對地觀測——另一個視角看地球

點擊藍(lán)字 · 關(guān)注我們

（本文發(fā)表于2017年第2期）

第一作者

簡介

熊盛青，中國國土資源航空物探遙感中心副主任、總工程師、教授級高級工程師，獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎特等獎 1 項和二等獎（排名第一）2 項、省部級科技獎 15 項（其中一等獎 5 項）等，獲全國杰出專業(yè)技術(shù)人才、國家“萬人計劃”第一批科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、李四光地質(zhì)科學(xué)獎、黃汲清青年地質(zhì)科技獎等榮譽，享受國務(wù)院政府特殊津貼。

人類自誕生起，從未停止過對地球的探索和認(rèn)知，其根本目的是為了探索更好的生存環(huán)境與發(fā)展空間。近幾十年以來，全球不可再生資源的日益減少、氣候變暖、海平面上升、臭氧層遭到破壞、土地退化與荒漠化加劇、環(huán)境惡化及自然災(zāi)害頻發(fā)等全球性資源環(huán)境問題引發(fā)了全社會廣泛關(guān)注，迫切要求人們用新的視角和新的技術(shù)研究地球的現(xiàn)狀和演化規(guī)律，推動資源、環(huán)境和災(zāi)害等問題的解決。于是，以研究地球各圈層特征的地球科學(xué)首當(dāng)其沖，面臨著難得的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

01

我們賴以生存的家園：藍(lán)色星球

地球科學(xué)博大精深，內(nèi)涵宏闊，“縱橫數(shù)萬里，上下過億年”。地球科學(xué)構(gòu)建于現(xiàn)代自然科學(xué)基礎(chǔ)之上，它研究的是先進(jìn)的“觀察與測量”。門捷列夫曾言：“科學(xué)源于測量，沒有測量就沒有科學(xué)，至少沒有精確的科學(xué)”。近幾十年里人們常常聽到的“對地觀測”（Earth Observation，EO）就是指面向地球科學(xué)的“觀察與測量”技術(shù)，它以地球為研究對象，依托空間科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)、航天技術(shù)和光電技術(shù)等，利用衛(wèi)星等航天器、近空間飛行器以及飛機(jī)等平臺所搭載的傳感器，對地球資源、環(huán)境及人類活動進(jìn)行觀察、探測和監(jiān)視，從全球、區(qū)域性乃至局部等各種尺度，系統(tǒng)化地研究地球各圈層及圈層間的互動關(guān)系與內(nèi)在規(guī)律。對地觀測是地球空間信息科學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)，而這一體系中最核心的技術(shù)則是“3S”技術(shù)及其集成。“3S”是遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和空間導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GPS、“北斗系統(tǒng)”“伽利略系統(tǒng)”等）的統(tǒng)稱，而“集成”，則是指對地觀測方法技術(shù)的綜合運用以及觀測信息的在線連接、實時化處理以及系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。

02

欲窮千里目，更上一層樓：

如何認(rèn)識地球？

人們對地球的認(rèn)識首先關(guān)注的是其形狀大小與運動特征。古代中國有“天圓地方說”“蓋天說”，認(rèn)為地為方，天為圓。北朝民歌《敕勒歌》曰：“天似穹廬，籠蓋四野”，“天圓地方”的觀念影響了中國文化數(shù)千年，今天在許多傳統(tǒng)建筑、圖案設(shè)計和器物的紋飾中，這種思想仍然可見。古代歐洲對于地球的認(rèn)識更為深刻，經(jīng)歷了從托勒密的“地心說”到哥白尼的“日心說”的漫長過程。哥白尼通過天文測量，以觀測實驗的方法證明了太陽是宇宙的中心，更正了人們的宇宙觀，明確了地球的形態(tài)以及在宇宙中的運動特點。直到1519—1521年，真正通過實證表明地球是“球體”的是葡萄牙航海家麥哲倫船隊的環(huán)球航行。

今天，人們非常容易理解對地球的科學(xué)認(rèn)識，這背后的一個原因就是觀測角度的變化。中國古人說，“欲窮千里目，更上一層樓”，說明登高方可望遠(yuǎn)！孔子“登東山而小魯，登泰山而小天下”也是這個道理！阿基米德說過：“給我一個支點，我可以撬起地球！”套用這句話，我們還可以說，“只要有更高的視角，就能更準(zhǔn)確地觀測地球。”古人早就通過望遠(yuǎn)鏡觀察星宿變化，觀測天體運轉(zhuǎn)，認(rèn)識宇宙運動。如果我們互換一下視角，站在太空一點觀測地球，那就能更為全面地認(rèn)識地球的形狀、大小以及陸地、海洋、大氣等的分布與運動變化特征。這就是人們最早的對地觀測思路，也就是“遙感”的思想起源。發(fā)展到今天，遙感已經(jīng)成為對地觀測技術(shù)的核心。

