遙感技術新方向：多維數據的獲取、應用與未來發展

原文發表于《科技導報》2025 年第18 期 《 遙感多維數據格式研究進展 》

遙感是全球變化研究最重要的技術手段之一，多維數據的獲取與應用成為研究熱點。《科技導報》邀請中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室、中國科學院空天信息創新研究院遙感衛星應用國家工程研究中心研究員張立福團隊撰文，文章綜述了遙感多維數據格式（特別是多維時空譜數據）的國內外發展情況、最新研究成果、當前技術難點以及未來發展方向。介紹了中國科學院空天信息創新研究院在國際上首次提出的多維數據格式及其多維遙感數據綜合與表征的理論和技術體系。旨在將這一創新成果傳遞給更廣泛的讀者和科技愛好者，共同推動遙感科學與技術的發展和應用。

遙感是全球變化研究最重要的技術手段之一，已從軍事和科研擴展到廣泛的民用領域，提供實時、大范圍的地理信息。隨著技術的進步，遙感數據的分辨率、覆蓋范圍在不斷提升，通過遙感衛星長時間連續地觀測，積累了大量長時間序列、多分辨率、多光譜系列數據。多維數據的獲取與應用成為研究熱點，對遙感數據的組織和存儲提出了更高要求。

目前缺乏完全由中國原創且與國際完全不同體系的遙感數據格式，并且現有格式在一定程度上存在局限性。中國科學院空天信息創新研究院張立福團隊基于遙感多時相、多空間、多光譜等數據特點，在國際上首次提出時空譜多維數據格式（MDD），為遙感數據的組織和存儲帶來了新的突破，提高了長時序遙感數據的利用價值。為便于多維時?空?譜數據的構建讀取和分析，我們的研究配套研發并出版了多維分析（MDA）軟件模塊，該模塊集成于多維遙感分析（MARS）軟件中。

1 研究意義

多維數據格式通過全方位地記錄并一體化組織地球表面的各種信息，可以構建更完整、精確的地球系統模型，有助于深入研究地球的大氣、陸地、海洋等各圈層之間的相互作用和物質能量循環。同時，多維數據格式解決了現有數據格式以及傳統時間序列變化檢測存在的部分問題。

1）解決數據格式兼容性問題。隨著遙感技術的發展，多種衛星平臺和傳感器不斷涌現，各自采用不同的數據格式，這種格式差異使得數據難以直接整合和共享。因此，實現對多源長時間序列遙感數據的統一管理，對科學研究是極為重要的。

2）傳統遙感時間序列變化檢測仍存在問題。

• 在時間維上，僅針對單一像元的時間序列數據進行分析，忽略了像元鄰域的空間信息；

• 在空間維上，沒有考慮像元之間的空間相關性，部分融合空間特征的算法對空間信息的利用依然很少。

2 國內外研究進展

2.1 國外發展現狀

國際上，遙感數據格式種類繁多，廣泛應用于不同遙感平臺和傳感器數據。國際上常見的遙感數據格式雖然在各自的應用領域有一定的優勢，但也存在局限性。這些格式在數據組織和存儲方面，沒有對不同應用場景進行詳細的劃分，導致在一些特定的應用中，難以滿足針對性的需求。

2.1.1 HDF?EOS

HDF?EOS數據格式是美國伊利諾伊大學國家超級計算應用中心（NCSA）于1987年研制開發的一種軟件和函數庫，主要用來存儲由不同計算機平臺產生的各種類型科學數據，適用于多種計算機平臺，易于擴展。其核心存儲原理圍繞分層數據管理、地理空間數據類型標準化和元數據自描述性展開。HDF?EOS在遙感數據處理中展現的核心優勢在于其多源數據整合能力與地理空間標準化支持。

