从空间看地球

    1962年，第一届国际环境遥感大会在美国密西根州召开，“遥感”一词首次被国际科技界正式使用。这不仅标志着遥感的诞生，也揭开了人类利用遥感技术从空间认识地球的序幕。2013年4月22日，第三十五届国际环境遥感大会在北京开幕。这是此盛会首次在中国举行，是我国和全球遥感界的一件大事。

    那么，遥感究竟有什么用？

遥感：经济社会发展不可或缺的手段

    大家可能对遥感在应对重大自然灾害中的作用比较熟悉。比如2008年汶川发生地震，通讯中断、山路塌方，受灾地区基本与外界隔绝。要想了解灾区的受灾情况，遥感成为重要甚至唯一的手段。2010年青海玉树地震发生后，次日凌晨2点30分，我们就将首批灾区遥感影像及分析报告送往国务院应急办公室，灾后15小时内对获取的航空航天遥感数据实施了同步共享，为了解灾区情况、开展抗震救灾工作作出了重要贡献。

    再比如在环境保护方面。今年年初，北京持续近一个月重度雾霾天气。中国科学院专门启动了“大气灰霾溯源”先导专项，遥感是主要的研究手段之一。利用遥感手段，不仅可以较为准确地了解雾霾覆盖的范围，也可以清晰观察其路径，遥感信息在雾霾的来源和空间演变规律研究中可以发挥重要作用。

    在农业估产方面，它可以用于对全球、全国四类作物的估产，为政府决策提供依据；在海洋方面，可以应用于海洋的初级生产力估算及海洋动力学分析，维护国家的海洋权益；在测绘方面，作用就更大了。中国西部200万平方公里不能实地测绘的地区，必须依靠遥感；在资源能源探储方面，利用地物光谱特性的差异，遥感也能为矿产资源勘探提供基础……

    遥感应用的例子不胜枚举。应用遥感手段，人类开始从空间角度分析地球系统的水、碳、能量等循环要素的时空分布和变化规律，回答地球系统动态演变过程中出现的科学问题。同时，利用空间观测获取的丰富的地球基础数据，人们能开展灾害、能源、气候、天气、农业、生态、生物多样性和水等社会、经济及其相关领域的工作，在全球范围内加强人类应对可持续发展的能力。应该说，在国民经济和社会发展中，遥感已经成为不可或缺的重要手段。

迎接系统观测地球的新时代

    随着科学的发展，人们认识到：地球是一个整体。而空间对地观测技术的发展，使人类具有了获取全球尺度地球数据的能力，其丰富的全球数据积累为今后有效应对全球化发展中出现的资源、环境、生态与人口、社会、经济等问题铺垫了坚实的基础。

    2005年，政府间组织——地球观测组织（GEO）在布鲁塞尔成立，中国是发起国之一。目前这一组织由88个国家、欧盟和67个国际组织参加，已构成空间对地观测的强大力量和组织体系。在GEO的推动下，《全球综合地球观测系统10年执行计划（2005—2015）》正式启动。如今，距离这一计划结束还有两年时间，来自10余个国家的科学家正在谋划未来。

    这说明，人类正进入对地球进行系统观测的新时代。

    地球观测系统应运而生。它是以电磁波和地物的相互作用理论为基础原理，综合利用不同形式的观测平台和技术，实现对地球陆地表面、生物圈、固体地球、大气圈、水圈和冰冻圈等进行全球性、长期的、系统的观测体系和应用系统。

    各国发射卫星能力的不断增强，遥感理论和技术的不断发展，让实现这一科学目标成为可能——人类已经能够获取大量大气、海洋和陆地的高精度、高时空分辨率观测数据，可重复观测频率从月发展到分钟，空间分辨率从公里发展到厘米，电磁波谱从可见光发展到微波，模式从被动发展到主动，观测角度从单一角度发展到多角度，相位上采用偏振技术，微波遥感从单极化到全极化，天线系统从真实孔径到合成孔径。

遥感领域国际竞争非常激烈

    这一领域的国际竞争仍在进行，而且非常激烈。目前，拥有世界领先的对地观测技术的欧美等国，已制定面向长期发展需求的对地观测计划。2013年后欧洲机构和美国预计发射的对地观测卫星数量均将达到34颗，俄罗斯、日本、加拿大预计发射的卫星数量也都在10颗以上。