遙感（Remote Sensing），通俗地講就是“遙遠(yuǎn)的感知”，簡單點理解就是從空中或者太空觀測地球，給人最直接的感受就是“拍照片”。而實際上，人類能直接感知（通過視覺、聽覺、嗅覺等）的信息是極其有限的。就人眼而言，只能看到反射與人眼感知相一致的光譜的物體或現(xiàn)象。因此，遙感的準(zhǔn)確定義是一種在可見光、紅外和微波等電磁波段內(nèi)，以一定的高度通過主動或被動的方式探測目標(biāo)物體的電磁波反射和輻射信號，揭示地物特性及其變化的技術(shù)。“遙感”一詞最早是由美國學(xué)者Evelyn. L. Pruitt于1960年提出，早期遙感主要以航空攝影為主。沿襲至今，凡以空中飛行器為平臺的遙感就稱為航空遙感。自1972年7月美國發(fā)射了世界上第一顆陸地遙感衛(wèi)星后，標(biāo)志著航天遙感時代的開始。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，遙感已從狹義的可見光、紅外、微波等觀測又?jǐn)U展到地磁場、重力場、聲波、地震波、放射性等綜合性的對地觀測。

> 衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)（遙感、通訊、導(dǎo)航衛(wèi)星與空間站、中繼衛(wèi)星的聯(lián)合）

03

不識廬山真面目，只緣身在此山中：

遙感與制圖

地圖是人們在實踐中認(rèn)識地球表面的結(jié)果，也是指導(dǎo)生產(chǎn)活動的工具。早期的地圖繪制局限于目視所及的范圍，我國古代在地圖繪制領(lǐng)域取得了很大的成就，形成了“制圖六體”，之后又衍生出了“計里畫方”，成了近代地圖制圖的基本方法和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。古人通過實地天文測量確定基本方位，以表、羅盤、望筒、規(guī)矩、準(zhǔn)、鉛垂繩、繩尺、丈桿、計里鼓車等測量方向、方位、距離和高差，最后制成二維平面地圖，這個過程復(fù)雜而低效。

遙感技術(shù)的發(fā)展極大促進(jìn)了現(xiàn)代地圖制圖技術(shù)的進(jìn)步，從作業(yè)方式上解決了古代測圖效率低的難題，從信息源上更為全面地再現(xiàn)了地表的復(fù)雜性與真實程度。今天，遙感圖像已成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡闹匾ぞ摺＝柚雀璧厍颍℅oogle Earth?）、搜狗地圖等虛擬地理信息引擎，通過飛機(jī)、無人機(jī)與衛(wèi)星等平臺搭載的可見光（波長：0.3~0.7微米）、紅外等多種傳感器獲取的海量遙感數(shù)據(jù)，可直接對所需地理信息進(jìn)行訪問、搜索和查詢，獲得查找對象非常直觀的影像，徹底改變了以往“紙質(zhì)地圖”應(yīng)用方式的局限，實現(xiàn)足不出戶即可“識盡廬山真面目”的目的。這就是遙感信息的作用！

從1839年達(dá)蓋爾（Daguerre）發(fā)明了照相技術(shù)算起，航空攝影測量的歷史已超過百年。真正將攝影技術(shù)用于測量的是法國陸軍上校勞賽達(dá)（Laussedat）在1858年在風(fēng)箏氣球上用照相機(jī)拍攝巴黎，開始嘗試空中攝影。直到1909年，世界上第一次從飛機(jī)上拍攝的航空照片來自于意大利羅馬的Centocelli軍事基地，這是迄今為止所知道最早的航空影像。航空攝影最早廣泛應(yīng)用于軍事偵察方面，1915年，美國海軍通過航空攝影，完成了第一個有正式記錄的航空攝影偵察活動。但航空攝影在森林調(diào)查和地圖測繪等民用方面的應(yīng)用則是在10年之后的事。第二次世界大戰(zhàn)中，得益于航空照相機(jī)能力的增強(qiáng)，戰(zhàn)場偵察拍攝的航空影像更為清晰，英軍準(zhǔn)確拍攝出德國V-2彈道導(dǎo)彈的發(fā)射基地。

借助航空攝影測量（Aero Photogrametry）、三維激光掃描（Lidar）和最新發(fā)展的傾斜攝影測量（Tilt Photogrametry）等多種航空遙感手段，現(xiàn)在的地圖制圖已從平面“線劃”地圖轉(zhuǎn)變到仿真的“影像”地圖，不僅實現(xiàn)了“看圖說話”，還可精確測量地面房屋、道路、橋梁等地物的三維參量。另一方面，將影像地圖和空間定位衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合可用于交通工具導(dǎo)航與重要地物定位，也是人們現(xiàn)代生活必不可少的技術(shù)手段。

近年，無人機(jī)的快速發(fā)展大大豐富了航空遙感的內(nèi)涵。利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、智能化、專用化地快速獲取國土資源、生態(tài)環(huán)境、自然災(zāi)害等的空間遙感信息，且完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。無人機(jī)遙感技術(shù)由于具有機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為世界各國爭相研究和開發(fā)的熱點，有望成為未來主要的航空遙感手段之一。