盡管HDF?EOS功能強大，但其在應用中仍面臨顯著挑戰。首先是復雜性帶來的技術門檻，用戶需同時掌握HDF5數據模型、EOS擴展類型定義和地理編碼規則。存儲效率問題在大規模遙感場景中凸顯，強制嵌入的元數據（尤其是XML格式的全局元數據）可能導致文件體積膨脹，而HDF5的塊狀存儲機制（chunking）在未合理配置時，會使高頻訪問小范圍數據的效率低下。

2.1.2 NetCDF

NetCDF是由美國大學大氣研究協會的Unidata項目科學家針對科學數據的特點開發的，是一種面向數組型數據的科學數據格式，可以有效存儲多維度、多變量的遙感數據，并支持數據的壓縮、子集提取等操作。它廣泛應用于大氣科學、水文、海洋學、環境模擬、地球物理等諸多領域。

NetCDF能夠存儲多維數組數據，但是NetCDF格式通常依賴于復雜的數據結構，如樹或鏈表來組織信息，并且建立在三維立方體模型上，難以用于長時間的數據序列分析。其復雜的數據模型和長時序處理瓶頸仍制約著超大規模遙感應用。

2.1.3 GeoTIFF

GeoTIFF是在TIFF基礎上擴展而來的。GeoTIFF可以存儲單波段或多波段的遙感圖像數據，通過其中的地理參考信息，使用者能夠方便地將圖像數據與實際地理空間位置關聯起來。

在遙感領域，GeoTIFF的核心優勢在于地理空間直讀性與廣泛兼容性。但是在處理復雜的多維時空譜遙感數據時，GeoTIFF具有一些局限性。例如，對于包含多個時間序列、多種光譜波段和不同空間分辨率的數據，其組織方式可能會比較繁瑣。雖然GeoTIFF允許通過自定義標簽添加元數據（如傳感器參數、大氣校正系數），但其標簽體系缺乏結構化層次。對三維（如大氣垂直剖面）或四維數據（時間×高度×緯度×經度）缺乏原生支持。同時，由于GeoTIFF主要側重于圖像數據和地理參考信息的存儲，對于添加新的數據類型（如傳感器的其他輔助數據）的靈活性相對較低。

2.2 國內發展現狀

中國在遙感數據處理與應用中對HDF5格式的優化改進，主要集中在元數據擴展、存儲結構優化、性能提升和工具鏈適配等方面，以滿足國產衛星數據的特殊需求并提升數據處理效率。

遙感數據具有多樣性和復雜性，包括不同的分辨率、光譜波段、投影方式等。因此，設計能夠兼容各種類型遙感數據的存儲格式是一個巨大挑戰。此外，遙感數據量巨大，如何高效地利用存儲空間，避免浪費，是研發遙感存儲格式時需要重點考慮的問題。

3 最新研究進展

在遙感多維數據格式方面，中國取得了重大的創新突破與豐碩成果。

在國際上首次提出多維數據格式MDD，構建了多維遙感數據綜合與表征的理論和技術體系，促進了國內在數據組織方面研究的發展，并獲授權PCT發明專利，實現了中國在遙感數據格式領域專利的突破。目前，MDD成為國家對地觀測科學數據中心、全球變化數據出版系統認可的數據格式。

研發了國際首個“遙感多維數據格式互操作分析軟件系統”，在全球變化數據出版系統出版。

同時，研究成果在多個行業用戶單位進行廣泛推廣和應用，產生較好的社會效益和經濟效益。

此外，牽頭編寫的團體標準《遙感時空譜多維數據格式》被中國地理信息產業協會批準發布實施，成為國家對地觀測科學數據中心、全球變化數據出版系統認可的數據格式。

3.1 多維數據的組織與存儲

由于不同傳感器數據，其波段設置、光譜響應函數、空間幾何成像等不同，難以直接應用于時序分析，因此需要進行數據的重構：

• 根據應用需求或目標，獲取多源遙感數據；

• 進行標準化預處理，即投影轉換、幾何糾正、拼接、裁剪等。

為了準確提取時序特征，一般需要對其進行插值、濾波和融合重構。

針對長時序遙感數據的組織和存儲問題，MDD數據集將多維數據的空間、時間和光譜構建成一個四維數據集，以此來實現對長時序數據的統一管理。多維數據格式的頭文件中記錄了用于表達和解析影像數據體文件的所有元數據信息（表1）。同時，多維數據結構可以對已生成的文件進行增加或者刪減圖像數據等操作。MDD數據體文件是存儲影像數據的文件，采用二進制的字節流。

