作者：張顥（中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室副研究員）

　　日前，陸地探測一號01組B星成功發射。AB雙星編隊，將在地質災害、土地調查、基礎測繪、防災減災等方麵大顯身手。它們(men) 應用的技術，就是遙感。如今，大家已經對“遙感”耳熟能詳——遙感，是指非接觸的、遠距離的探測技術，一般指通過遙感器對物體(ti) 的電磁波輻射、反射特性進行探測，從(cong) 而利用這種非接觸的方式感知物體(ti) 的種種特性。那麽(me) ，從(cong) 遙感技術發明至今，發生了怎樣的變遷？又有哪些可期的未來？

　　遙感科技“高”在哪兒(er)

　　高分一號“一眼”，800公裏盡收

　　我們(men) 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，利用遙感器對地表進行觀測的活動。當然，利用無線傳(chuan) 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行觀測也被認為(wei) 是廣義(yi) 的遙感範疇。

　　對於(yu) 公眾(zhong) 而言，最熟悉也是最早發展起來的遙感，就是從(cong) 衛星平台觀測地球表麵，這也是20世紀末發展最為(wei) 迅速的科技領域之一。衛星遙感能夠頻繁持久地提供地表的麵狀信息，具有宏觀、動態、精確地監測地表環境變化的特點。總的來說，包括衛星遙感在內(nei) 的遙感技術具有如下優(you) 勢：

　　其一，進行大範圍觀測。遙感用航攝飛機飛行高度為(wei) 10公裏左右，陸地觀測衛星軌道高度一般在600-800公裏左右，例如我國高分一號衛星的覆蓋範圍可以達到800公裏之寬，大概相當於(yu) 北京到安徽淮北的距離。這種感知，就是古人“欲窮千裏目，更上一層樓”的人眼視覺中，視場和距離的關(guan) 係。

　　其二，獲取信息的速度快、周期短，受地麵限製條件少。尤其通過衛星組網觀測或大幅寬相機觀測，對同一地區甚至可以做到一天內(nei) 多次觀測。而對於(yu) 因自然條件惡劣或者國境限製不能在地麵到達的區域，也可以通過衛星遙感方便及時地獲取地麵信息。

　　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獲取信息。例如可采用可見光探測物體(ti) 表麵形狀、顏色等信息，也可通過紅外探測物體(ti) 的溫度信息，還可以利用不同波段對物體(ti) 不同的穿透性來獲取地物內(nei) 部信息。

　　人類的信息需求有80%與(yu) 地理空間位置有關(guan) ，而在全球普遍麵臨(lin) 日益嚴(yan) 重的資源環境問題的形勢下，遙感宏觀、動態、精確等特點，在國民經濟、社會(hui) 發展和國防安全中起著越來越重要的作用。地球觀測組織（GEO）確定的遙感9大應用領域，涵蓋了災害、衛生、能源、氣候、水、天氣、生態係統、農(nong) 業(ye) 、生物多樣性等，更是涉及了人類生活的方方麵麵。

　　為(wei) 什麽(me) 需要定量遙感

　　由“能看”到“看準”

　　人們(men) 對事物的認知，總是先看到表象，然後涉及實質，尤其是對自然科學研究而言，觀察-總結-歸納-演繹推理-實證是通用的研究邏輯。研究者更注重於(yu) 用數學建立起自然世界的研究對象之間的映射關(guan) 係，以便用數學方法解釋自然規律並進一步預測規律。因此相較於(yu) 定性的描述，定量的刻畫和應用更是自然科學的關(guan) 鍵所在。自然科學的分析、對規律現象的確定性描述，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，對獲取的數據則基於(yu) 地麵目標漫反射的假定，作一些簡單校正後利用地麵目標的光譜特性作地表分類或經驗判讀。早期遙感的應用，更多的是基於(yu) 定性描述，也就是通過可視的地物顏色、紋理、形狀、大小等要素來對地物的各種屬性進行推斷並進行應用。但是，隨著需求的發展，定性遙感越來越難以滿足科研和應用的需求。

　　例如，衛星遙感通過雲(yun) 圖可以很直觀地顯示各種氣團的運動趨勢，但中、長期天氣預報的準確性仍不令人滿意。其主要原因之一就是在大氣動力學模型中，需要知道影響地麵和大氣溫度的大氣下墊麵反照率和影響氣流運動的粗糙度這些量化的信息。而定性的分析顯然不能滿足這個(ge) 需求。

　　很自然地，人們(men) 開始著眼於(yu) 通過遙感的方式來獲取地物更多量化信息的研究，並期望定量遙感能承載更多的應用需求。

　　那麽(me) ，什麽(me) 是定量遙感？對應於(yu) 定性遙感而言，定量遙感是從(cong) 地物反射或發射的電磁輻射裏，來推演得到地物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磁輻射信號的基礎上，通過數學的或者物理的模型，將遙感信息與(yu) 觀測地表目標聯係起來，定量地反演或推算目標的各種自然屬性信息。

