[科普中国]-对地观测技术

简介

对地观测技术主要用以航空航天对地观测2。所谓对地观测，是以地球为研究对象，依托卫星、飞船、航天飞机、飞机以及近空间飞行器等空间平台所携载的光电仪器，利用可见光、红外、高光谱和微波等探测手段，对人类生存所依赖的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动。对地观测技术主要包括卫星通信、空间定位、遥感和地理信息系统等技术。3

历史发展对地观测技术的核心是遥感技术，它发展的速度将直接关系到对地观测技术的发展快慢。1957年前苏联发射了第一颗人造卫星，使卫星摄影测量成为可能；1959年从人造卫星上发回第一张地球像片；1960年从“泰罗斯”与“雨云”气象卫星上获得全球的云图；1971年美国“阿波罗”宇宙飞船成功地对月球表面进行航天摄影测量；1972年美国地球资源卫星(后称陆地卫星)上天，其多光谱扫描仪影像用于对地观测，使得遥感作为一门新技术得到广泛应用。

进人21世纪，随着遥感技术、计算机技术、数据通信等高新技术的迅速发展和地球环境变化的加剧，为对地观测技术提供了新的发展机遇，目前世界各国发射的在轨人造卫星达到3000多颗，已建成的遥感卫星地面接收站30多个，建立了多个面向各种应用的空间对地观测系统，构成了对陆地、海洋、大气等各个层面的全方位观测体系，为促进世界经济建设和推动技术进步发挥重要作用。

在观测平台和观测手段方面，世界各国不仅陆续推出了系列机载对地观测系统,同时还成功发射了气象卫星、陆地卫星、海洋卫星、载人飞船、航天飞机，并正实施综合性系列卫星对地观测计划，传感器的工作波段也已覆盖了自可见光、红外到微波的全波段范围，其中2001年美国发射的QulckiBdr卫星的空间分辨率达到了0.16m。以美国、俄罗斯、法国和日本为代表的空间大国实施了一系列对地观测计划，其技术水平居世界领先地位，而中国和印度等发展中国家近年来在对地观测领域也有了令人瞩目的发展和成就。3

各国技术现状美国从20世纪80年代初起，美国开始执行名为“行星地球使命(Planet Earth Mission)”的计划，出发点是将地球作为一个整体来进行研究。而落实这项计划的主要标志，就是建立一个“地球观测系统(Earth Observation System)”，目的是通过更深刻地了解地球的各种情况、现象及其相互作用，认识地球系统，并了解地球系统变化的规律，该计划是与欧空局、加拿大和日本合作进行。

为了加强对地球表层陆地、海洋、大气和它们之间相互关系的综合性的科学研究，美国国家航空航天局(NASA)自1991年起开始了对地观测系统计划。这个计划分三个阶段：第一阶段——准备工作阶段(1991一1998年)；第二阶段——全面对地观测阶段(1999一2003)；第三阶段——新一代更为细致的对地观测阶段(2003年以后十年)。

2001年，美国国家航空航天局推出了“地球科学事业(Earht Science EnterPrise)”战略计划。进行这项战略计划的目的是提高人类对地球系统及其对自然和人为变化的科学认识，从而提高人类对气候、天气、灾害的预测能力。随着美国战略计划的不断深人和逐步成熟，美国政府又积极致力于建设持久的国家集成对地观测系统，这个系统隶属于国家科学技术委员会地球观测综合工作组，作为研发和实施美国地球观测系统计划的第一步，该战略计划的目标是集成全美的地球观测能力以满足美国和全世界的需求，同时也将为美国参与综合全球对地观测系统计划提供研究框架。

美国的IKONOS卫星,发射于1999年9月24日，是世界上第一颗商用1m分辨率的遥感卫星，IKONOS卫星与太阳同步轨道，轨道高度为68k0m，卫星每日环绕地球飞行14圈，重复周期为3天。

美国的QuickBird卫星，于2001年10月18日发射,是现今世界上唯一一颗提供亚米级分辨率彩色图像的商业卫星，可采集0.61m分辨率全色和2.44m分辨率多光谱图像，同时全色和多光谱图像可融合成0.61m分辨率的彩色图像。卫星轨道高度为450km，重访周期为13.5天，在中国境内每天至少有2至3个过境轨道，扫描带宽度为16.5km。

美国的WorldView-I卫星，它是全球分辨率最高、响应最敏捷的商业成像卫星。卫星轨道高度为45k0m，平均重访周期为1.7天，星载大容量全色成像系统每天能够拍摄多达50万平方千米的0.5m分辨率图像。卫星还将具备现代化的地理定位精度能力和极佳的响应能力，能够快速瞄准要拍摄的目标并有效地进行同轨立体成像。3

