文(wén)章來源：《光明日報》（ 2022年03月03日 16版）

光明圖片/視覺中(zhōng)國(guó)

2021年，航空遙感系統通過國(guó)家驗收，可(kě)全天時、高精(jīng)度對地觀測/新(xīn)華社發

2021年11月，我國(guó)成功發射遙感三十二号02組衛星/新(xīn)華社發

根據高分(fēn)一号數據合成的黃河入海口真彩色衛星影像圖/資料圖片

光明圖片/視覺中(zhōng)國(guó)

日前，陸地探測一号01組B星成功發射。AB雙星編隊，将在地質(zhì)災害、土地調查、基礎測繪、防災減災等方面大顯身手。它們應用(yòng)的技(jì )術，就是遙感。如今，大家已經對“遙感”耳熟能(néng)詳——遙感，是指非接觸的、遠(yuǎn)距離的探測技(jì )術，一般指通過遙感器對物(wù)體(tǐ)的電(diàn)磁波輻射、反射特性進行探測，從而利用(yòng)這種非接觸的方式感知物(wù)體(tǐ)的種種特性。那麽，從遙感技(jì )術發明至今，發生了怎樣的變遷？又(yòu)有(yǒu)哪些可(kě)期的未來？

 NO.1 

遙感科(kē)技(jì )“高”在哪兒

高分(fēn)一号“一眼”，800公(gōng)裏盡收

我們今天所說的遙感，一般指在距離地表一定高度的平台上，如飛機、衛星等，利用(yòng)遙感器對地表進行觀測的活動。當然，利用(yòng)無線(xiàn)傳感器對地表、利用(yòng)探地雷達或其他(tā)有(yǒu)穿透性的遙感器對地下進行觀測也被認為(wèi)是廣義的遙感範疇。

對于公(gōng)衆而言，最熟悉也是最早發展起來的遙感，就是從衛星平台觀測地球表面，這也是20世紀末發展最為(wèi)迅速的科(kē)技(jì )領域之一。衛星遙感能(néng)夠頻繁持久地提供地表的面狀信息，具(jù)有(yǒu)宏觀、動态、精(jīng)确地監測地表環境變化的特點。總的來說，包括衛星遙感在内的遙感技(jì )術具(jù)有(yǒu)如下優勢：

 NO.1   

其一，進行大範圍觀測。遙感用(yòng)航攝飛機飛行高度為(wèi)10公(gōng)裏左右，陸地觀測衛星軌道高度一般在600-800公(gōng)裏左右，例如我國(guó)高分(fēn)一号衛星的覆蓋範圍可(kě)以達到800公(gōng)裏之寬，大概相當于北京到安(ān)徽淮北的距離。這種感知，就是古人“欲窮千裏目，更上一層樓”的人眼視覺中(zhōng)，視場和距離的關系。

 NO.2   

其二，獲取信息的速度快、周期短，受地面限制條件少。尤其通過衛星組網觀測或大幅寬相機觀測，對同一地區(qū)甚至可(kě)以做到一天内多(duō)次觀測。而對于因自然條件惡劣或者國(guó)境限制不能(néng)在地面到達的區(qū)域，也可(kě)以通過衛星遙感方便及時地獲取地面信息。

 NO.3    

其三，獲取信息的手段多(duō)，信息量大。根據不同的目的，可(kě)選用(yòng)不同波段、不同探測方式的遙感器來獲取信息。例如可(kě)采用(yòng)可(kě)見光探測物(wù)體(tǐ)表面形狀、顔色等信息，也可(kě)通過紅外探測物(wù)體(tǐ)的溫度信息，還可(kě)以利用(yòng)不同波段對物(wù)體(tǐ)不同的穿透性來獲取地物(wù)内部信息。

人類的信息需求有(yǒu)80%與地理(lǐ)空間位置有(yǒu)關，而在全球普遍面臨日益嚴重的資源環境問題的形勢下，遙感宏觀、動态、精(jīng)确等特點，在國(guó)民(mín)經濟、社會發展和國(guó)防安(ān)全中(zhōng)起着越來越重要的作(zuò)用(yòng)。地球觀測組織（GEO）确定的遙感9大應用(yòng)領域，涵蓋了災害、衛生、能(néng)源、氣候、水、天氣、生态系統、農業、生物(wù)多(duō)樣性等，更是涉及了人類生活的方方面面。

 NO.2 

為(wèi)什麽需要定量遙感

由“能(néng)看”到“看準”

