2021年12月20日，可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星1號(hào)（SDGSAT-1）首批影像在京正式發(fā)布，包括我國(guó)長(zhǎng)三角、山東半島、西藏納木錯(cuò)、新疆阿克蘇、北京、上海及法國(guó)巴黎等多個(gè)地區(qū)和城市的微光、多譜段與熱紅外成像儀影像。

2021年11月5日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射SDGSAT-1衛(wèi)星。該星是世界上首顆可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，是專(zhuān)門(mén)服務(wù)聯(lián)合國(guó)2030年可持續(xù)發(fā)展議程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2030年議程”）的科學(xué)衛(wèi)星，是可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國(guó)際研究中心（CBAS）規(guī)劃的首發(fā)星。

針對(duì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估需求，SDGSAT-1搭載了熱紅外、微光和多譜段成像儀三個(gè)有效載荷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用過(guò)程的精細(xì)刻畫(huà)。熱紅外成像儀具有高分辨率寬幅觀測(cè)能力，能夠獲取300公里幅寬、30米分辨率的數(shù)據(jù)，在國(guó)內(nèi)首次采用全光路低溫光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可在大動(dòng)態(tài)范圍下分辨出0.2攝氏度的溫度差異。微光和多譜段成像儀采用共用光路的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在保證數(shù)據(jù)觀測(cè)一致性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了10米分辨率的數(shù)據(jù)獲取能力。同時(shí)，SDGSAT-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)有“熱紅外+多譜段”、“熱紅外+微光”以及單載荷觀測(cè)等多種數(shù)據(jù)獲取模式，可實(shí)現(xiàn)多載荷、全天時(shí)協(xié)同觀測(cè)，針對(duì)三個(gè)載荷分別設(shè)計(jì)了不同的星上定標(biāo)模式，以滿足服務(wù)全球可持續(xù)發(fā)展的數(shù)據(jù)獲取效率和定量化探測(cè)需求。

SDGSAT-1衛(wèi)星高分辨率多載荷協(xié)同、全天時(shí)觀測(cè)模式，每秒鐘獲取的圖像數(shù)據(jù)峰值高達(dá)2Gb以上，造成星上存儲(chǔ)和星地傳輸鏈路帶寬難以負(fù)荷，必須在星上完成高速多源圖像壓縮，從而有效減少衛(wèi)星存儲(chǔ)和下傳的數(shù)據(jù)量。同時(shí)，SDGSAT-1衛(wèi)星獲取的圖像數(shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，并且對(duì)于地面解壓恢復(fù)圖像的質(zhì)量有更高的要求，必須在星上采用支持高動(dòng)態(tài)、近無(wú)損的高性能圖像壓縮算法。然而，星上提供的硬件邏輯資源十分有限，如何在有限資源下完成高性能圖像壓縮算法的高吞吐率硬件實(shí)現(xiàn)，是SDGSAT-1衛(wèi)星星載數(shù)據(jù)處理需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。對(duì)此，受中科院國(guó)家空間科學(xué)中心委托，作為承研單位的西安電子科技大學(xué)圖像所團(tuán)隊(duì)在李云松教授、雷杰教授的帶領(lǐng)下，提出了以下解決方案：

針對(duì)SDGSAT-1衛(wèi)星的多載荷多模式、高速率高性能圖像壓縮任務(wù)需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超高數(shù)據(jù)吞吐率的支持碼流精確控制的JPEG-LS近無(wú)損圖像壓縮IP核，解決了JPEG-LS近無(wú)損算法存在的重建值復(fù)雜計(jì)算依賴(lài)和碼流無(wú)法精確控制的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。在單片FPGA上集成了多個(gè)圖像壓縮IP核，通過(guò)高效并發(fā)的資源調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3Gb以上的圖像壓縮處理速率。同時(shí)支持無(wú)損、2倍、4倍等不同壓縮比，以及設(shè)定不同失真量的限失真壓縮，成功解決了SDGSAT-1衛(wèi)星多載荷圖像數(shù)據(jù)的高速率、高性能在軌壓縮技術(shù)難題。

