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

　　日前，陸地探測(cè)一號(hào)01組B星成功發(fā)射。AB雙星編隊(duì)，將在地質(zhì)災(zāi)害、土地調(diào)查、基礎(chǔ)測(cè)繪、防災(zāi)減災(zāi)等方面大顯身手。它們應(yīng)用的技術(shù)，就是遙感。如今，大家已經(jīng)對(duì)“遙感”耳熟能詳——遙感，是指非接觸的、遠(yuǎn)距離的探測(cè)技術(shù)，一般指通過(guò)遙感器對(duì)物體的電磁波輻射、反射特性進(jìn)行探測(cè)，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(hào)“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(tái)上，如飛機(jī)、衛(wèi)星等，利用遙感器對(duì)地表進(jìn)行觀測(cè)的活動(dòng)。當(dāng)然，利用無(wú)線傳感器對(duì)地表、利用探地雷達(dá)或其他有穿透性的遙感器對(duì)地下進(jìn)行觀測(cè)也被認(rèn)為是廣義的遙感范疇。

　　對(duì)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(wèi)星平臺(tái)觀測(cè)地球表面，這也是20世紀(jì)末發(fā)展最為迅速的科技領(lǐng)域之一。衛(wèi)星遙感能夠頻繁持久地提供地表的面狀信息，具有宏觀、動(dòng)態(tài)、精確地監(jiān)測(cè)地表環(huán)境變化的特點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，包括衛(wèi)星遙感在內(nèi)的遙感技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　其一，進(jìn)行大范圍觀測(cè)。遙感用航攝飛機(jī)飛行高度為10公里左右，陸地觀測(cè)衛(wèi)星軌道高度一般在600-800公里左右，例如我國(guó)高分一號(hào)衛(wèi)星的覆蓋范圍可以達(dá)到800公里之寬，大概相當(dāng)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(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)或大幅寬相機(jī)觀測(cè)，對(duì)同一地區(qū)甚至可以做到一天內(nèi)多次觀測(cè)。而對(duì)于因自然條件惡劣或者國(guó)境限制不能在地面到達(dá)的區(qū)域，也可以通過(guò)衛(wèi)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(jù)不同的目的，可選用不同波段、不同探測(cè)方式的遙感器來(lái)獲取信息。例如可采用可見(jiàn)光探測(cè)物體表面形狀、顏色等信息，也可通過(guò)紅外探測(cè)物體的溫度信息，還可以利用不同波段對(duì)物體不同的穿透性來(lái)獲取地物內(nèi)部信息。

　　人類的信息需求有80%與地理空間位置有關(guān)，而在全球普遍面臨日益嚴(yán)重的資源環(huán)境問(wèn)題的形勢(shì)下，遙感宏觀、動(dòng)態(tài)、精確等特點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防安全中起著越來(lái)越重要的作用。地球觀測(cè)組織（GEO）確定的遙感9大應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋了災(zāi)害、衛(wèi)生、能源、氣候、水、天氣、生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)、生物多樣性等，更是涉及了人類生活的方方面面。

　　為什么需要定量遙感

　　由“能看”到“看準(zhǔn)”

　　人們對(duì)事物的認(rèn)知，總是先看到表象，然后涉及實(shí)質(zhì)，尤其是對(duì)自然科學(xué)研究而言，觀察-總結(jié)-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(shù)學(xué)建立起自然世界的研究對(duì)象之間的映射關(guān)系，以便用數(shù)學(xué)方法解釋自然規(guī)律并進(jìn)一步預(yù)測(cè)規(guī)律。因此相較于定性的描述，定量的刻畫(huà)和應(yīng)用更是自然科學(xué)的關(guān)鍵所在。自然科學(xué)的分析、對(duì)規(guī)律現(xiàn)象的確定性描述，這都離不開(kāi)“數(shù)據(jù)”或者“量化”這一研究基礎(chǔ)。

　　20世紀(jì)70年代以來(lái)，衛(wèi)星遙感主要采取垂直觀測(cè)方式，以獲得地表二維信息，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)則基于地面目標(biāo)漫反射的假定，作一些簡(jiǎn)單校正后利用地面目標(biāo)的光譜特性作地表分類或經(jīng)驗(yàn)判讀。早期遙感的應(yīng)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(duì)地物的各種屬性進(jìn)行推斷并進(jìn)行應(yīng)用。但是，隨著需求的發(fā)展，定性遙感越來(lái)越難以滿足科研和應(yīng)用的需求。

　　例如，衛(wèi)星遙感通過(guò)云圖可以很直觀地顯示各種氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但中、長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性仍不令人滿意。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(yùn)動(dòng)的粗糙度這些量化的信息。而定性的分析顯然不能滿足這個(gè)需求。

　　很自然地，人們開(kāi)始著眼于通過(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(yīng)用需求。

　　那么，什么是定量遙感？對(duì)應(yīng)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(xiàng)電磁輻射信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)的或者物理的模型，將遙感信息與觀測(cè)地表目標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，定量地反演或推算目標(biāo)的各種自然屬性信息。