人們對事物(wù)的認知，總是先看到表象，然後涉及實質(zhì)，尤其是對自然科(kē)學(xué)研究而言，觀察-總結-歸納-演繹推理(lǐ)-實證是通用(yòng)的研究邏輯。研究者更注重于用(yòng)數學(xué)建立起自然世界的研究對象之間的映射關系，以便用(yòng)數學(xué)方法解釋自然規律并進一步預測規律。因此相較于定性的描述，定量的刻畫和應用(yòng)更是自然科(kē)學(xué)的關鍵所在。自然科(kē)學(xué)的分(fēn)析、對規律現象的确定性描述，這都離不開“數據”或者“量化”這一研究基礎。

20世紀70年代以來，衛星遙感主要采取垂直觀測方式，以獲得地表二維信息，對獲取的數據則基于地面目标漫反射的假定，作(zuò)一些簡單校正後利用(yòng)地面目标的光譜特性作(zuò)地表分(fēn)類或經驗判讀。早期遙感的應用(yòng)，更多(duō)的是基于定性描述，也就是通過可(kě)視的地物(wù)顔色、紋理(lǐ)、形狀、大小(xiǎo)等要素來對地物(wù)的各種屬性進行推斷并進行應用(yòng)。但是，随着需求的發展，定性遙感越來越難以滿足科(kē)研和應用(yòng)的需求。

例如，衛星遙感通過雲圖可(kě)以很(hěn)直觀地顯示各種氣團的運動趨勢，但中(zhōng)、長(cháng)期天氣預報的準确性仍不令人滿意。其主要原因之一就是在大氣動力學(xué)模型中(zhōng)，需要知道影響地面和大氣溫度的大氣下墊面反照率和影響氣流運動的粗糙度這些量化的信息。而定性的分(fēn)析顯然不能(néng)滿足這個需求。

很(hěn)自然地，人們開始着眼于通過遙感的方式來獲取地物(wù)更多(duō)量化信息的研究，并期望定量遙感能(néng)承載更多(duō)的應用(yòng)需求。

那麽，什麽是定量遙感？對應于定性遙感而言，定量遙感是從地物(wù)反射或發射的電(diàn)磁輻射裏，來推演得到地物(wù)某些特征定量化描述的手段。通俗地說，就是在遙感獲取的各項電(diàn)磁輻射信号的基礎上，通過數學(xué)的或者物(wù)理(lǐ)的模型，将遙感信息與觀測地表目标聯系起來，定量地反演或推算目标的各種自然屬性信息。

定量遙感有(yǒu)什麽優勢？我們以全球氣候變化研究為(wèi)例。在全球氣候變化研究中(zhōng)，定量的遙感數據産(chǎn)品起着至關重要的作(zuò)用(yòng)。它們不僅能(néng)夠作(zuò)為(wèi)輸入參數集來驅動數值過程模型運行、評價和驗證其模拟結果，還可(kě)以通過适時的輸入更新(xīn)結合數據同化的方法确定過程模型的某些狀态變量或者參數，以提高不同時空尺度的碳、水、氮通量等模拟精(jīng)度并進行預測。在行業部門的各種業務(wù)應用(yòng)中(zhōng)，各種評估對量化指标的旺盛需求，也對遙感的定量化提出了更高要求。

 NO.3 

定量遙感難在哪兒

模型構建、參數反演個個是難關

如前所述，遙感應用(yòng)水平要提高，定量遙感是必由之路。

但是，定量遙感要作(zuò)準很(hěn)難。它的精(jīng)确度主要取決于前向模型構建和參數反演兩方面。

什麽是前向模型構建？想要搞明白這個原理(lǐ)，我們先來看明代羅貫中(zhōng)的一句詩：“夕陽方照桃花(huā)塢，柳絮飛來片片紅”。李小(xiǎo)文(wén)院士曾這樣诠釋：柳絮明明是白的，為(wèi)什麽詩人觀察到柳絮是紅的呢(ne)？這可(kě)能(néng)是三個原因導緻的：首先是太陽照射和觀測的角度的關系。由于是夕陽，太陽光穿越大氣的光學(xué)路徑較長(cháng)，短波段散射嚴重，導緻直射光偏紅。其次反映了地表參數的特征：桃花(huā)塢裏桃花(huā)灼灼，形成一個紅色的下墊面，導緻反射光偏紅。再次是反映了氣溶膠的特性：柳絮本身是全波譜反射，此時反射夕陽紅，反射桃花(huā)紅，因此柳絮成了片片紅。

而我們構建前向模型，就是要把信号的光譜、像元對應的空間範圍、成像時間、太陽照射和觀測的角度關系、極化特性、描述大氣特性和地表特征的參數集，都綜合在一個數學(xué)表達式中(zhōng)，來描述遙感傳感器接收到的輻射信号。

建模是定量遙感反演的前提條件和基礎，而電(diàn)磁輻射穿越大氣、植被，到達土壤，再反射穿越植被、穿越大氣，達到衛星傳感器的遙感成像過程的複雜性使得用(yòng)數學(xué)模型來描述變得極端困難。