> 無人機(jī)遙感

近空間、航空和地面平臺的綜合集成促進(jìn)了天地一體化攝影測量與遙感的數(shù)據(jù)獲取方法，可提供愈來愈多的影像和非影像數(shù)據(jù)。近10多年來，航空高光譜測量技術(shù)獲得很大發(fā)展，可以通過精細(xì)地測量巖礦石的光譜特征（光分辨率可達(dá)10納米左右），實現(xiàn)礦物填圖，目前可有效地識別出20多種礦物和礦物組合。近幾十年來通過航空平臺，航空地球物理探測（也叫航空物探）也有很大發(fā)展，充分利用重力、磁、電和放射性等傳感器，測量地磁、電磁、重力和放射性異常，用于地質(zhì)調(diào)查、資源勘查和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，取得了豐碩成果。

04

高瞻遠(yuǎn)矚遙感者：

衛(wèi)星遙感與地球系統(tǒng)觀測

上世紀(jì)70年代初以來，衛(wèi)星對地觀測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。尤其在地球科學(xué)領(lǐng)域從空間角度分析地球系統(tǒng)的水、碳、能量等循環(huán)要素的時空分布特征和變化規(guī)律，回答地球圈層動態(tài)演變過程中出現(xiàn)的科學(xué)問題。基于衛(wèi)星長期觀測獲取的動態(tài)遙感數(shù)據(jù)，人們開展了各類資源、生態(tài)環(huán)境、氣象氣候、自然災(zāi)害、生物多樣性等社會、經(jīng)濟(jì)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。

相比于航空遙感，衛(wèi)星遙感的成像范圍更廣、遙感譜段更多、持續(xù)時間更長，并且通過多種衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)，構(gòu)成了對地球全方位、多角度、多尺度的觀測，更為詳細(xì)和深刻地探查和監(jiān)測地球資源、環(huán)境等的變化。根據(jù)國際衛(wèi)星對地觀測委員會(CEOS)的數(shù)據(jù)，當(dāng)前在距離地球1000千米的范圍內(nèi)，以陸地、海洋、大氣為主要目標(biāo)的遙感衛(wèi)星超過了800顆，其中以美國、歐盟擁有的衛(wèi)星最多，而中國、印度等國家正在發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，努力爭取“彎道超車”，構(gòu)建自主的對地觀測系統(tǒng)。

遙感衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)是一個多學(xué)科結(jié)合的復(fù)雜工程，蘊含著諸多領(lǐng)域技術(shù)人員共同努力的成果。業(yè)務(wù)化遙感衛(wèi)星以應(yīng)用需求為牽引，同時也引領(lǐng)著新遙感應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)，這是一個“互動”的過程。這里只說說衛(wèi)星遙感的情況。在按技術(shù)發(fā)展與用戶需求完成遙感衛(wèi)星的設(shè)計、制造、安裝后，由火箭將其發(fā)射升空。我國目前已擁有成套的火箭系統(tǒng)與先進(jìn)的發(fā)射技術(shù)，可以將重達(dá)幾十噸的衛(wèi)星推至幾百千米外，甚至更遠(yuǎn)的太空。目前我國已在甘肅酒泉、山西太原、四川西昌和海南文昌建有衛(wèi)星發(fā)射場。最著名的火箭是長征系列火箭，已經(jīng)運送數(shù)百顆衛(wèi)星成功進(jìn)入預(yù)定軌道。衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道按控制程序展開太陽能電池板（也就是它的“翅膀”），經(jīng)地面測試和調(diào)整后，就可以開始正常地獲取遙感數(shù)據(jù)了。常見的光學(xué)衛(wèi)星好比“千里眼”，可獲取不同分辨率（清晰程度）的影像數(shù)據(jù)；熱紅外探測器可以不分日夜地探測地表的溫度信息；而雷達(dá)衛(wèi)星則不論陰晴雨雪，不分晝夜（即“全天時、全天候”）地獲取地面的微波反射信息。

一般的遙感衛(wèi)星在通過地面接收站上空時將獲取的觀測數(shù)據(jù)下傳至地面接收站。現(xiàn)在較先進(jìn)的衛(wèi)星可以將獲取的數(shù)據(jù)先上傳給中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星按用戶需要隨時回傳到地面站。這些下傳數(shù)據(jù)經(jīng)地面系統(tǒng)的處理后最終形成可提供用戶應(yīng)用的衛(wèi)星遙感圖像數(shù)據(jù)。而衛(wèi)星則按照設(shè)定軌道日夜兼程繞地球運行，不斷收集遙感數(shù)據(jù)。

