多國空間機(jī)構(gòu)學(xué)者：衛(wèi)星遙感面臨的重大挑戰(zhàn)

衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè) 空前繁榮發(fā)展 ? ? ? 在過去的五十年間，衛(wèi)星遙感逐漸發(fā)展為本地、區(qū)域和全球空間尺度上測(cè)量地球的最有效工具之一。 ? 遙感衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)具有非破壞性特征，可以快速監(jiān)測(cè)大氣層、地表和海洋混合層。此外，衛(wèi)星儀器可以觀察有毒或危險(xiǎn)環(huán)境，而不會(huì)使人員或設(shè)備處于危險(xiǎn)中。大規(guī)模連續(xù)衛(wèi)星觀測(cè)補(bǔ)充了詳實(shí)的實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，并為理論建模和數(shù)據(jù)同化提供了無與倫比的體積和內(nèi)容要素定量監(jiān)測(cè)。 ? 目前，很多重要行業(yè)應(yīng)用都依賴于衛(wèi)星數(shù)據(jù)—— ? 大氣觀測(cè)可用于天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、氣候變化等。 海洋表層遙感用于海岸線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、海面溫度和鹽度、海洋生態(tài)系統(tǒng)和碳生物量、海平面變化、海洋交通和漁業(yè)、淺水水流和下墊地形測(cè)繪等。 衛(wèi)星對(duì)陸地遙感應(yīng)用在礦產(chǎn)資源勘探、水旱監(jiān)測(cè)、土壤濕度、植被、森林砍伐、森林火災(zāi)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃等。 最后，全球危機(jī)調(diào)查（如新冠疫情）的社會(huì)科學(xué)工作也受益于遙感數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集可用于目標(biāo)性的可視化，對(duì)人類環(huán)境進(jìn)行分類，然后將這些觀察結(jié)果與各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集聯(lián)系起來，等等。 ? 此外，衛(wèi)星遙感為收集地球科學(xué)信息提供了一個(gè)有效的工具，例如： 1). 全球地形 2). 溫度、水汽、二氧化碳等微量氣體的大氣廓線 3). 地表和大氣的礦物和化學(xué)組成 4). 冰雪、海冰、冰川和融化池等冰凍圈的性質(zhì) 5). 熱層、電離層和磁層的粒子和電磁性質(zhì) ? 地球遙感也推動(dòng)了先進(jìn)技術(shù)的探索，有助于深空遙感任務(wù)的發(fā)展，如旅行者號(hào)和卡西尼-惠更斯太空研究任務(wù)。 ? 在觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展的早期階段，衛(wèi)星傳感器的設(shè)計(jì)往往具有高度的目標(biāo)特異性。例如，20世紀(jì)70年代發(fā)射了一系列儀器：陸地衛(wèi)星和高級(jí)超高分辨率輻射計(jì)（AVHRR）儀器用于監(jiān)測(cè)陸地表層和云，總臭氧測(cè)繪光譜儀（TOMS）儀器用于觀測(cè)總柱臭氧，高分辨率紅外輻射探測(cè)儀（HIRS）儀器用于天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)。這些衛(wèi)星部署為每個(gè)目標(biāo)課題提供了特定數(shù)據(jù)，受到了相應(yīng)學(xué)科領(lǐng)域的肯定。由此，這些項(xiàng)目被延長數(shù)年，以獲得具有重要?dú)夂蛞饬x的數(shù)據(jù)記錄；并且根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)，專業(yè)機(jī)構(gòu)在衛(wèi)星部署新任務(wù)中不斷改進(jìn)技術(shù)和統(tǒng)籌運(yùn)行。 1990 年至 2010 年這兩個(gè)十年期間，這些任務(wù)的可喜成果鼓勵(lì)了各國與機(jī)構(gòu)組織設(shè)計(jì)和發(fā)射具有更廣泛觀測(cè)范圍的日益先進(jìn)的衛(wèi)星和儀器。