表1 頭文件中包含的信息

類似于傳統遙感數據的存儲，MDD數據依照存儲方式的差異，可分為5種存儲方式，分別如圖1~圖5所示。

TSB數據結構適用于對一個時間上或若干個波段的數據進行空間維度的處理，可應用于提取一個或多個時間所有波段組成的光譜立方體數據，方便進行光譜鄰域運算和空間域濾波等。

圖1 數據存儲的TSB格式結構

TSP數據結構適用于對一個時間的光譜數據進行操作，可應用于提取一個像元或者一片區域的光譜曲線或者對不同時間的影像進行光譜特征化。

圖2 數據存儲的TSP格式結構

TIB數據結構適用于提取某個波段的時間序列立方體數據，可應用于提取一個波段的時間序列立方體，可以進行光譜時間序列分析或針對某個波段選擇3個時間的數據假彩色合成顯示。

圖3 數據存儲的TIB格式結構

TIP格式適用于對像元的時間譜進行處理與分析，可應用于提取一個像元或者一片區域在某個波段的時譜曲線，在時間維度進行平滑和濾波處理，對時譜曲線進行擬合，以及進行預測分析等。

圖4 數據存儲的TIP格式結構

TIS數據結構適用于提取像元光譜曲線的時間序列數據，可應用于提取某一個像元在一個時間范圍內的所有光譜曲線并對這些曲線進行三維可視化，并分析該像元的光譜隨著時間變化的特征。

圖5 數據存儲的TIS格式結構

MDD數據格式具有靈活性、多維性、擴展性、完整性的特點。

3.2 MDD的計算機配套系統（MARS軟件）

為了使用戶理解和應用.mdd數據格式，研發了可用于.mdd數據輸入、存儲、分析和輸出的計算機軟件模塊，命名為MDA多維分析計算機軟件模塊，該模塊集成于遙感多維數據格式互操作分析軟件系統（簡稱MARS 1.0）中。

MDA是基于MDD多維數據格式開發的集多維數據構建、多維數據分析和多維數據可視化于一體的遙感數據時空譜多維分析軟件模塊，其具體功能如圖6所示。

圖6 MARS軟件功能介紹

目前，MDA模塊已經集成了對原始MODIS、原始Landsat和經處理為ENVI標準數據格式的遙感數據的MDD數據構建。利用MDA將原始Landsat數據構建為MDD數據的總體流程如圖7所示。

圖7 利用MDA模塊以Landsat為數據源構建MDD的總體流程

3.3 時譜的定義

傳統遙感時序數據的存儲和處理方式通常采用離散時間點管理，本質上仍停留在三維數據處理層面，未能實現對長時序數據四維特征的有機整合與深度挖掘。針對這一研究空白，張立福團隊在繼承前人研究成果的基礎上創新性地提出了“時譜”理論。該理論借鑒光譜概念，將地物目標在不同時相的遙感特征序列定義為時譜特征。如圖8所示，特定地物在時間序列上的時譜特征值變化軌跡被稱作時譜曲線。

圖8 植被指數時譜曲線示例

時譜特征是指從時譜曲線中提取的統計或時序特征（如最大值、最小值、均值、方差等），用于表征單個像元在某一波段上的時間動態變化規律及其光譜特性。多波段時譜特征則是從多波段時譜曲線中提取的復合特征，能夠更全面地刻畫地物的時空?光譜聯合變化模式。

