【连载】葛大庆：高瞻远瞩遥感者：卫星遥感与地球系统观测 | 对地观测——认识另一个视角下的地球（3）

葛大庆，雷达遥感研究所所长

中国国土资源航空物探遥感中心

作者|葛大庆      授权发布

编辑|GeoTalks

《 对地观测

——认识另一个视角下的地球 》系列

第 3 篇

3.高瞻远瞩遥感者：卫星遥感与地球系统观测

3.1. 卫星遥感的“高与远”

从1962 年第一届国际环境遥感大会（ISRSE）上“遥感”一词首次被国际科技界正式使用开始，以卫星方式的对地观测揭开了遥感技术应用的序幕。此后，地球科学领域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，回答地球圈层动态演变过程中出现的科学问题。

图10. 卫星遥感与应用的基本内容

基于卫星长期观测形成的动态遥感数据，开展灾害、环境、能源、气候、气象、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，以强化人类应对可持续发展的能力。

相比于航空遥感，卫星遥感的成像范围更广，遥感谱段更多，持续时间更长，并且通过多种卫星联合起来，构成对地球多个角度的观测，更为详细和深刻的探测和监测地球环境变化。根据国际卫星对地观测委员会(CEOS)的全球卫星任务统计数据，当前在距离地球1000km的范围内，以陆地、海洋、大气为主要目标的遥感卫星超过800颗，其中以美国、欧盟拥有的卫星最多，俄罗斯、日本等国家发展迅猛，而中国、印度等国家正在发挥后发优势，试图“弯道超车”，构建自主的对地观测系统。

图11. 对地观测卫星与太空碎片（引自ESA网站）

遥感卫星的建设是一个多学科结合的过程，包含诸多领域技术人员的共同努力。业务化遥感卫星以应用需求为牵引，新型遥感卫星又反过来引领新的遥感应用，这是一个“互动”的过程。这里主要说说卫星的的情况。在设计、集成、组装和安装调试完成后，选择有利于发射的时间窗口由火箭将遥感卫星发射升空。我国家目前拥有成套的火箭与卫星发射技术，可将重达数吨的卫星推入几百公里外的太空，甚至更远。目前我国在甘肃酒泉、山西太原、四川西昌和海南文昌建有卫星发射场，最著名的火箭是长征系列火箭，已经运送了数百颗卫星成功进入预定轨道。

一般而言，卫星进入太空后由二级火机推进到预定轨道，卫星控制程序启动，展开太阳能电池板，好比卫星的的“翅膀”，经过设定时间的调试和测试后，便可开始正常的遥感数据获取了。常见的光学卫星好比“千里眼”，可根据需要调整焦距，达到不同分辨率（清晰程度）的成像。而对于雷达卫星则不同，其工作原理更为复杂，需要通过天线和信号的调制。 

一般的遥感卫星在拍摄任务完成后将数据存储在星上系统，在通过地面接收站上空时下传。现在先进的卫星为了提高工作能力往往通过中继卫星，将接收到的数据上传，再由中继卫星下传到地面站，可随时回传数据。卫星将拍摄到的遥感数据传输到地面后，由相应的接收天线接收后，经地面系统进行处理，得到了卫星遥感图像数据，而卫星则按照固定轨道绕地球运行，不断拍摄遥感数据。 

图12. 遥感影像数据获取的流程

3.2. 卫星遥感的“前世今生”

从50多年的卫星遥感对地观测发展来看，早期的传感器以光学相机为主，1970 年前后出现少量的多光谱传感器；进入八十年代，针对大气温度、湿度，大气化学测量，多光谱遥感传感器出现并普遍应用；1991—2000年是全球遥感卫星快速发展的阶段，降水和云扩线、地球辐射能量、海色测量、高空间分辨率光学成像、成像雷达等新型传感器不断出现，对地观测传感器数量达80多个。2001—2012 年是全球传感器研发和产出最多的时期，传感器的类型更为多样化，一些新型传感器如激光雷达开始服务于空间对地观测，全球用于对地观测的传感器数量达220多台，空间对地观测形成了以成像光谱（包括光学、多光谱和高光谱等）、成像SAR（合成孔径雷达）和激光雷达为代表的先进对地观测技术体系。

