多國空間機構(gòu)學者：衛(wèi)星遙感面臨的重大挑戰(zhàn)

衛(wèi)星遙感對地觀測 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量地球的最有效工具之一。 ? 遙感衛(wèi)星對地觀測具有非破壞性特征，可以快速監(jiān)測大氣層、地表和海洋混合層。此外，衛(wèi)星儀器可以觀察有毒或危險環(huán)境，而不會使人員或設(shè)備處于危險中。大規(guī)模連續(xù)衛(wèi)星觀測補充了詳實的實地觀測數(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。 ? 目前，很多重要行業(yè)應用都依賴于衛(wèi)星數(shù)據(jù)—— ? 大氣觀測可用于天氣預報、環(huán)境污染監(jiān)測、氣候變化等。 海洋表層遙感用于海岸線動態(tài)監(jiān)測、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繪等。 衛(wèi)星對陸地遙感應用在礦產(chǎn)資源勘探、水旱監(jiān)測、土壤濕度、植被、森林砍伐、森林火災、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、城市規(guī)劃等。 最后，全球危機調(diào)查（如新冠疫情）的社會科學工作也受益于遙感數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集可用于目標性的可視化，對人類環(huán)境進行分類，然后將這些觀察結(jié)果與各種社會經(jīng)濟數(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信息提供了一個有效的工具，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) ? 地球遙感也推動了先進技術(shù)的探索，有助于深空遙感任務的發(fā)展，如旅行者號和卡西尼-惠更斯太空研究任務。 ? 在觀測衛(wèi)星發(fā)展的早期階段，衛(wèi)星傳感器的設(shè)計往往具有高度的目標特異性。例如，20世紀70年代發(fā)射了一系列儀器：陸地衛(wèi)星和高級超高分辨率輻射計（AVHRR）儀器用于監(jiān)測陸地表層和云，總臭氧測繪光譜儀（TOMS）儀器用于觀測總柱臭氧，高分辨率紅外輻射探測儀（HIRS）儀器用于天氣預報和氣候監(jiān)測。這些衛(wèi)星部署為每個目標課題提供了特定數(shù)據(jù)，受到了相應學科領(lǐng)域的肯定。由此，這些項目被延長數(shù)年，以獲得具有重要氣候意義的數(shù)據(jù)記錄；并且根據(jù)積累的經(jīng)驗，專業(yè)機構(gòu)在衛(wèi)星部署新任務中不斷改進技術(shù)和統(tǒng)籌運行。 1990 年至 2010 年這兩個十年期間，這些任務的可喜成果鼓勵了各國與機構(gòu)組織設(shè)計和發(fā)射具有更廣泛觀測范圍的日益先進的衛(wèi)星和儀器。例如，部署了對流層污染測探測裝置 (MOPITT)、軌道碳觀測站 (OCO) 和溫室氣體觀測衛(wèi)星 (GOSAT) 任務，以對二氧化碳 (CO?) 和甲烷（CH4）等溫室氣體進行高級監(jiān)測；AIRS、TES、IASI、IMG 和 CRIS 等幾款熱增強型紅外探測儀用于監(jiān)測大氣狀態(tài)以進行天氣預報和氣候變化。 ? 其他衛(wèi)星成像儀被部署用于觀測大氣、陸地和海洋，并支持跨學科研究，例如單視 MODIS、MERIS 和 SGLI、雙視 ATSR 和 AATSR、多視 MISR 輻射計和 POLDER 偏振計。 ? 除了這些更傳統(tǒng)的被動觀測之外，還部署了CloudSat雷達和CALIPSO激光雷達等主動測量來監(jiān)測云和氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)，這對各種大氣應用很重要。 ? 所有這些先前的努力都提供了寶貴常識，有助于建立對衛(wèi)星遙感的真正價值、局限性和潛力的理解。事實上，空間遙感技術(shù)的彈性發(fā)展和空間信息學的繁榮創(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)和部署更先進的衛(wèi)星傳感器設(shè)計的能力。此外，科學界已經(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，對利用現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)集可能取得的成就抱有真正現(xiàn)實的看法，并掌握了未來提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)實用性的必須步驟。 ? 另一方面，空間領(lǐng)域也意識到遙感觀測的根本挑戰(zhàn)永無止境。