> 遙感影像數(shù)據(jù)獲取的流程

從近50年的衛(wèi)星遙感對地觀測發(fā)展歷程來看，早期的傳感器以光學(xué)相機(jī)為主，20世紀(jì)七八十年代，針對主要地類、地表溫度與濕度、大氣狀況及化學(xué)成分測量的需要，多光譜遙感傳感器不斷被開發(fā)，并普遍應(yīng)用；90年代則是全球遙感衛(wèi)星快速發(fā)展的階段，高空間分辨率光學(xué)成像、成像雷達(dá)，以及降水與云擴(kuò)線、地球輻射能量、海洋水色測量等新型傳感器相繼出現(xiàn)，衛(wèi)星對地觀測傳感器數(shù)量達(dá)到80多臺。進(jìn)入新世紀(jì)以來，傳感器的類型更為多樣化，一些新型傳感器，如激光雷達(dá)等開始服務(wù)于空間對地觀測，全球在軌衛(wèi)星對地觀測傳感器數(shù)量達(dá)到220多臺，空間對地觀測形成了以成像光譜（包括多光譜和高光譜）、成像合成孔徑雷達(dá)（SAR）和激光雷達(dá)為代表的先進(jìn)對地觀測技術(shù)體系。

衛(wèi)星遙感經(jīng)過50多年的發(fā)展，為人們研究地球系統(tǒng)科學(xué)提供了大量的陸地、大氣和海洋的觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以很高的空間、光譜、時間、溫度分辨率和定位精度，在資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警和救援，以及全球氣候變化、大氣環(huán)流、碳循環(huán)、水循環(huán)、海洋動力、極地冰雪消融等全球性科學(xué)問題研究中發(fā)揮了巨大作用，產(chǎn)生了無可計量的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。而這一切正是得益于衛(wèi)星的“高瞻遠(yuǎn)矚”！

> 衛(wèi)星遙感監(jiān)測所揭示的極地冰層覆蓋厚度變化

> 全球根區(qū)土壤含水量分布

> 全球作物生長狀況與全球海表溫度

衛(wèi)星遙感所解決的問題，多是公益性的，事關(guān)人人，又常常與個人無關(guān)的事情。除了地球系統(tǒng)科學(xué)問題之外，從人們?nèi)粘Ｉ罱嵌榷裕l(wèi)星遙感到底能干什么呢？一句話，主要還是解決資源、環(huán)境和災(zāi)害問題。

資源是社會發(fā)展的根本，沒有資源，發(fā)展就難以為繼。衛(wèi)星遙感廣泛應(yīng)用于地球資源（包含農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地、礦產(chǎn)、能源、地表與地下水、氣象、海洋、旅游等資源）調(diào)查與變化監(jiān)測，為國家和地方社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的制定、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近幾十年來，隨著生活水平的提高，人們對優(yōu)美清新環(huán)境的渴望越來越傾心，對全球和區(qū)域環(huán)境問題的關(guān)注也越來越強(qiáng)烈。遙感技術(shù)宏觀、真實、多尺度、多時相重復(fù)觀測等優(yōu)勢為環(huán)境監(jiān)測提供了有效手段。例如采用遙感方法對水體污染、空氣污染、植被生長變異、土壤污染與退化、土地荒漠化、濕地消亡、城市“熱島效應(yīng)”，以及對資源不合理開發(fā)、城市污染物隨意排放等造成的環(huán)境破壞狀況進(jìn)行調(diào)查和定期監(jiān)測，進(jìn)行區(qū)域環(huán)境承載力評價，為產(chǎn)業(yè)合理布局、城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了現(xiàn)勢性較強(qiáng)的可靠依據(jù)。

遙感在災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查與災(zāi)情評估中所具有的“快速、準(zhǔn)確”優(yōu)勢，是毋庸置疑的。例如在2008年“5·12”汶川特大地震后，全國許多單位立即組織了衛(wèi)星和航空遙感應(yīng)急調(diào)查與監(jiān)測，在短時間內(nèi)向中央及有關(guān)部門提供了最優(yōu)救援路線、解救被困人員、預(yù)警和排除次生地質(zhì)災(zāi)害等方面的第一手資料，為災(zāi)害評估和及時救援作出積極貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，遙感已成為災(zāi)害定期監(jiān)測和災(zāi)后應(yīng)急調(diào)查的必備手段，每當(dāng)有臺風(fēng)、洪災(zāi)、滑坡、泥石流等災(zāi)害發(fā)生，能夠第一時間沖在救災(zāi)第一線的一定有遙感技術(shù)隊伍。

05

夜視遙感所揭示的全球發(fā)展?fàn)顩r

衛(wèi)星遙感不僅提供真切的可視圖像，也可進(jìn)行目標(biāo)地物屬性參數(shù)和變化量的精細(xì)測量。這種能力在微波雷達(dá)遙感領(lǐng)域表現(xiàn)尤為突出。例如采用干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）與極化InSAR數(shù)據(jù)，可以對地面極其微小的變化進(jìn)行準(zhǔn)確測量。我國已經(jīng)開展了長達(dá)10余年的全國地面沉降InSAR監(jiān)測，可以精確地測量城市、樓房、道路和橋梁等地物的下沉量，以及山區(qū)滑坡體的微弱位移量，等等。這種技術(shù)也廣泛用于地震、火山活動等災(zāi)害發(fā)生前的變形監(jiān)測，進(jìn)而了解災(zāi)害孕育狀況，及時發(fā)出預(yù)警，避免人員傷亡。