法国法国是世界上少数几个能自主研制和发射实用型高分辨率对地观测卫星的国家之一。早在1977年，法国就提出了侦察卫星发展计划，共发展了两代太阳神1、太阳神2卫星各两颗，并同步开展了民用资源卫星系列SPOT的研制。SPOT-1卫星于1986年发射，其重复观测周期为26天，全色分辨率为10m，多光谱分辨率为20m，SPOT-5于2002年5月4日，在法属圭亚那由阿里亚娜火箭送入预定轨道。与SPOT系列卫星相比，SPOT-5的进步在于其传感器HRG，既保持了与SPOT系列相同的视场，同时分辨率又有了较大的提高。

SPOT系列卫星作为法国航天遥感的代表，其数据广泛应用于农业、林业、地质、城市管理、灾害监测、测绘制图等。3

日本日本对地观测主要有三个卫星系列：气象卫星、海洋卫星和地球资源卫星。日本的对地观测中心成立于1995年4月，是日本地球观测卫星数据分析和研究的核心机构，主要任务是分析地球观测卫星所获得的观测数据，开发算法并推导出地球物理参数,校准和验证卫星数据，并尽量保持数据的质量。其次是进行新的地球观测仪器的研究，开发和经营用于地球观测卫星数据的地面系统。作为这项任务的一部分，对地观测中心经营地球观测中心(EOC)，负责进行接收、处理和提供卫星数据。此外，中心还肩负着促进卫星数据在气象、林业和渔业资源，防灾和国家土地使用的控制，以及全球环境变化等领域的研究和应用的责任。为了促进卫星数据的利用，中心还与国内和国外相关机构以及国际组织合作，参与到数据的相互利用、数据的研究和应用中。

日本自1983年发射第一颗海洋观测卫星MOS-1号之后，其人造卫星遥感观测技术一直处于世界领先地位，在地面观测、冰雪观测以及利用航天飞机、飞船进行大气观测等方面也处于领先地位，特别是在自然灾害和环境保护监测方面，日本用遥感技术建立的灾害管理预警系统已经非常发达，配合这套系统，日本在卫星定位系统、快速通信(GPS卫星)、数据共享等领域的发展也很迅速，在其“开创新世纪空间时代”的空间发射计划中，把建造“全球对地观测系统”放在重要地位，制订了一项地球观测卫星的计划，共研制和发射了18颗太阳同步轨道和地球同步轨道对地观测卫星，观测遍及陆地、海洋、大气和生物圈，至2010年前后该项计划已基本完成。3

中国我国对地观测技术始于20世纪70年代初，至今已发展成为谱段齐全、数据获取技术有了较大发展、应用领域不断拓展、有较深人的基础研究及处理方法的初具规模的技术科学体系，几十年来在国民经济发展、国家安全建设中已发挥了重要作用。在我国中长期科技发展规划中，有多项关于对地观测的重大事项和研究项目。我国将力争在对地观测领域跻身国际先进行列。我国在遥感空间信息技术上有了巨大的发展，取得了历史性的突破。我国已形成了气象、资源、海洋等卫星系列及其应用系统。在信息获取技术发展方面已拥有了从模拟胶片摄影遥感到固态数字成像、多光谱到高光谱，主、被动微波等在内较全面的遥感技术体系，在航空、航天平台上实现了遥感对地观测，已在我国灾害监测和管理、农作物估产、环境监测、城市规划、资源探测等方面都发挥了或正在发挥重要作用。

我国于2007年开始建设由地、空、天三个层次观测平台组成的大气、陆地、海洋先进观测体系，相关重大项目已经启动。预计到2020年，我国自主空间数据自给率将提高到60%~80%，目前，我国对地观测卫星已经初步形成系列，包括气象卫星、资源卫星、海洋卫星、北斗导航定位卫星、通信卫星、返回式卫星、科学实验卫星、神州系列飞船、北京1号小卫星等。3

主要应用对地观测系统的作用是对陆地、大气空间和海洋实行全面、全天侯、全天时的观测，为国家取得军事斗争胜利和经济社会可持续发展提供准确可靠的基础性和战略性数据。对地观测活动的目的主要有以下几个方面：

