作者：張顥（中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室副研究員）

　　日前，陸地探測一號01組B星成功發(fā)射。AB雙星編隊，將在地質(zhì)災害、土地調查、基礎測繪、防災減災等方面大顯身手。它們應用的技術(shù)，就是遙感。如今，大家已經(jīng)對“遙感”耳熟能詳——遙感，是指非接觸的、遠距離的探測技術(shù)，一般指通過(guò)遙感器對物體的電磁波輻射、反射特性進(jìn)行探測，從而利用這種非接觸的方式感知物體的種種特性。那么，從遙感技術(shù)發(fā)明至今，發(fā)生了怎樣的變遷？又有哪些可期的未來(lái)？

　　遙感科技“高”在哪兒

　　高分一號“一眼”，800公里盡收

　　我們今天所說(shuō)的遙感，一般指在距離地表一定高度的平臺上，如飛機、衛星等，利用遙感器對地表進(jìn)行觀(guān)測的活動(dòng)。當然，利用無(wú)線(xiàn)傳感器對地表、利用探地雷達或其他有穿透性的遙感器對地下進(jìn)行觀(guān)測也被認為是廣義的遙感范疇。

　　對于公眾而言，最熟悉也是最早發(fā)展起來(lái)的遙感，就是從衛星平臺觀(guān)測地球表面，這也是20世紀末發(fā)展最為迅速的科技領(lǐng)域之一。衛星遙感能夠頻繁持久地提供地表的面狀信息，具有宏觀(guān)、動(dòng)態(tài)、精確地監測地表環(huán)境變化的特點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō)，包括衛星遙感在內的遙感技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

　　其一，進(jìn)行大范圍觀(guān)測。遙感用航攝飛機飛行高度為10公里左右，陸地觀(guān)測衛星軌道高度一般在600-800公里左右，例如我國高分一號衛星的覆蓋范圍可以達到800公里之寬，大概相當于北京到安徽淮北的距離。這種感知，就是古人“欲窮千里目，更上一層樓”的人眼視覺(jué)中，視場(chǎng)和距離的關(guān)系。

　　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(guò)衛星組網(wǎng)觀(guān)測或大幅寬相機觀(guān)測，對同一地區甚至可以做到一天內多次觀(guān)測。而對于因自然條件惡劣或者國境限制不能在地面到達的區域，也可以通過(guò)衛星遙感方便及時(shí)地獲取地面信息。

　　其三，獲取信息的手段多，信息量大。根據不同的目的，可選用不同波段、不同探測方式的遙感器來(lái)獲取信息。例如可采用可見(jiàn)光探測物體表面形狀、顏色等信息，也可通過(guò)紅外探測物體的溫度信息，還可以利用不同波段對物體不同的穿透性來(lái)獲取地物內部信息。

　　人類(lèi)的信息需求有80%與地理空間位置有關(guān)，而在全球普遍面臨日益嚴重的資源環(huán)境問(wèn)題的形勢下，遙感宏觀(guān)、動(dòng)態(tài)、精確等特點(diǎn)，在國民經(jīng)濟、社會(huì )發(fā)展和國防安全中起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。地球觀(guān)測組織（GEO）確定的遙感9大應用領(lǐng)域，涵蓋了災害、衛生、能源、氣候、水、天氣、生態(tài)系統、農業(yè)、生物多樣性等，更是涉及了人類(lèi)生活的方方面面。

　　為什么需要定量遙感

　　由“能看”到“看準”

　　人們對事物的認知，總是先看到表象，然后涉及實(shí)質(zhì)，尤其是對自然科學(xué)研究而言，觀(guān)察-總結-歸納-演繹推理-實(shí)證是通用的研究邏輯。研究者更注重于用數學(xué)建立起自然世界的研究對象之間的映射關(guān)系，以便用數學(xué)方法解釋自然規律并進(jìn)一步預測規律。因此相較于定性的描述，定量的刻畫(huà)和應用更是自然科學(xué)的關(guān)鍵所在。自然科學(xué)的分析、對規律現象的確定性描述，這都離不開(kāi)“數據”或者“量化”這一研究基礎。