    这些卫星计划具有明确的服务领域，如美国2016—2020年的对地观测计划关注全球臭氧及相关气体的监测、大气污染监测、地质灾害、天气预测、水资源利用等；欧洲的GMES计划有陆地、海洋、应急管理、安全、大气、气候变化6大服务领域。同时，俄罗斯、日本、印度等国也发布了各自的对地观测战略规划，逐渐形成了具有其自身特点的对地观测系统和体系。

    可以看到，未来全球的空间对地观测计划更加强调观测的连续性、发展能力和综合协调应用能力，即制定长期持续的观测计划，开展机载和星载传感器的系统化开发。其对地观测计划也更强调对地观测平台和数据的协调使用，更加面向满足社会受惠领域的应用需求和国家、区域战略目标。

中国对地观测发展的思考

    中国的遥感发轫于上世纪七十年代后期。1979年，中科院遥感应用研究所成立，正式开启中国遥感事业之路。历经30余年的发展，中国已成为空间对地观测大国，形成资源卫星、环境卫星、气象卫星、海洋卫星、小卫星和飞船等空间对地观测系统，并形成了北斗导航卫星计划，广泛服务于国民经济的各个领域。未来7年，我们还将发射多颗遥感卫星，成为世界上拥有遥感卫星数量最多的国家之一。

    在国际卫星数据接收方面，中国遥感卫星地面站能够接收10余颗卫星数据，是国际接收处理分发卫星数据最多的地面站之一，是国内、国际宝贵的空间对地观测数据库。

    纵观国际对地观测技术的发展趋势，我国未来空间对地观测的发展首先需要满足国家战略需求，考虑国家社会、经济、科学发展的重大要求，确定我国空间对地观测的优先服务领域，建立多平台综合观测计划，突出大小卫星并举的观测体系。在构架我国国家空间对地观测体系的过程中，需要分析国际已有的对地观测系列计划，依据国家战略需求确定我国必须发展的对地观测平台。同时，考虑国际对地观测平台和数据建设的缺失，制定我国独特的系列观测计划，弥补全球在该领域的“数据”鸿沟（如时间、空间和精度等）。开展我国综合地球观测系统的建设和协调，根据我国对地观测卫星序列的管理和观测需求，增强基础设施，开展可持续的多卫星系统的协调应用体系的建设，有重点有突出地开展综合性对地观测业务系统的开发。

    随着大数据时代的到来，应重视空间大数据的研究，特别是要重视空间数据密集型科学研究。为此，需进一步加强我国未来空间对地观测发展的一体化管理，提高顶层设计能力和水平，进一步促进国家对地观测资源和数据的共享，减少重复建设，避免针对相同科学需求的同性能卫星重复发射，提高对地观测的服务效率。同时，通过统筹协调不同机构与部门已有的对地观测资源，依据我国对地观测优先服务领域，加强机载和星载传感器的连续性研制，制定系统的国家对地观测计划。

    客观地说，如果把全球对地观测比作马拉松比赛，中国现在的位置可以认为是第二军团的领跑者，有时还会冲到第一军团。我想，只要我们不断努力，再有10年左右的时间，中国就能在第一军团站住脚，更好地满足我国全球化时代的战略需求，更好地承担应对人类可持续发展危机的国际责任。

    （郭华东：中科院院士、中科院遥感与数字地球研究所所长；本文由本报记者齐芳采访整理）

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新一代数字地球的特征

    （1）未来“数字地球”将是一个功能强大的可视化“球体”，一种科学的地球信息组织形式。可以通过三维、四维乃至N维的方式，洞悉建筑物内部、地下或水下的信息。

    （2）它将基于历史数据和综合模型，以时间为维度呈现地球过去、现在和未来的数据和特征。

    （3）它将是对来自传感器和人类的信息流动态地、交互地开发与利用的过程，并具备数据输入输出的科学标准。

    （4）它不只提供数据，而且在数据解译、科学论证和政策制定等方面将赋予人们更大的主动权。

    （5）它不仅包含空间要素，而且包含覆盖地理空间和虚拟空间的地点、文化和身份等属性要素。

    （6）它将使不同功能的应用更简便、更有效，让使用者发现位置、事件或模型参数等更多信息。