衛(wèi)星除了在白天對地球照相之外，近年熱紅外夜視遙感技術(shù)也得以發(fā)展。通過拍攝大區(qū)域范圍的夜間燈光變化，可以揭示各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況。

06

致廣大而盡精微：

遙感新方向與我國對地觀測發(fā)展

如果要概括遙感的發(fā)展特點，可以用“致廣大而盡精微”（《中庸》）來表達(dá)。這里的“廣大”指遙感觀測平臺的高遠(yuǎn)與觀測范圍的廣大；“精微”則是空間、時間、光譜、溫度等分辨率和測量精準(zhǔn)度的提高。從全球范圍來看，當(dāng)前的遙感衛(wèi)星的重復(fù)觀測頻率從數(shù)月到幾小時，空間分辨率從千米到幾厘米，光譜分辨率從幾微米到幾納米，電磁波譜從可見光到微波，模式從被動到主動，觀測角度從單一角度到多角度，從單極化到全極化等方向全面發(fā)展。衛(wèi)星體制上，星座與編隊（組網(wǎng)模式/快速重訪/全球覆蓋/快速響應(yīng)）、姿軌控與相位、極化測量以及新型SAR成像概念等得以快速發(fā)展，遙感衛(wèi)星將以有限任務(wù)目標(biāo)為主，全面提升指標(biāo)質(zhì)量，兼顧多目標(biāo)任務(wù)，形成光學(xué)、高光譜、SAR等業(yè)務(wù)化衛(wèi)星長期監(jiān)測，凝視、視頻和夜視等新型科研衛(wèi)星快速研發(fā)，形成全社會共同參與，面向多用戶服務(wù)的開放式發(fā)展格局。對于地球系統(tǒng)科學(xué)研究，則具備了長期的數(shù)據(jù)保障，以長時間序列的積累觀測助力地表現(xiàn)象及其深層次的規(guī)律探索。

與歐美等先進(jìn)航天大國相比，我國遙感衛(wèi)星的發(fā)展較晚，但經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為空間對地觀測大國，形成了陸地、氣象、海洋環(huán)境測繪等遙感衛(wèi)星序列，并同時發(fā)展了商業(yè)小衛(wèi)星和空間站等對地觀測系統(tǒng)，并在深空探測領(lǐng)域逐步開展月球探測（火星探測也即將實施），構(gòu)建了遙感、通訊、導(dǎo)航等緊密結(jié)合的衛(wèi)星系統(tǒng)。我國的遙感衛(wèi)星起步于中巴合作，1999年首顆CBERS-1衛(wèi)星發(fā)射升空，至今已有13顆國產(chǎn)陸地衛(wèi)星，形成了資源、環(huán)境、實踐、資源、測繪、高分專項等6大系列。其中特別是高分系列衛(wèi)星，定位于構(gòu)建我國自主的高分辨率（亞米級/米級）對地觀測系統(tǒng)，包含7顆衛(wèi)星與其他觀測平臺，覆蓋了從全色、多光譜、高光譜到雷達(dá)，以太陽同步和地球同步等軌道觀測，構(gòu)成高空間、高時間和高光譜分辨能力的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)。

> 國產(chǎn)高分衛(wèi)星影像

國土資源是這些衛(wèi)星的主要應(yīng)用領(lǐng)域，2013年提出的《國土資源陸海衛(wèi)星業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》已納入《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃》序列，標(biāo)志著國土資源衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用將邁入新階段。

以大型科學(xué)計劃為牽引是當(dāng)前遙感衛(wèi)星發(fā)展的新特點。在業(yè)務(wù)化遙感發(fā)展領(lǐng)域，當(dāng)前最具代表性的是歐盟主導(dǎo)的“哥白尼（Copernicus）計劃”，其前身是全球環(huán)境與安全監(jiān)測（Global Monitoring of Environment and Security，GMES）對地觀測計劃，以陸地、海洋和氣象應(yīng)用的“哨兵”系列遙感衛(wèi)星系列形成了對巖石圈、水圈、大氣圈、冰川層和生物圈不同尺度的業(yè)務(wù)化監(jiān)測，以此應(yīng)對重大事件應(yīng)急響應(yīng)、人道主義危機(jī)等公共環(huán)境與安全需求，實現(xiàn)對全球及歐盟成員國及熱點地區(qū)不同尺度上的公共服務(wù)，支撐政府決策和重大戰(zhàn)略制定。GEMS是歐盟與歐空局于2003年正式啟動的一項重大航天發(fā)展計劃，主要目標(biāo)是通過對歐洲及非歐洲國家（第三方）現(xiàn)有和未來發(fā)射的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及地面觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理和集成，實現(xiàn)環(huán)境與安全的實時動態(tài)監(jiān)測，保證歐洲的可持續(xù)發(fā)展，提升國際競爭力。