此外，圖像所團(tuán)隊(duì)的吳憲云副教授還承擔(dān)了SDGSAT-1衛(wèi)星去格式解壓縮系統(tǒng)的研制工作，在地面上針對(duì)星上回傳的熱紅外、多光譜、微光載荷數(shù)據(jù)，完成了無(wú)損/有損數(shù)據(jù)解壓縮任務(wù)。解壓縮系統(tǒng)具有任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、系統(tǒng)狀態(tài)查詢等機(jī)制，支持網(wǎng)絡(luò)或磁盤(pán)陣列輸入，能夠?qū)崟r(shí)解壓縮、自動(dòng)生成圖像、獲取并檢查碼流中的輔助信息。到目前為止，解壓軟件運(yùn)行穩(wěn)定，有力地保障了SDGSAT-1衛(wèi)星任務(wù)的正常運(yùn)行。

目前，SDGSAT-1衛(wèi)星處于在軌測(cè)試階段，各項(xiàng)功能正常，性能指標(biāo)滿足任務(wù)要求。此次發(fā)布的影像具體如下：

（一）微光成像儀圖像

微光成像儀通過(guò)探測(cè)夜間燈光的強(qiáng)度和分布，具有反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人居格局的能力。SDGSAT-1微光成像儀設(shè)計(jì)有1個(gè)全色波段和3個(gè)彩色波段，全色和彩色微光數(shù)據(jù)的空間分辨率分為10米和40米，開(kāi)創(chuàng)了彩色微光探測(cè)模式。利用其觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人文等數(shù)據(jù)，可為SDG 11（可持續(xù)城市和社區(qū)）中的住房條件、人居環(huán)境、交通運(yùn)輸?shù)龋约癝DG 14（水下生物）中的海岸光污染、海上漁業(yè)捕撈、海洋油氣開(kāi)采等相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)、評(píng)估和科學(xué)研究提供服務(wù)。

1、 北京市微光遙感衛(wèi)星影像圖

2、 上海市微光遙感衛(wèi)星影像圖

3、長(zhǎng)三角微光遙感衛(wèi)星影像圖

4、法國(guó)巴黎市微光遙感衛(wèi)星影像圖

（二）多譜段成像儀圖像

SDGSAT-1多譜段成像儀設(shè)計(jì)有7個(gè)波段，空間分辨率為10米。多譜段數(shù)據(jù)具有大幅寬、高信噪比等特點(diǎn)，其波段設(shè)置適用于各種渾濁水體的水色指數(shù)、透明度和懸浮物等的監(jiān)測(cè)，可服務(wù)SDG 6（清潔飲水和衛(wèi)生設(shè)施）和SDG 14（水下生物）中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、近海生態(tài)環(huán)境、濱海養(yǎng)殖和水生植物分布等相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估。另外，多譜段數(shù)據(jù)還可用于開(kāi)展冰川面積與變化、積雪消融狀態(tài)、植被覆蓋等信息提取及變化分析，可為SDG 13（氣候行動(dòng)）和SDG 15（陸地生物）等相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)和評(píng)估提供服務(wù)。

1、 西藏納木錯(cuò)多譜段遙感衛(wèi)星影像圖

2、山東膠州灣多譜段遙感衛(wèi)星影像圖

3、黃河入海口多譜段遙感衛(wèi)星影像圖

（三）熱紅外成像儀圖像

SDGSAT-1熱紅外成像儀為3個(gè)波段的新型設(shè)計(jì)，空間分辨率為30米，幅寬為300公里，具備判識(shí)0.2攝氏度溫度差異的能力，可精細(xì)探測(cè)陸地表面與水表溫度、農(nóng)田精細(xì)水熱動(dòng)態(tài)變化、城市熱能分布等，為作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害發(fā)生環(huán)境、能源消耗、地表溫度變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可服務(wù)SDG 2（零饑餓）、SDG 7（清潔能源）和SDG 13（氣候行動(dòng)）等相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

1、新疆阿克蘇地區(qū)熱紅外遙感衛(wèi)星影像圖

2、 青海烏蘭烏拉湖區(qū)域熱紅外遙感衛(wèi)星影像圖

立足自給、自主創(chuàng)新

與國(guó)家重大需求和實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，正是西電圖像所團(tuán)隊(duì)開(kāi)展科學(xué)研究的重要前提和最終目標(biāo)。自從事星載圖像、視頻壓縮編碼與處理的研究以來(lái)，圖像所團(tuán)隊(duì)始終圍繞國(guó)家航天領(lǐng)域重大需求，深入研究可見(jiàn)光全色圖像、多光譜圖像、立體圖像、紅外圖像和視頻圖像等各類(lèi)衛(wèi)星遙感圖像的成像特性、高效壓縮編碼方法以及星載高速硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，解決了我國(guó)現(xiàn)階段衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的瓶頸問(wèn)題，在滿足圖像質(zhì)量要求的前提下提高了壓縮比和圖像壓縮解壓縮實(shí)時(shí)處理能力。相關(guān)成果曾獲得2012年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2020年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