　　20世紀70年代以來(lái)，衛星遙感主要采取垂直觀(guān)測方式，以獲得地表二維信息，對獲取的數據則基于地面目標漫反射的假定，作一些簡(jiǎn)單校正后利用地面目標的光譜特性作地表分類(lèi)或經(jīng)驗判讀。早期遙感的應用，更多的是基于定性描述，也就是通過(guò)可視的地物顏色、紋理、形狀、大小等要素來(lái)對地物的各種屬性進(jìn)行推斷并進(jìn)行應用。但是，隨著(zhù)需求的發(fā)展，定性遙感越來(lái)越難以滿(mǎn)足科研和應用的需求。

　　例如，衛星遙感通過(guò)云圖可以很直觀(guān)地顯示各種氣團的運動(dòng)趨勢，但中、長(cháng)期天氣預報的準確性仍不令人滿(mǎn)意。其主要原因之一就是在大氣動(dòng)力學(xué)模型中，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(dòng)的粗糙度這些量化的信息。而定性的分析顯然不能滿(mǎn)足這個(gè)需求。

　　很自然地，人們開(kāi)始著(zhù)眼于通過(guò)遙感的方式來(lái)獲取地物更多量化信息的研究，并期望定量遙感能承載更多的應用需求。

　　那么，什么是定量遙感？對應于定性遙感而言，定量遙感是從地物反射或發(fā)射的電磁輻射里，來(lái)推演得到地物某些特征定量化描述的手段。通俗地說(shuō)，就是在遙感獲取的各項電磁輻射信號的基礎上，通過(guò)數學(xué)的或者物理的模型，將遙感信息與觀(guān)測地表目標聯(lián)系起來(lái)，定量地反演或推算目標的各種自然屬性信息。

　　定量遙感有什么優(yōu)勢？我們以全球氣候變化研究為例。在全球氣候變化研究中，定量的遙感數據產(chǎn)品起著(zhù)至關(guān)重要的作用。它們不僅能夠作為輸入參數集來(lái)驅動(dòng)數值過(guò)程模型運行、評價(jià)和驗證其模擬結果，還可以通過(guò)適時(shí)的輸入更新結合數據同化的方法確定過(guò)程模型的某些狀態(tài)變量或者參數，以提高不同時(shí)空尺度的碳、水、氮通量等模擬精度并進(jìn)行預測。在行業(yè)部門(mén)的各種業(yè)務(wù)應用中，各種評估對量化指標的旺盛需求，也對遙感的定量化提出了更高要求。

　　定量遙感難在哪兒

　　模型構建、參數反演個(gè)個(gè)是難關(guān)

　　如前所述，遙感應用水平要提高，定量遙感是必由之路。

　　但是，定量遙感要作準很難。它的精確度主要取決于前向模型構建和參數反演兩方面。

　　什么是前向模型構建？想要搞明白這個(gè)原理，我們先來(lái)看明代羅貫中的一句詩(shī)：“夕陽(yáng)方照桃花塢，柳絮飛來(lái)片片紅”。李小文院士曾這樣詮釋?zhuān)毫趺髅魇前椎模瑸槭裁丛?shī)人觀(guān)察到柳絮是紅的呢？這可能是三個(gè)原因導致的：首先是太陽(yáng)照射和觀(guān)測的角度的關(guān)系。由于是夕陽(yáng)，太陽(yáng)光穿越大氣的光學(xué)路徑較長(cháng)，短波段散射嚴重，導致直射光偏紅。其次反映了地表參數的特征：桃花塢里桃花灼灼，形成一個(gè)紅色的下墊面，導致反射光偏紅。再次是反映了氣溶膠的特性：柳絮本身是全波譜反射，此時(shí)反射夕陽(yáng)紅，反射桃花紅，因此柳絮成了片片紅。

　　而我們構建前向模型，就是要把信號的光譜、像元對應的空間范圍、成像時(shí)間、太陽(yáng)照射和觀(guān)測的角度關(guān)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(gè)數學(xué)表達式中，來(lái)描述遙感傳感器接收到的輻射信號。

