

Fang Yang

杨芳，北京东方红卫星有限公司总设计师。她于 1999 年获得中国空间技术研究院博士学位。研究兴趣包括卫星总体设计和在轨技术处理。

Rongfan Dai

戴荣凡， 2013 年和 2017 年分别在武汉中国地质大学获得地理探测与信息技术专业学士和硕士学位。目前在武汉大学攻读博士学位。他的研究兴趣包括高精度遥感图像处理和信息智能提取。

文章图表

图1 互联网智能遥感卫星实时服务

图2 日喀则地区的三维重建结果

图3 目标跟踪结果

向上滑动阅览相关文献

李德仁,王密,沈欣,董志鹏.从对地观测卫星到对地观测脑[J].武汉大学学报(信息科学版),2017,42(02):143-149.

李德仁.论时空大数据的智能处理与服务[J].地球信息科学学报,2019,21(12):1825-1831.

李德仁,王密,杨芳.新一代智能测绘遥感科学试验卫星珞珈三号01星[J].测绘学报,2022,51(06):789-796.

内容提供：王密 教授 排版编辑：樊仲藜

编辑：王晓醉 审核：张淑娟