图13. 卫星遥感与地球系统科学（“地球圈层效果图”引自ESA网站）

图14. 卫星遥感监测所揭示的极地冰层覆盖厚度变化

图15. 全球根区土壤含水量分布

图16. 全球作物生长状况与全球海表温度（引自ESA网站）

纵览1962以来全球对遥感卫星的发展，60 年代中期前，对地观测以航空遥感为主，卫星遥感多用于外太空观测，仅有少量用于地球观测。直至1972 年具有对地观测历史中里程碑意义的ERTS-1 卫星发射升空后，空间对地观测技术进入快速发展的新时期。在光学遥感领域，Landsat、SPOT、NOAA、IRS、Terra、Aqua、RESOURCESAT等卫星提供米至公里级多光谱分辨率的遥感影像，2000 年以后出现了EO-1 为代表的携带高光谱传感器的对地观测卫星平台。20 世纪末，商业遥感卫星开始服务于对地观测，IKONOS、QuickBird、GEOEye 等卫星提供民用领域1 米内的观测影像。在微波观测领域，1978年世界上第一颗携带合成孔径雷达的SEASAT卫星发射，90 年代后，包括航天飞机雷达SIR系列 和SRTM 在内的JERS、RADARSAT、ENVISAT、ALOS 等星载SAR卫星陆续发射升空。

经过50多年的发展，卫星遥感为研究地球系统科学提供了大量的大气、海洋和陆地观测数据，这些数据以更高的观测精度和时、空分辨率推动了在气候变化、大气环流、水循环、海洋动力学、全球温度变化、极地冰雪消融等全球性科学问题研究中发挥了巨大作用，而这正是得益于卫星的“高瞻远瞩”本领！

3.3. 现实生活中的遥感应用

卫星遥感所解决的问题，多是公益性的，事关人人又常常与个人无关的。除了地球系统科学问题外，从日常生活角度而言，卫星遥感主要用于解决资源、环境和灾害问题。这些问题从空间尺度上而言，有全球性的、地区性以至街区性，而时间尺度上，则有数年、数月、数小时以至数分钟级。

资源是社会发展的根本，没有资源，发展则难以为继！农业、土地、矿产、水、林业等资源是生活的根本。卫星遥感广泛应用于地表资源调查监测包含山、水、林、田、湖，以及矿产、石油、煤炭、地下水等地下资源开发利用过程中的环境与灾害问题。

图17. 资源调查与监管

图18. 环境监测

环境问题是事关长远发展的根本大计。我国过去多年的粗放型发展方式不但使能源、资源不堪重负，也造成大范围雾霾、水体污染、土壤重金属超标等环境问题。当前，我国政府在全面推进“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，充分体现了人与自然和谐共存的“天-人观”。高分辨率、高光谱、高重访频率卫星遥感在环境领域大有可为！从更为广阔的空间尺度和更为密集的时间频率上实现对全球升温、海平面上升、冰川消融、水体与土壤污染、雾霾分布、城市热岛、废气排放等环境效应的监测，更为科学的服务全球、国家和地方尺度上资源禀赋与环境承载能力的协调发展。

图19. 灾害调查

灾害应急与灾后评价中遥感作用显著，首先用到的就是快速的优势。举一个非常有代表性的例子，就是汶川地震。2008年5月12日汶川地区发生的8级特大地震造成6.9万人遇难，3.7人受伤，1.8万人失踪。灾害发生时情况危急，如何以最快的速度了解灾情，如何选择最短的路线救助伤员，如何将水、食物和药品第一时间投送到需要的地方，都需要快速给出答案。当时我们中心与全国其他单位一起，组织卫星遥感和航空遥感开展应急服务，通过航空遥感拍摄震中的影像，为中央提供了第一手的资料，选择了最优的救援路线，让救援人员第一时间赶到了震中位置，解救被困人员。现在，遥感已成为灾害应急的必备手段，每有发生滑坡、泥石流等灾害，通过快速调用卫星、飞机和无人机，能第一时间进行灾害的评估。

卫星遥感不仅提供影像，实现“光谱”测量，也可通过“相位变化”进行精细的“几何”测量，这种独特的能力就源于SAR（合成孔径雷达）遥感，以干涉SAR与极化干涉SAR为代表，可对地表几何形态极其微小变化进行准确的测量，最为突出的就是InSAR地表形变的长期监测。

图20. 卫星InSAR遥感与地表形变测量

图21. 夜视遥感所揭示的全球发展状况

我国已经开展了长达十余年的全国性地表形变（地面沉降）InSAR调查与监测，可精确的测量城市、楼房、道路和桥梁等地物的下沉，以及矿山开采沉陷、山区滑坡活动调查等。这种技术也广泛用于地震、火山活动等灾害发生前的变形监测，进而了解灾害发育状况，及时预报和预测，避免人员伤亡。

相比于光学、SAR等遥感方式，夜视遥感也得以广泛发展，除了在白天对地球照相之外，通过拍摄夜间的灯光变化，揭示各地区经济发展、城市扩展、人口分布等社会状况。

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致广大而尽精微：新方向与我国对地观测的发展

感谢葛老师与GeoTalks读者分享。