　　定量遙感有什麽(me) 優(you) 勢？我們(men) 以全球氣候變化研究為(wei) 例。在全球氣候變化研究中，定量的遙感數據產(chan) 品起著至關(guan) 重要的作用。它們(men) 不僅(jin) 能夠作為(wei) 輸入參數集來驅動數值過程模型運行、評價(jia) 和驗證其模擬結果，還可以通過適時的輸入更新結合數據同化的方法確定過程模型的某些狀態變量或者參數，以提高不同時空尺度的碳、水、氮通量等模擬精度並進行預測。在行業(ye) 部門的各種業(ye) 務應用中，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(er)

　　模型構建、參數反演個(ge) 個(ge) 是難關(guan)

　　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(jue) 於(yu) 前向模型構建和參數反演兩(liang) 方麵。

　　什麽(me) 是前向模型構建？想要搞明白這個(ge) 原理，我們(men) 先來看明代羅貫中的一句詩：“夕陽方照桃花塢，柳絮飛來片片紅”。李小文院士曾這樣詮釋：柳絮明明是白的，為(wei) 什麽(me) 詩人觀察到柳絮是紅的呢？這可能是三個(ge) 原因導致的：首先是太陽照射和觀測的角度的關(guan) 係。由於(yu) 是夕陽，太陽光穿越大氣的光學路徑較長，短波段散射嚴(yan) 重，導致直射光偏紅。其次反映了地表參數的特征：桃花塢裏桃花灼灼，形成一個(ge) 紅色的下墊麵，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，此時反射夕陽紅，反射桃花紅，因此柳絮成了片片紅。

　　而我們(men) 構建前向模型，就是要把信號的光譜、像元對應的空間範圍、成像時間、太陽照射和觀測的角度關(guan) 係、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(ge) 數學表達式中，來描述遙感傳(chuan) 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(chuan) 感器的遙感成像過程的複雜性使得用數學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磁輻射信號逆推估算大氣或陸表特性參數集的過程。理論上說，通過多個(ge) 觀測解方程組的方法可以得到我們(men) 感興(xing) 趣的地表特性的定量信息。但“理想很豐(feng) 滿，現實很骨感”，地表太複雜、而遙感觀測總是有限的——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行融合、積累和綜合。我們(men) 一直在試圖尋找更好的辦法來解決(jue) 問題，比如利用先驗知識、時空約束、多階段反演、最優(you) 化反演等。其中涉及很多專(zhuan) 業(ye) 知識和數理內(nei) 容，我就不再贅述了。

　　我國定量遙感水平如何

　　保持國際領先，未來仍要加油

　　我國定量遙感研究起步於(yu) 20世紀90年代，在李小文院士等前輩科學家的推動下，一直保持在國際領先地位。隨著我國航天事業(ye) 的蓬勃發展、行業(ye) 部門對遙感日益旺盛的需求以及遙感科技工作者對學科發展的不斷推動，我國勢必穩步從(cong) 定量遙感大國向定量遙感強國邁進。

　　那麽(me) ，未來的中國定量遙感研究會(hui) 怎樣發展？筆者認為(wei) 可以著重考慮以下幾個(ge) 方麵：

　　更加重視科學目標明確的我國自主衛星計劃的提出。目前，國產(chan) 衛星更多地仍然在模仿和跟跑的道路上，從(cong) 衛星觀測模式、載荷設置、載荷成像（觀測）體(ti) 製等方麵仍有大量模仿的痕跡。固然，對業(ye) 務運行的衛星而言，這意味著更穩定、可靠性更強和可複用的數據更多。但對科學研究而言，則意味著新型觀測數據更少。類似CASEarth、高分五號(部分載荷)、碳衛星、水衛星等由科學家用戶以特定科學問題為(wei) 驅動，主導進行的衛星計劃應該更多地被支持。

　　同時，應更加重視國產(chan) 衛星數據產(chan) 品麵向國際用戶的開放。經過載荷研製、地麵驗證、國產(chan) 衛星共性產(chan) 品生產(chan) 等多方共同努力，將國產(chan) 衛星數據定量產(chan) 品的質量穩步提升後，更需要麵向國際用戶進行開放，這既是我國科技自信的表現，也是通過吸引更多國際用戶使用產(chan) 品從(cong) 而提升我國遙感衛星產(chan) 品國際影響力的具體(ti) 途徑。

　　再者，應更加重視定量反演的“兩(liang) 端”。地表輻射前向模型是進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、集成和應用方麵居於(yu) 國際前列，在針對複雜場景、新成像體(ti) 製、新遙感模式的前向模型提出方麵還需要科研人員的共同努力。定量遙感反演產(chan) 品是直接麵對科學家用戶和行業(ye) 用戶服務，和其他市場化的產(chan) 品和服務一樣，產(chan) 品質量、產(chan) 品使用說明、對用戶的技術支持、產(chan) 品不確定性和區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(ti) 驗。

　　《光明日報》（ 2022年03月03日 16版）