反演的過程則是建模的逆過程，也就是通過遙感觀測的電(diàn)磁輻射信号逆推估算大氣或陸表特性參數集的過程。理(lǐ)論上說，通過多(duō)個觀測解方程組的方法可(kě)以得到我們感興趣的地表特性的定量信息。但“理(lǐ)想很(hěn)豐滿，現實很(hěn)骨感”，地表太複雜、而遙感觀測總是有(yǒu)限的——這就好比盲人摸象，很(hěn)多(duō)信息都是有(yǒu)限的、孤立的，要想獲得準确認知，需要對獲得的信息進行融合、積累和綜合。我們一直在試圖尋找更好的辦(bàn)法來解決問題，比如利用(yòng)先驗知識、時空約束、多(duō)階段反演、最優化反演等。其中(zhōng)涉及很(hěn)多(duō)專業知識和數理(lǐ)内容，我就不再贅述了。

 NO.4 

我國(guó)定量遙感水平如何

保持國(guó)際領先，未來仍要加油

我國(guó)定量遙感研究起步于20世紀90年代，在李小(xiǎo)文(wén)院士等前輩科(kē)學(xué)家的推動下，一直保持在國(guó)際領先地位。随着我國(guó)航天事業的蓬勃發展、行業部門對遙感日益旺盛的需求以及遙感科(kē)技(jì )工(gōng)作(zuò)者對學(xué)科(kē)發展的不斷推動，我國(guó)勢必穩步從定量遙感大國(guó)向定量遙感強國(guó)邁進。

那麽，未來的中(zhōng)國(guó)定量遙感研究會怎樣發展？筆(bǐ)者認為(wèi)可(kě)以着重考慮以下幾個方面：

中(zhōng)國(guó)互聯網企業100強榜單主要參考互聯網企業年度發展數據，評價指标既覆蓋收入、利潤、人力資本等财務(wù)指标，也覆蓋流量、活躍用(yòng)戶數等業務(wù)指标。

更加重視科(kē)學(xué)目标明确的我國(guó)自主衛星計劃的提出。目前，國(guó)産(chǎn)衛星更多(duō)地仍然在模仿和跟跑的道路上，從衛星觀測模式、載荷設置、載荷成像（觀測）體(tǐ)制等方面仍有(yǒu)大量模仿的痕迹。固然，對業務(wù)運行的衛星而言，這意味着更穩定、可(kě)靠性更強和可(kě)複用(yòng)的數據更多(duō)。但對科(kē)學(xué)研究而言，則意味着新(xīn)型觀測數據更少。類似CASEarth、高分(fēn)五号(部分(fēn)載荷)、碳衛星、水衛星等由科(kē)學(xué)家用(yòng)戶以特定科(kē)學(xué)問題為(wèi)驅動，主導進行的衛星計劃應該更多(duō)地被支持。

同時，應更加重視國(guó)産(chǎn)衛星數據産(chǎn)品面向國(guó)際用(yòng)戶的開放。經過載荷研制、地面驗證、國(guó)産(chǎn)衛星共性産(chǎn)品生産(chǎn)等多(duō)方共同努力，将國(guó)産(chǎn)衛星數據定量産(chǎn)品的質(zhì)量穩步提升後，更需要面向國(guó)際用(yòng)戶進行開放，這既是我國(guó)科(kē)技(jì )自信的表現，也是通過吸引更多(duō)國(guó)際用(yòng)戶使用(yòng)産(chǎn)品從而提升我國(guó)遙感衛星産(chǎn)品國(guó)際影響力的具(jù)體(tǐ)途徑。

再者，應更加重視定量反演的“兩端”。地表輻射前向模型是進行定量遙感反演的基礎，我國(guó)科(kē)研人員在地表輻射前向模型的改進、集成和應用(yòng)方面居于國(guó)際前列，在針對複雜場景、新(xīn)成像體(tǐ)制、新(xīn)遙感模式的前向模型提出方面還需要科(kē)研人員的共同努力。定量遙感反演産(chǎn)品是直接面對科(kē)學(xué)家用(yòng)戶和行業用(yòng)戶服務(wù)，和其他(tā)市場化的産(chǎn)品和服務(wù)一樣，産(chǎn)品質(zhì)量、産(chǎn)品使用(yòng)說明、對用(yòng)戶的技(jì )術支持、産(chǎn)品不确定性和區(qū)域适用(yòng)性等均需要同步提供，以便各類用(yòng)戶獲得更好的用(yòng)戶體(tǐ)驗。

（作(zuò)者：張颢系中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)院空天信息創新(xīn)研究院遙感科(kē)學(xué)國(guó)家重點實驗室副研究員）