研究人类所生存的地球空间环境及其运动变化的规律，为人类开发地球资源、保护环境、防灾减灾及经济社会发展的宏观决策提供科学依据；

为国防建设、战略部署、现代武器精确打击、反恐维稳等军事行为提供地理空间信息支持；

直接支持各类土木工程的规划、设计、施工质量监理和运行管理，以及矿业、电力、林业、农业等生产过程的定量检测与精确定位实施；

为民众生活提供各种基于位置的服务。

对地观测系统主要服务于以下方面：

监测灾害，减少自然或人为灾害所造成的生命财产损失；

监测人类健康，尤其是监测环境因素对健康的影响；

监测能源，改善对能源资源的管理；

监测气候变化；

监测和了解水循环，改善水资源的管理；

监测天气，改善气象信息、天气预报和预普；

监测生态系统，提高对陆地、海岸、海洋生态系统的保护和管理；

监测农业，支持可持续农业发展，减少荒漠化；

监测和保护生物多样性；

监测地形、地质、加强矿产油气资源的勘探；

监测城市安全，加强城市规划和管理；

监测军事和国家安全。3

环境监测对地观测技术在环境监测方面的应用非常广泛，目前的应用主要包括城市扩张动态监测、城市环境监测(包括热环境、环境污染等)、水利工程和灾情监测评价(海岸开发、洪水灾情、冰雪当量判断、景观格局、潮滩沉积物、海水表层盐度观测、土壤质地空间变化和侵蚀评价、外来物种人侵监测、道路和植被等地物识别和信息提取等)，在矿产资源调查甚至人口普查和建筑容积率调查等方面也得到了初步的应用。可以预见,其未来的应用将更为广阔和多样。3

军事应用对地观测技术在军事领域的应用也非常广泛，主要有战略侦察及情报获取、精确导航与精确打击、毁伤评估等等。利用卫星进行导航定位是最为成功的军事应用之一，目前正在进行和计划实施的全球导航卫星系统(GNSS)有四个，即美国的全球定位系统(GPS)，俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)，欧盟的伽利略系统(GALILEO)，中国的北斗导航系统(COMPASS)，其它系统仅允许作为区域系统或广域增强系统加人，例如日本的准天顶卫星系统(QZSS)和多功能卫星增强系统(MSAS)，印度的印度无线电导航卫星系统(IRNSS)和静地增强导航(GAGAN)等。3

规划管理对地观测技术用于规划管理主要是指将所谓的“精细遥感”产品或成果直接应用于现代城市建设规划中的运行管理以及各种产业(如矿业、电力、林业和农业等)生产过程的定量检测与精确定位实施，目前国内在此方面的相关应用还相对较少，社会效益尚不显著，但可以肯定的是，随着社会需求的日益提高和技术手段的不断进步，其技术优越性和广阔的应用前景必然催生在此方面的广泛应用，也必将取得更为显著的社会和经济效益。3

位置服务基于位置的服务(Location Based Service,LBS)，是指把无线移动通信、全球导航卫星系统和网络电子地图三项技术结合起来实现的定位、导航及相关地理信息服务。无线通信定位虽然简便，但是定位精度低；GNSS虽然定位精度高，但是在城市中容易受高建筑遮挡与反射的干扰，容易间断，把这两项技术结合起来，就实现了精确可靠的定位。然后把定位坐标显示在电子地图上，再与网络联系起来，便可得到导航和相关地理信息服务。目前，LBS的最大用户群是汽车导航与手机个人定位导航，把LBS的概念从为人定位转移到为物定位，就进人物联网的领域，运动物体的联网比静止物体的联网意义更大，在时空坐标下的动态技术，其市场前景也更广阔，基于对地观测数据的各类信息产品及服务成为举世公认的最具发展潜力的新兴产业之一。3

未来发展趋势综合目前对地观测技术的发展及应用情况可以看出，未来对地观测技术的发展将具有以下几个特点：

（1）各个国家和地区之间竞争与合作并存。

对地观测技术在国家安全、国民经济社会发展等诸多方面有巨大的潜在需求，一方面，各国都想尽早占领制高点，在技术上形成领先优势，因此竞争将是对地观测技术发展的主线之一；另一方面，由于对地观测是一个庞大的系统工程，从目前的经济发展看，仅仅依靠一国的财力与技术是远远不够的，无法满足日益增长的现实需求，因此国家、地区之间的合作将是对地观测技术发展的另一主线。

（2）卫星和传感器向高分辨率、专业化、多模式、网络化方向发展。

随着对地观测技术的进步和社会的不断发展，人们对地球资源和环境认识不断深化，对高空间分辨率和时间分辨率遥感信息的需求也将不断提高，随着需求的细化和各种遥感模式的发展变化，卫星系统将进一步专业化，同时采用对地观测网络，来克服以前对地观测卫星系统大型、昂贵的卫星平台以及在平台上放置众多传感器及其产生的各种冗余部件等缺陷。

（3）相关的上下游产业具有广阔的市场前景。

随着对地观测技术和手段的不断发展完善，人们将获得海量的高空间分辨率和时间分辨率遥感信息，对于此类信息的处理、分析和应用将促进与之相关的上下游产业的迅猛发展，产生巨大的社会经济效益，因此相关的上下游产业市场潜力巨大，其发展将进一步促进技术手段的更新发展，不断拓宽对地观测信息的应翔领域。3