“哥白尼計劃”是歐洲繼“伽利略計劃”之后又一個以著名科學(xué)家命名的重大科技發(fā)展計劃。“哨兵”（Sentinel）系列衛(wèi)星是支撐“哥白尼（Copernicus）計劃”得以實施的對地觀測系統(tǒng)，涉及雷達(dá)、多光譜、雷達(dá)高度計、大氣化學(xué)成分監(jiān)測儀等多種有效載荷，具備中高分辨率成像和中大尺度覆蓋能力，用于地表形變、海洋活動、植被、土壤和水覆蓋、內(nèi)陸水道及海岸帶、海面和地表溫度、海洋水色和土壤特性、海洋預(yù)報、大氣狀況、全球海面高度變化等領(lǐng)域的觀測，服務(wù)地球系統(tǒng)科學(xué)研究。

> 歐洲 Copernicus 計劃哨兵 -2 多光譜衛(wèi)星

> 中東干旱地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉假彩色影像

（Sentinel-2a 衛(wèi)星，沙特阿拉伯 Tubarjal，

圓圈為集中灌溉系統(tǒng)農(nóng)田）

> 意大利 Etna 火山噴發(fā)（2017 年 3 月 16 日，哨兵 -2 號衛(wèi)星拍攝。紅黃色為噴出口，藍(lán)色為積雪，人為設(shè)置，用于區(qū)分）

與“哥白尼（Copernicus）計劃”對應(yīng)的Earth Explorers歐洲地球探測計劃，由8個地球探測衛(wèi)星組成，其根本目標(biāo)是通過對地球重力、磁場、電場、風(fēng)場的探測，研究地球系統(tǒng)及其變化過程，尤其是在全球變化的背景下在氣候變化預(yù)測、水循環(huán)、極地保護(hù)中廣泛開展國際合作，推動地球系統(tǒng)科學(xué)研究。

> 歐洲 Copernicus 計劃與 Earth Explorers 計劃

與公益性科學(xué)探索的業(yè)務(wù)化衛(wèi)星不同，商業(yè)化的小衛(wèi)星因具有技術(shù)含量高、應(yīng)用優(yōu)勢顯著和可相對經(jīng)濟(jì)地持續(xù)發(fā)展等產(chǎn)業(yè)特征，逐漸受到世界各國政府和宇航技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)的高度重視。經(jīng)過20多年的發(fā)展，當(dāng)前已進(jìn)入高速發(fā)展階段。我國的商業(yè)遙感衛(wèi)星從“北京一號”到“吉林一號”，再到去年發(fā)射的“高景一號”，標(biāo)志著我國商業(yè)小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化的顯著進(jìn)步。得益于研制周期短、可批量生產(chǎn)、組網(wǎng)靈活等特點，小衛(wèi)星是未來衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展的方向。當(dāng)前，以高端小衛(wèi)星、皮納衛(wèi)星、商業(yè)化采購服務(wù)等為代表的細(xì)分市場正在加速形成，其技術(shù)理念、應(yīng)用模式將更加開放和創(chuàng)新。

07

慣于星觀天地變：體驗地球自然美

衛(wèi)星遙感的出現(xiàn)讓人們足不出戶便可俯察大地“品類之盛”，欣賞萬物變化，體驗自然之美，這是工業(yè)文明帶給人類認(rèn)知的進(jìn)步。當(dāng)人們跳出地球表面這座“廬山”，見識了她更多、更美的面目的容貌變換之時，不僅感慨幾十億年的歲月在她臉上留下的不只有滄桑，更多的是難以言喻的神奇與美麗，她更像是上帝創(chuàng)造的偉大藝術(shù)品，而我們每個人都不知不覺地生活于其中。從藝術(shù)創(chuàng)作的角度來講，遙感衛(wèi)星可被視作最具現(xiàn)代性和科技性的創(chuàng)作工具之一，也可以被視作當(dāng)代工業(yè)藝術(shù)中難度最大的創(chuàng)作技法之一。