此次SDGSAT-1衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行后，將為可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的監(jiān)測(cè)、評(píng)估和科學(xué)研究提供持續(xù)穩(wěn)定的全球數(shù)據(jù)支撐。未來(lái)，該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)產(chǎn)品將提供全球共享，為落實(shí)2030年議程、推動(dòng)構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體和“全球發(fā)展倡議”做出貢獻(xiàn)。西安電子科技大學(xué)圖像所師生為能參與這樣歷史性的航天工程任務(wù)，并做出應(yīng)有貢獻(xiàn)而感到無(wú)比自豪和驕傲。同時(shí)我們會(huì)秉承圖像所一絲不茍、堅(jiān)持不懈、艱苦樸素的優(yōu)良作風(fēng)，發(fā)揚(yáng)工匠精神，為我國(guó)的航天事業(yè)繼續(xù)貢獻(xiàn)自己的力量。

參考資料：

[1]齊芳,高空來(lái)圖,光明日?qǐng)?bào)，https://mp.weixin.qq.com/s/KBU7t2fCA8oaZa-dYdlNlg, 2021-12-20.

導(dǎo)師介紹：

雷杰，博士，教授，博士生導(dǎo)師，IEEE會(huì)員，現(xiàn)任陜西省圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)理事。曾于2014-2015赴美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校訪學(xué)，師從美國(guó)工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士JasonCong教授開(kāi)展系統(tǒng)級(jí)高層次綜合、特定域定制化加速計(jì)算方面的研究工作。主要從事遙感圖像在軌智能處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與硬件結(jié)構(gòu)自動(dòng)搜索、AI算法加速器設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研究工作。主持了包括國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、GF預(yù)研、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子任務(wù)、國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)等在內(nèi)的多項(xiàng)科研課題，承擔(dān)了我國(guó)探月工程“嫦娥二號(hào)”、“嫦娥三號(hào)”、“嫦娥四號(hào)”、“嫦娥五號(hào)”，載人航天工程“天宮一號(hào)”、“天宮二號(hào)”伴星，SDGSAT-1衛(wèi)星，以及我國(guó)首次火星探測(cè)工程“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器等衛(wèi)星平臺(tái)上的圖像編碼處理單元研制工作。以第一/通信作者在IEEE TNNLS、IEEE TGRS、IEEE JSTARS、Remote Sensing等國(guó)際期刊和國(guó)際會(huì)議發(fā)表論文二十余篇，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利二十余項(xiàng)。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2012）、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2020）、教育部科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2011）、軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2014）、陜西省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(2008)。獲2020年JW航天系統(tǒng)部主辦的第二屆“天智杯”人工智能挑戰(zhàn)賽全國(guó)冠軍、獲2020年JWZFB主辦的“強(qiáng)芯健魄，鑄基智能”挑戰(zhàn)賽全國(guó)二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。

吳憲云，副教授，博士生導(dǎo)師。曾于2011-2012赴美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校訪學(xué)，2012年授予西安電子科技大學(xué)通信與信息系統(tǒng)博士學(xué)位，2013年任職于西安電子科技大學(xué)至今。主要研究方向?yàn)檫b感圖像壓縮與在軌處理、遙感圖像智能解譯、高性能并行計(jì)算、計(jì)算流體力學(xué)/聲學(xué)/電磁學(xué)等。參與了我國(guó)“嫦娥二號(hào)”、“嫦娥三號(hào)”、“嫦娥五號(hào)”、“創(chuàng)新XX01星”、“創(chuàng)新XX02/03星”、“SDGSAT-1衛(wèi)星”、火星探測(cè)“天問(wèn)一號(hào)”、“高分對(duì)地觀測(cè)國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)”等航天工程任務(wù)。主持了重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子任務(wù)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、陜西省自然科學(xué)基金青年基金、博士后基金等多項(xiàng)基金課題。以第一/通信作者在在IEEETGRS、IEEEGRSL、RemoteSensing等國(guó)際期刊和國(guó)際會(huì)議發(fā)表論文十余篇，論文入選ESI高被引1篇，申請(qǐng)/授權(quán)專(zhuān)利十余項(xiàng)。

個(gè)人主頁(yè)：https://web.xidian.edu.cn/xywu/

科研成果：http://www.superzhongguo.com/