[科普中国]-空间对地观测

背景概况

人类生活在地球的岩石圈、水圈、大气圈和生物圈这四大圈层的相互作用之间，其活动范围涉及天上、地下和海中。长期以来，人们期待着对自己居住的地球有一个全面深刻的了解。随着信息技术、通信技术、航空航天遥感技术、导航定位技术的飞速发展，我们可以通过陆、海、空、天一体化的导航定位和遥测遥感等空间数据获取手段来自动化、智能化和实时地回答何时、何地、何目标发生了何种变化。空间对地观测技术正是逐渐兴起的地球空间信息学的重要组成部分。

50多年前第一颗人造卫星升空，标志着人类开创了空间对地观测技术的新纪元。自20世纪60年代开始，人类从空问拍摄了大量地球表面的图像。经过分析和判读，清晰地表明了地球环境已经严重恶化。例如，巴西森林砍伐造成浓密烟雾笼罩大陆上空；太平洋温度分布异常与厄尔尼诺现象相关联；恒河上游森林过度采伐与下游河口泥沙沉积；南极臭氧洞扩大；非洲沙漠化变迁等。这些结果不仅使人类对解决地球环境恶化的问题增强紧迫感，而且意义更为深远的是人们对地球变化的认识深刻了，人类开始研究全球性的环境变化。2

空间对地观测系统地球本身是一个以太阳能源为基本动力的动态的统一体。近二百年来人类的活动使地球变化的速度不断地加快，这种加速变化对环境和生态以及人类经济活动造成严重影响。为了监测到这种变化，就必须建立空间对地观测系统。而整个空间对地观测系统由地球观测科学研究计划、地球观测平台和数据与信息处理系统等三大部分构成。

基本特征空间对地观测系统的基本特征应当是，利用能够以相同条件来观测整个地球的极轨平台，获取全球的各种数据。该系统将稳定地工作10~20年。为了了解周期性或间发事件过程，时间尺度将包括一个太阳周期或几个厄尔尼诺现象。系统将稳定地获取地球的陆地圈、水圈、大气圈、冰冻圈及生物圈的数据。要把地球作为一个复杂的整体来研究，强调多学科的研究，更加重视各圈之间相互关系的研究，从而深刻地认识地球的整体行为。2

地球观测科学研究计划地球观测科学研究的计划包括：

目前空间遥感数据的利用；

对即将进行的地球观测将要获取的数据的预演分析；

将来需增加新的观测要求；

发展数学模型，有利于当前或将来对数据的分析。2

地球观测平台地球观测平台包括平台和观测有效载荷两大部分。这是地球观测研究的核心内容。观测平台自身涉及巨大空间计划和财力支撑，由政府或管理部分决策。而地球观测的观测能力是由单个仪器和它们在轨的状态所决定的。观测仪器的观测目标由以下地球环境的因素所决定：

云的性质；

地球与空间两者间的能量交换；

地球表面温度；

大气圈、风、雨、闪电等的结构、组成与动态特征；

积雪状态；

陆地与近地表水的生物活动；

海洋循环；

地球表层与大气圈两者之间的能量和气体交换；

海冰结构和移动、冰川生长、消融及移动速度；

裸露土壤及岩石中矿物组成；

地质断层应力和地表高度变化；

太阳辐射和高能粒子对地球的输入。2

空间对地观测主要光学遥感器中分辨率成像光谱仪中分辨率成像光谱仪（MODIS）是美国宇航局研制的大型空间遥感仪器。它在36个相互配准的光谱波段，以中等分辨率水平(o．25～1km)每1～2天观测地球表面一次，获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、汽溶胶、水汽和火情等目标的图像。2

高级空间热发射和反射辐射计地球表面的自身热辐射和对太阳光的发射是其主要的特征辐射。如果在这两个大气窗口内，以较高的空间分辨率、光谱分辨率和辐射度的准确度，来获取反射和热辐射的定量分谱图像数据，它们对于地质学、水文学和农业等科学的研究是非常有用的。

高级空间热发射和反射辐射计是对地观测平台的重要有效载荷之一，属于高级多光谱遥感成像仪。它在可见光和热红外范围内的14个光谱波段摄取地面图像数据。2

多角度成像光谱辐射计多角度成像光谱辐射计（MISR）是在可见光和近红外四个光谱波段，按平台飞行前后八个角度方向摄取地面具有角度反射特征的多光谱图像。MISR的数据可以测得有云和无云地区的双向反射率，从而获取不同类型云在空间范围和季节尺度上的变化对地球的太阳辐射收支的影响。测得气溶胶总量变化，从而得知其对气候和环境的影响。地面双向反射率与反照率两者关系的模型，可用于研究陆地气候学、生物圈—大气圈的相互作用，以及生态系统的变化。2

发展趋势当前，空间对地观测技术的发展趋势可以归纳为以下几个方面：

空间对地技术的天、空、地一体化和全球化；

空间对地数据获取技术持续向多平台、多传感器、多角度等三多方向发展；

空间对地数据获取技术持续向高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率等三高方向发展；

遥感数据夹拱和处理的自动化、智能化和实时化，满足用户快速响应和准确解译的需求；

国际高分辨率卫星的商业化运作模式会成为发展趋势；

卫星数据在各部门的应用会持续发展。2