例如，部署了對(duì)流層污染測(cè)探測(cè)裝置 (MOPITT)、軌道碳觀測(cè)站 (OCO) 和溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星 (GOSAT) 任務(wù)，以對(duì)二氧化碳 (CO?) 和甲烷（CH4）等溫室氣體進(jìn)行高級(jí)監(jiān)測(cè)；AIRS、TES、IASI、IMG 和 CRIS 等幾款熱增強(qiáng)型紅外探測(cè)儀用于監(jiān)測(cè)大氣狀態(tài)以進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)和氣候變化。 ? 其他衛(wèi)星成像儀被部署用于觀測(cè)大氣、陸地和海洋，并支持跨學(xué)科研究，例如單視 MODIS、MERIS 和 SGLI、雙視 ATSR 和 AATSR、多視 MISR 輻射計(jì)和 POLDER 偏振計(jì)。 ? 除了這些更傳統(tǒng)的被動(dòng)觀測(cè)之外，還部署了CloudSat雷達(dá)和CALIPSO激光雷達(dá)等主動(dòng)測(cè)量來監(jiān)測(cè)云和氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)，這對(duì)各種大氣應(yīng)用很重要。 ? 所有這些先前的努力都提供了寶貴常識(shí)，有助于建立對(duì)衛(wèi)星遙感的真正價(jià)值、局限性和潛力的理解。事實(shí)上，空間遙感技術(shù)的彈性發(fā)展和空間信息學(xué)的繁榮創(chuàng)造了前所未有的局面，硬件、數(shù)據(jù)采集和處理的限制已大大削弱，并擁有開發(fā)和部署更先進(jìn)的衛(wèi)星傳感器設(shè)計(jì)的能力。此外，科學(xué)界已經(jīng)獲得了大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在管理和分析數(shù)據(jù)方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，對(duì)利用現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)集可能取得的成就抱有真正現(xiàn)實(shí)的看法，并掌握了未來提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)用性的必須步驟。 ? 另一方面，空間領(lǐng)域也意識(shí)到遙感觀測(cè)的根本挑戰(zhàn)永無止境。例如，將信號(hào)與噪音分離以檢索一組特定的地球物理變量和準(zhǔn)確的儀器校準(zhǔn)是持續(xù)的挑戰(zhàn)；技術(shù)進(jìn)步改善了觀測(cè)的信息內(nèi)容，但數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不足以唯一地描述所有感興趣的地球物理參數(shù)；隨著科學(xué)的進(jìn)步，所需的可觀測(cè)物的清單不斷增加。因此，遙感仍然是一個(gè)根本不適定的問題，需要通過理論模型、先驗(yàn)常識(shí)和輔助觀察來適當(dāng)?shù)囟x和約束。?在設(shè)計(jì)新的科學(xué)目標(biāo)時(shí)，這些都是重要的考慮因素。 若干重大挑戰(zhàn) ? ? ? 衛(wèi)星遙感發(fā)展面臨的總體重大挑戰(zhàn)是：以負(fù)擔(dān)得起的創(chuàng)新技術(shù)和測(cè)量概念解決新問題，以及處理在過去半個(gè)世紀(jì)的衛(wèi)星遙感實(shí)驗(yàn)中積累的舊問題。具體來說，計(jì)劃解決和補(bǔ)足的有以下幾個(gè)重點(diǎn)方面： ? 挑戰(zhàn)1：增加衛(wèi)星觀測(cè)的空間和時(shí)間覆蓋范圍和分辨率 ? 衛(wèi)星遙感的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以快速觀測(cè)地球上的大片區(qū)域。與此同時(shí)，目前可用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆蓋范圍局限性也很明顯。例如，在近地軌道（LEO）上的極地軌道成像儀通常在至少一天（但大多數(shù)是兩天或兩天以上）內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，因此許多具有較高時(shí)間和空間變異性的自然現(xiàn)象沒有完全捕捉到。 ? 在這方面，高軌道對(duì)地靜止觀測(cè)（GEO）通過提供對(duì)同一天體的頻繁日觀測(cè)解決了這一限制。然而，在衛(wèi)星圖像的空間覆蓋和分辨率之間存在一個(gè)權(quán)衡（通常為較高的覆蓋造成較低的空間分辨率）。