衛(wèi)星遙感對地觀測充分體現(xiàn)了工業(yè)與藝術(shù)的完美結(jié)合。工業(yè)之美在于衛(wèi)星設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)精密，制造工藝的先進(jìn)完美，外觀造型的對稱美觀，時空基準(zhǔn)的精確統(tǒng)一，代表了航天、通信、測控、光電等多種技術(shù)的協(xié)調(diào)組合；而藝術(shù)之美則在于對地球變化之美的瞬間表達(dá)與長久刻畫。我們大多數(shù)時候?qū)⑿l(wèi)星影像用于科學(xué)研究，卻忽略了它作為一種藝術(shù)表現(xiàn)形式的存在。廣袤的大地上每一處地物構(gòu)成的光、影、色彩和形態(tài)千變?nèi)f化，以及那些戲劇性的場景、玲瓏剔透的形態(tài)和賞心悅目的色彩，構(gòu)成了一幅幅超乎想象的絢麗畫卷，時而抽象，時而寫意。不同于藝術(shù)家的筆墨，大自然創(chuàng)作的工具是風(fēng)動、水流、火山活動、變質(zhì)作用、沉積作用和時間琢磨。其筆觸之深沉，力道之遒勁，所到之處山巒疊嶂、江河咆哮、亂云飛渡、無不讓人心生敬畏。在大自然面前，世上的藝術(shù)家們一直引以為自豪的創(chuàng)作技法、創(chuàng)作工具、創(chuàng)作方式都將黯然失色，難與之相比。

遙感影像之美不僅在于自然之美，還在于能發(fā)現(xiàn)隱藏于表像之后的人類肉眼無法看見的美。衛(wèi)星遙感影像不同于普通數(shù)碼相機(jī)拍攝的影片，可以捕捉地物在可見光、近紅外、熱紅外、微波以及紫外等不同波長的電磁波的反射和輻射能量。而不同的物質(zhì)成分在不同波長光譜下構(gòu)成的影像大多是不同的。因此，用肉眼在自然光真彩色條件下只能看到地物的一部分特征，而難以區(qū)分地物可能在近紅外、熱紅外、微波等波長所構(gòu)成的假彩色影像中表現(xiàn)出的差異，通過遙感數(shù)據(jù)變換處理可將這些差異顯示出來。大家最為熟悉的美國Landsat-7衛(wèi)星擁有7個波段，除紅綠藍(lán)3個可見光波段外，還有1個近紅外波段，2個中紅外和1個熱紅外波段。中國國土資源航空物探遙感中心近年引進(jìn)的機(jī)載HyMap高光譜儀可記錄可見光到近紅外的144個波段。我國即將發(fā)射的GF-5號衛(wèi)星則可獲取從可見光到熱紅外波長范圍內(nèi)的300多個波段的遙感影像。

讓我們體驗一下由遙感衛(wèi)星拍攝下來的天然藝術(shù)之作。摩洛哥Anti-Atlas山脈由8000萬年前非洲大陸與歐亞大陸板塊的碰撞而形成，蜿蜒的沉積地層記錄著當(dāng)時板塊碰撞的巨大力量，不同的物質(zhì)組成、不同程度的侵蝕構(gòu)成了五彩斑斕的色彩差異。古絲綢之路上的火焰山和庫木塔格沙漠，白堊紀(jì)的紅色砂巖在常年的雨水沖刷和風(fēng)沙侵蝕作用下表面形成一條條溝壑如火焰一般；而庫木塔格沙漠是世界上唯一與城市相連的沙漠，呈現(xiàn)著“綠不退，沙不進(jìn)”的世界奇觀，更是詮釋著當(dāng)年曾經(jīng)繁華一時的樓蘭古國為何湮滅的千古奧秘。

> 摩洛哥 Anti-Atlas 山脈

> 火焰山與庫木塔格沙漠

恒河三角洲地區(qū)的Sundarbans，有世界上面積最大的紅樹林，為阻攔孟加拉灣颶風(fēng)造成的洪水災(zāi)害提供了重要的緩沖。如發(fā)辮一樣分布的河流揭示了海陸作用與狂風(fēng)強(qiáng)大的侵蝕力沿海岸塑造出的奇特景觀。由于恒河-布拉馬普特拉河三角洲諸多河口的泥沙沉積物數(shù)量巨大，泥沙在水中隱約可見，河口的河流與小溪縱橫交錯，渠道密布，其上則分布著支離破碎的林地、沼澤和農(nóng)田。

> 恒河三角洲地帶

08

俯察品類，仰觀宇宙：

對地觀測與深空探測

全國科技創(chuàng)新大會上提出了發(fā)展深空、深地、深海探測的戰(zhàn)略方向，向“三深”進(jìn)軍吹響了新一輪地球科學(xué)研究的“集結(jié)號”，要求發(fā)展對地觀測以“俯察大地”，開展深空探測以“仰觀宇宙”，應(yīng)對全球氣候變化與能源危機(jī)，避免重大自然災(zāi)害，構(gòu)建和諧人地關(guān)系。構(gòu)建面向地球各圈層動態(tài)演化過程監(jiān)測與預(yù)報的綜合對地觀測系統(tǒng)是當(dāng)前國際地球科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的主要特征，以綜合對地觀測系統(tǒng)支撐的重大科學(xué)計劃是當(dāng)前地球科學(xué)進(jìn)步的重要途徑。構(gòu)建面向資源、環(huán)境與災(zāi)害日常監(jiān)測的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，發(fā)展地球各圈層互動作用下的地球系統(tǒng)科學(xué)研究，以實現(xiàn)對地球系統(tǒng)變化規(guī)律的新認(rèn)知，是對地觀測技術(shù)實現(xiàn)綜合應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