例如，將信號與噪音分離以檢索一組特定的地球物理變量和準確的儀器校準是持續(xù)的挑戰(zhàn)；技術(shù)進步改善了觀測的信息內(nèi)容，但數(shù)據(jù)永遠不足以唯一地描述所有感興趣的地球物理參數(shù)；隨著科學的進步，所需的可觀測物的清單不斷增加。因此，遙感仍然是一個根本不適定的問題，需要通過理論模型、先驗常識和輔助觀察來適當?shù)囟x和約束。?在設(shè)計新的科學目標時，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：以負擔得起的創(chuàng)新技術(shù)和測量概念解決新問題，以及處理在過去半個世紀的衛(wèi)星遙感實驗中積累的舊問題。具體來說，計劃解決和補足的有以下幾個重點方面： ? 挑戰(zhàn)1：增加衛(wèi)星觀測的空間和時間覆蓋范圍和分辨率 ? 衛(wèi)星遙感的主要優(yōu)點之一是可以快速觀測地球上的大片區(qū)域。與此同時，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)實現(xiàn)全球覆蓋，因此許多具有較高時間和空間變異性的自然現(xiàn)象沒有完全捕捉到。 ? 在這方面，高軌道對地靜止觀測（GEO）通過提供對同一天體的頻繁日觀測解決了這一限制。然而，在衛(wèi)星圖像的空間覆蓋和分辨率之間存在一個權(quán)衡（通常為較高的覆蓋造成較低的空間分辨率）。實現(xiàn)廣泛的時空覆蓋和高空間分辨率的觀測對許多行業(yè)應用都是有價值的，但也具有很高的挑戰(zhàn)性。因此，衛(wèi)星觀測的設(shè)計可能需要新的創(chuàng)新、輔助數(shù)據(jù)和互補觀測的協(xié)同作用，以解決特定物體和相關(guān)問題。這在下一節(jié)中我們進一步討論。 ? 挑戰(zhàn)2：部署能力增強的衛(wèi)星儀器并探索觀測的協(xié)同作用 ? 盡管衛(wèi)星的觀測能力已經(jīng)被證實，但是，目前衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)對于很多行業(yè)應用來說，信息內(nèi)容還是有限的。因此，部署具有增強能力的衛(wèi)星傳感器是可行的并亟待提上議程。 ? 例如，人們已經(jīng)清楚地認識到，多角度偏振儀(MAPs)為描述大氣氣溶膠和云的詳細柱狀特性提供了最為精準適合的數(shù)據(jù)，因此，未來十年，氣溶膠和云表征中的偏振數(shù)據(jù)預計將顯著增加。 ? 歐洲和美國航天機構(gòu)計劃在未來幾年發(fā)射一些先進的偏振儀任務，包括MetOp-SG衛(wèi)星上的3MI (多視圖多通道多偏振成像任務)，氣溶膠多角度成像儀 (MAIA) 儀器，Spex (行星探測光譜偏振儀) 和超角彩虹偏振儀(HARP)作為NASA PACE任務的一部分，多光譜成像偏振儀(MSIP) / Aerosol-UA，MAP作為哥白尼CO2M任務的一部分等。 ? 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)射了幾臺偏振遙感儀器，包括MAI/TG-2、CAPI/TanSat、DPC/高分5號和SMAC/GFDM，并計劃在未來幾年發(fā)射POSP、PCF、DPC-激光雷達。正如Duibovik等人(2019)所詳細討論的那樣，這些儀器的概念、技術(shù)設(shè)計和算法開發(fā)已經(jīng)通過機載原型進行了深入討論和測試。 同樣，基于衛(wèi)星的激光雷達和雷達的數(shù)量預計也會增加，因為主動遙感儀器可以提供關(guān)于大氣垂直變化的詳細資料。事實上，大多數(shù)主流空間機構(gòu)都在追求天基激光雷達項目。例如，NASA于2003年在ICESat衛(wèi)星上發(fā)射了地球科學激光高度計系統(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(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)射了先進地形激光高度計系統(tǒng)(ATLAS) 。 ? 此外，歐空局（ESA）于2018年在風神衛(wèi)星上發(fā)射了“Aladin風激光雷達”，作為“生命星球計劃”（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；歐洲/日本聯(lián)合地球CARE衛(wèi)星（預計于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和雷達技術(shù)，這些發(fā)射任務的成功將讓激光雷達成為未來觀測系統(tǒng)的重要組成部分。 ? 與此同時，在復雜的環(huán)境中，沒有一種單一傳感器可以提供目標物體的全面信息，因此需要探索互補觀測的協(xié)同效應。例如，由于對氣溶膠和云的垂直變異性的敏感度有限，即使是最先進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