　　建模是定量遙感反演的前提條件和基礎，而電磁輻射穿越大氣、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(guò)程的復雜性使得用數學(xué)模型來(lái)描述變得極端困難。

　　反演的過(guò)程則是建模的逆過(guò)程，也就是通過(guò)遙感觀(guān)測的電磁輻射信號逆推估算大氣或陸表特性參數集的過(guò)程。理論上說(shuō)，通過(guò)多個(gè)觀(guān)測解方程組的方法可以得到我們感興趣的地表特性的定量信息。但“理想很豐滿(mǎn)，現實(shí)很骨感”，地表太復雜、而遙感觀(guān)測總是有限的——這就好比盲人摸象，很多信息都是有限的、孤立的，要想獲得準確認知，需要對獲得的信息進(jìn)行融合、積累和綜合。我們一直在試圖尋找更好的辦法來(lái)解決問(wèn)題，比如利用先驗知識、時(shí)空約束、多階段反演、最優(yōu)化反演等。其中涉及很多專(zhuān)業(yè)知識和數理內容，我就不再贅述了。

　　我國定量遙感水平如何

　　保持國際領(lǐng)先，未來(lái)仍要加油

　　我國定量遙感研究起步于20世紀90年代，在李小文院士等前輩科學(xué)家的推動(dòng)下，一直保持在國際領(lǐng)先地位。隨著(zhù)我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展、行業(yè)部門(mén)對遙感日益旺盛的需求以及遙感科技工作者對學(xué)科發(fā)展的不斷推動(dòng)，我國勢必穩步從定量遙感大國向定量遙感強國邁進(jìn)。

　　那么，未來(lái)的中國定量遙感研究會(huì )怎樣發(fā)展？筆者認為可以著(zhù)重考慮以下幾個(gè)方面：

　　更加重視科學(xué)目標明確的我國自主衛星計劃的提出。目前，國產(chǎn)衛星更多地仍然在模仿和跟跑的道路上，從衛星觀(guān)測模式、載荷設置、載荷成像（觀(guān)測）體制等方面仍有大量模仿的痕跡。固然，對業(yè)務(wù)運行的衛星而言，這意味著(zhù)更穩定、可靠性更強和可復用的數據更多。但對科學(xué)研究而言，則意味著(zhù)新型觀(guān)測數據更少。類(lèi)似CASEarth、高分五號(部分載荷)、碳衛星、水衛星等由科學(xué)家用戶(hù)以特定科學(xué)問(wèn)題為驅動(dòng)，主導進(jìn)行的衛星計劃應該更多地被支持。

　　同時(shí)，應更加重視國產(chǎn)衛星數據產(chǎn)品面向國際用戶(hù)的開(kāi)放。經(jīng)過(guò)載荷研制、地面驗證、國產(chǎn)衛星共性產(chǎn)品生產(chǎn)等多方共同努力，將國產(chǎn)衛星數據定量產(chǎn)品的質(zhì)量穩步提升后，更需要面向國際用戶(hù)進(jìn)行開(kāi)放，這既是我國科技自信的表現，也是通過(guò)吸引更多國際用戶(hù)使用產(chǎn)品從而提升我國遙感衛星產(chǎn)品國際影響力的具體途徑。

　　再者，應更加重視定量反演的“兩端”。地表輻射前向模型是進(jìn)行定量遙感反演的基礎，我國科研人員在地表輻射前向模型的改進(jìn)、集成和應用方面居于國際前列，在針對復雜場(chǎng)景、新成像體制、新遙感模式的前向模型提出方面還需要科研人員的共同努力。定量遙感反演產(chǎn)品是直接面對科學(xué)家用戶(hù)和行業(yè)用戶(hù)服務(wù)，和其他市場(chǎng)化的產(chǎn)品和服務(wù)一樣，產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品使用說(shuō)明、對用戶(hù)的技術(shù)支持、產(chǎn)品不確定性和區域適用性等均需要同步提供，以便各類(lèi)用戶(hù)獲得更好的用戶(hù)體驗。

　　《光明日報》（ 2022年03月03日 16版）