深空探測是認(rèn)知宇宙的重要手段，是地球科學(xué)向行星科學(xué)的拓展。國際上開展月球、火星及太陽系外太空探測也已持續(xù)了半個世紀(jì)。中國等國家近年提出了以“月球為主，向火星進(jìn)軍，兼顧小行星”的研究計劃。其中月球探測計劃正在有序推進(jìn)，火星探測計劃已正式啟動。我國在綜合對地觀測與深空探測研究領(lǐng)域與美國、歐盟、日本等仍有差距，表現(xiàn)在深空觀測的系統(tǒng)性、整體性不足；對地觀測大數(shù)據(jù)綜合集成科學(xué)研究偏低；先進(jìn)遙感應(yīng)用技術(shù)深入研究不夠；對地觀測遙感產(chǎn)品的綜合服務(wù)能力有待提高；面向地球深部探測的空間觀測技術(shù)與裝備仍顯不足。

聚焦國土資源與地質(zhì)調(diào)查事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展需求，大力推進(jìn)對地觀測研究與業(yè)務(wù)應(yīng)用是服務(wù)國土空間有效監(jiān)管，拓展新型能源資源調(diào)查，助力重要經(jīng)濟(jì)區(qū)與城市群地質(zhì)環(huán)境安全與防災(zāi)減災(zāi)，支撐海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略與維護(hù)海洋權(quán)益，促進(jìn)新型對地觀測技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的內(nèi)在需求，是發(fā)展創(chuàng)新型大國地位和實力的重要步驟。“十三五”期間，我國將圍繞《高分辨率衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃（2010—2020）》《國家民用基礎(chǔ)空間設(shè)施發(fā)展規(guī)劃（2015—2025）》全面發(fā)展綜合性對地觀測體系，構(gòu)建陸地、海洋、大氣三個系列七個星座，總計超過100顆的遙感對地觀測衛(wèi)星，形成高、中、低空間分辨率，多種觀測優(yōu)化組合的綜合全球管理與數(shù)據(jù)獲取能力。國土資源部于2012年牽頭編制的《陸海衛(wèi)星業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃》緊密圍繞國家對地觀測系統(tǒng)規(guī)劃，計劃在2020年建成對接20余顆遙感衛(wèi)星應(yīng)用的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成陸海衛(wèi)星業(yè)務(wù)體系。2016年國土資源部召開了科技創(chuàng)新大會，提出了“三深一土”科技創(chuàng)新規(guī)劃，出臺了《國土資源部關(guān)于加強(qiáng)國產(chǎn)衛(wèi)星應(yīng)用體系建設(shè)的意見》，這將帶來深空對地觀測在國土資源部，乃至整個國家在該領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，支撐國土資源事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

“十三五”期間，國土資源領(lǐng)域?qū)⑷媛鋵崱皩嵤Φ赜^測衛(wèi)星重大工程，發(fā)展深空對地觀測技術(shù)，加強(qiáng)衛(wèi)星遙感應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，提高國土資源監(jiān)測監(jiān)管能力，更好地支撐生態(tài)國土和智慧國土的建設(shè)”的總要求，以構(gòu)建支撐全國、全球、深空3個層次空間信息數(shù)據(jù)保障體系；發(fā)展對地觀測理論，創(chuàng)建國土資源遙感調(diào)查技術(shù)方法和應(yīng)用模型，研建支撐全國、全球、深空創(chuàng)新應(yīng)用為長期目標(biāo)；以發(fā)展遙感綜合觀測體系，創(chuàng)新國土資源與地質(zhì)調(diào)查遙感應(yīng)用為近期目標(biāo)；從而創(chuàng)建對地觀測先進(jìn)技術(shù)與裝備研發(fā)、自然資源與環(huán)境變化監(jiān)測、能源資源勘查、深空探測技術(shù)體系，實現(xiàn)對地觀測與深空探測的新發(fā)展。

一千多年前的“永和九年”，書圣王羲之趁“天朗氣清，惠風(fēng)和暢”之時，寫下了讓“后之?dāng)堈撸鄬⒂懈杏谒刮摹钡奶斓貢r光感言，聯(lián)想我們從事的地學(xué)工作，更有感于“仰觀宇宙之大，俯察品類之盛”的感嘆！而這不正是在感嘆地球科學(xué)、對地觀測、深空探測事業(yè)嗎！所以廣大地學(xué)工作者可“游目騁懷，足以極視聽之娛，信可樂也！”

（本文圖片引自ESA、NASA以及我國高分專項任務(wù)，在此表示感謝！）

1

1

作者： 熊盛青 葛大慶 于峻川

排版： 劉欣潼

審核： 常 艷

官網(wǎng)： https://kpwhbjb.cgl.org.cn