實(shí)現(xiàn)廣泛的時(shí)空覆蓋和高空間分辨率的觀測(cè)對(duì)許多行業(yè)應(yīng)用都是有價(jià)值的，但也具有很高的挑戰(zhàn)性。因此，衛(wèi)星觀測(cè)的設(shè)計(jì)可能需要新的創(chuàng)新、輔助數(shù)據(jù)和互補(bǔ)觀測(cè)的協(xié)同作用，以解決特定物體和相關(guān)問題。這在下一節(jié)中我們進(jìn)一步討論。 ? 挑戰(zhàn)2：部署能力增強(qiáng)的衛(wèi)星儀器并探索觀測(cè)的協(xié)同作用 ? 盡管衛(wèi)星的觀測(cè)能力已經(jīng)被證實(shí)，但是，目前衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)對(duì)于很多行業(yè)應(yīng)用來說，信息內(nèi)容還是有限的。因此，部署具有增強(qiáng)能力的衛(wèi)星傳感器是可行的并亟待提上議程。 ? 例如，人們已經(jīng)清楚地認(rèn)識(shí)到，多角度偏振儀(MAPs)為描述大氣氣溶膠和云的詳細(xì)柱狀特性提供了最為精準(zhǔn)適合的數(shù)據(jù)，因此，未來十年，氣溶膠和云表征中的偏振數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)將顯著增加。 ? 歐洲和美國航天機(jī)構(gòu)計(jì)劃在未來幾年發(fā)射一些先進(jìn)的偏振儀任務(wù)，包括MetOp-SG衛(wèi)星上的3MI (多視圖多通道多偏振成像任務(wù))，氣溶膠多角度成像儀 (MAIA) 儀器，Spex (行星探測(cè)光譜偏振儀) 和超角彩虹偏振儀(HARP)作為NASA PACE任務(wù)的一部分，多光譜成像偏振儀(MSIP) / Aerosol-UA，MAP作為哥白尼CO2M任務(wù)的一部分等。 ? 此外，中國國家航天局在極化傳感器方面投入巨大，2021年發(fā)射了幾臺(tái)偏振遙感儀器，包括MAI/TG-2、CAPI/TanSat、DPC/高分5號(hào)和SMAC/GFDM，并計(jì)劃在未來幾年發(fā)射POSP、PCF、DPC-激光雷達(dá)。正如Duibovik等人(2019)所詳細(xì)討論的那樣，這些儀器的概念、技術(shù)設(shè)計(jì)和算法開發(fā)已經(jīng)通過機(jī)載原型進(jìn)行了深入討論和測(cè)試。 同樣，基于衛(wèi)星的激光雷達(dá)和雷達(dá)的數(shù)量預(yù)計(jì)也會(huì)增加，因?yàn)橹鲃?dòng)遙感儀器可以提供關(guān)于大氣垂直變化的詳細(xì)資料。事實(shí)上，大多數(shù)主流空間機(jī)構(gòu)都在追求天基激光雷達(dá)項(xiàng)目。例如，NASA于2003年在ICESat衛(wèi)星上發(fā)射了地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)（GLAS），2006年在CALIPSO衛(wèi)星上發(fā)射了正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)，2015年在國際空間站上發(fā)射了云-氣溶膠傳輸系統(tǒng)(CATS)，2018年在ICESat-2衛(wèi)星上發(fā)射了先進(jìn)地形激光高度計(jì)系統(tǒng)(ATLAS) 。 ? 此外，歐空局（ESA）于2018年在風(fēng)神衛(wèi)星上發(fā)射了“Aladin風(fēng)激光雷達(dá)”，作為“生命星球計(jì)劃”（LPP）的一部分；中國國家航天局（CNSA）于2021年在CM-1衛(wèi)星上發(fā)射DPC -激光雷達(dá)；歐洲/日本聯(lián)合地球CARE衛(wèi)星（預(yù)計(jì)于2023年發(fā)射）將包括此前從未在太空飛行的高性能激光雷達(dá)和雷達(dá)技術(shù)，這些發(fā)射任務(wù)的成功將讓激光雷達(dá)成為未來觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。 ? 與此同時(shí)，在復(fù)雜的環(huán)境中，沒有一種單一傳感器可以提供目標(biāo)物體的全面信息，因此需要探索互補(bǔ)觀測(cè)的協(xié)同效應(yīng)。例如，由于對(duì)氣溶膠和云的垂直變異性的敏感度有限，即使是最先進(jìn)的多角度偏振儀也不可保證可靠的氣溶膠的3D表征。 文章來自：https://mp.weixin.qq.com/s/rMOf-J8C2rJcCNK1x0bTDw