3.4 遙感時譜理論的應用

在生態環境領域，能夠有效提升對森林演替過程以及發展態勢的理解能力，基于時空譜信息的森林擾動檢測具有更高的敏感度和精準性。在生態保護修復工程需求的基礎上可形成星空地協同作用的技術框架，有效提升生態保護修復的效果。

徐權選取了GI、SRI、NDVI和NGRDI 4種常用的植被指數作為光譜特征空間進行分析，構建了時間序列的無人機遙感影像，有效地解決了單一時期影像的弊端，進一步提高了農作物的分類精度和效率。

地表覆蓋變化檢測方法，通過對土地變化檢測以及調查農作物種植情況，不僅可以為國家的農業政策及時提供資料，同時也可以使土地利用更加充分，促進人與自然之間的和諧關系。

時譜的出現使地物有了一種不同的方式來表現其特點，在土地種植類型判斷的問題上就有了別樣的方法和思路。基于時空譜的耕地類型分析也具有全物候的特點，可以很好地消除季節因素引起的偽變化。Lin等提出了基于時譜特征的地表覆蓋變化檢測方法，如圖9所示。結果表明所提出方法的有效性和穩定性，在不影響定量分析遺漏率的情況下，該方法的錯誤檢測顯著減少。

圖9 基于時空譜特征的變化檢測方法

4 技術優勢

MDD格式通過一體化存儲時間、空間、光譜維度的信息，解決了數據格式不統一的問題，提高了數據管理的便捷性和效率。統一的數據格式和一體化組織方式使得不同學科的數據能夠更好地共享和交互，促進了跨學科的研究合作。

多維時空譜數據一體化組織減少了數據整合過程中的冗余操作和數據轉換的復雜性。新的數據格式可將時空譜信息有機結合，在數據讀取、預處理、特征提取等環節實現更高效的算法設計和計算流程優化。

統一數據格式是實現遙感數據廣泛共享和互操作的基礎。在國際合作、不同研究機構和企業之間的數據交流中，標準化的數據格式能夠確保數據的無縫對接和正確解讀。

5 未來展望

MDD的提出加強了與國際組織和其他國家的合作，推動了遙感數據格式的標準化和互操作性，為遙感技術的國際交流與合作提供了新機遇。未來通過拓展MDD數據格式在農業、氣象、環境監測、城市規劃等領域的應用，可以推動遙感技術與GIS、物聯網等技術的融合，提升數據服務水平和應用效果。

MDD格式為遙感分析帶來效率和精度的顯著提高，并在多個行業用戶單位進行廣泛推廣和應用，產生較好的社會效益和經濟效益。

此外，研發的國際首個“遙感多維數據格式互操作分析軟件系統”，在全球變化數據出版系統出版后，被多個行業用戶單位廣泛應用。

6 結論

MDD格式的提出促進了國內在遙感數據存儲和組織方面研究的發展，并獲得了國際PCT專利授權，有助于推動遙感技術的標準化和國際化進程，增強國際交流與合作。MDD格式及配套軟件為遙感數據的時空譜多維聯合分析提供了支持，顯著提升了數據處理效率和準確性，有助于深入挖掘遙感數據中的信息，為科學研究和應用提供更有力的支持。未來，隨著技術的不斷創新和應用領域的不斷拓展，遙感多維數據格式將發揮更加重要的作用，為人類社會發展和科學研究提供有力支持。

本文作者：張立福、張賽、孫雪劍、趙淑馨、黃長平、高宇、童慶禧

作者簡介：張立福，中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室、中國科學院空天信息創新研究院遙感衛星應用國家工程研究中心，研究員，研究方向為高光譜遙感機理及多學科應用；孫雪劍（通信作者），中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室、中國科學院空天信息創新研究院遙感衛星應用國家工程研究中心，副研究員，研究方向為高光譜數據融合。

文章來 源 ： 張立福, 張賽, 孫雪劍, 等. 遙感多維數據格式研究進展[J]. 科技導報, 2025, 43(18): 67?76 .

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