　　定量遙感有什么優(yōu)勢(shì)？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(shù)據(jù)產(chǎn)品起著至關(guān)重要的作用。它們不僅能夠作為輸入?yún)?shù)集來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)值過(guò)程模型運(yùn)行、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證其模擬結(jié)果，還可以通過(guò)適時(shí)的輸入更新結(jié)合數(shù)據(jù)同化的方法確定過(guò)程模型的某些狀態(tài)變量或者參數(shù)，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(yù)測(cè)。在行業(yè)部門(mén)的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用中，各種評(píng)估對(duì)量化指標(biāo)的旺盛需求，也對(duì)遙感的定量化提出了更高要求。

　　定量遙感難在哪兒

　　模型構(gòu)建、參數(shù)反演個(gè)個(gè)是難關(guān)

　　如前所述，遙感應(yīng)用水平要提高，定量遙感是必由之路。

　　但是，定量遙感要作準(zhǔn)很難。它的精確度主要取決于前向模型構(gòu)建和參數(shù)反演兩方面。

　　什么是前向模型構(gòu)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：柳絮明明是白的，為什么詩(shī)人觀察到柳絮是紅的呢？這可能是三個(gè)原因?qū)е碌模菏紫仁翘?yáng)照射和觀測(cè)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(zhǎng)，短波段散射嚴(yán)重，導(dǎo)致直射光偏紅。其次反映了地表參數(shù)的特征：桃花塢里桃花灼灼，形成一個(gè)紅色的下墊面，導(dǎo)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(gòu)建前向模型，就是要把信號(hào)的光譜、像元對(duì)應(yīng)的空間范圍、成像時(shí)間、太陽(yáng)照射和觀測(cè)的角度關(guān)系、極化特性、描述大氣特性和地表特征的參數(shù)集，都綜合在一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式中，來(lái)描述遙感傳感器接收到的輻射信號(hào)。

　　建模是定量遙感反演的前提條件和基礎(chǔ)，而電磁輻射穿越大氣、植被，到達(dá)土壤，再反射穿越植被、穿越大氣，達(dá)到衛(wèi)星傳感器的遙感成像過(guò)程的復(fù)雜性使得用數(shù)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)遙感觀測(cè)的電磁輻射信號(hào)逆推估算大氣或陸表特性參數(shù)集的過(guò)程。理論上說(shuō)，通過(guò)多個(gè)觀測(cè)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，現(xiàn)實(shí)很骨感”，地表太復(fù)雜、而遙感觀測(cè)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(zhǔn)確認(rèn)知，需要對(duì)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(yàn)知識(shí)、時(shí)空約束、多階段反演、最優(yōu)化反演等。其中涉及很多專業(yè)知識(shí)和數(shù)理內(nèi)容，我就不再贅述了。

　　我國(guó)定量遙感水平如何

　　保持國(guó)際領(lǐng)先，未來(lái)仍要加油

　　我國(guó)定量遙感研究起步于20世紀(jì)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(guó)際領(lǐng)先地位。隨著我國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展、行業(yè)部門(mén)對(duì)遙感日益旺盛的需求以及遙感科技工作者對(duì)學(xué)科發(fā)展的不斷推動(dòng)，我國(guó)勢(shì)必穩(wěn)步從定量遙感大國(guó)向定量遙感強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

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

　　更加重視科學(xué)目標(biāo)明確的我國(guó)自主衛(wèi)星計(jì)劃的提出。目前，國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星更多地仍然在模仿和跟跑的道路上，從衛(wèi)星觀測(cè)模式、載荷設(shè)置、載荷成像（觀測(cè)）體制等方面仍有大量模仿的痕跡。固然，對(duì)業(yè)務(wù)運(yùn)行的衛(wèi)星而言，這意味著更穩(wěn)定、可靠性更強(qiáng)和可復(fù)用的數(shù)據(jù)更多。但對(duì)科學(xué)研究而言，則意味著新型觀測(cè)數(shù)據(jù)更少。類似CASEarth、高分五號(hào)(部分載荷)、碳衛(wèi)星、水衛(wèi)星等由科學(xué)家用戶以特定科學(xué)問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，主導(dǎo)進(jìn)行的衛(wèi)星計(jì)劃應(yīng)該更多地被支持。

　　同時(shí)，應(yīng)更加重視國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品面向國(guó)際用戶的開(kāi)放。經(jīng)過(guò)載荷研制、地面驗(yàn)證、國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星共性產(chǎn)品生產(chǎn)等多方共同努力，將國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)定量產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)步提升后，更需要面向國(guó)際用戶進(jìn)行開(kāi)放，這既是我國(guó)科技自信的表現(xiàn)，也是通過(guò)吸引更多國(guó)際用戶使用產(chǎn)品從而提升我國(guó)遙感衛(wèi)星產(chǎn)品國(guó)際影響力的具體途徑。

　　再者，應(yīng)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(chǔ)，我國(guó)科研人員在地表輻射前向模型的改進(jìn)、集成和應(yīng)用方面居于國(guó)際前列，在針對(duì)復(fù)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(duì)科學(xué)家用戶和行業(yè)用戶服務(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(duì)用戶的技術(shù)支持、產(chǎn)品不確定性和區(qū)域適用性等均需要同步提供，以便各類用戶獲得更好的用戶體驗(yàn)。