全球空间对地观测五十年及中国的发展

关键词空间对地观测，地球观测系统，遥感五十年DOI：10.3969/j.issn.1000-3045.2013.Z01.001全球空间对地观测五十年及中国的发展*郭华东陈方邱玉宝（中国科学院遥感与数字地球研究所北京100094）*收稿日期：2013年4月7日中国科学院院刊摘要50年前第一届国际环境遥感大会“遥感”的诞生，使得人类掌握了利用对地观测技术获取地球客观而现实的时空信息、从空间高度分析并认识地球系统宏观变化规律的手段。空间对地观测技术在地球研究中具有难以比拟的优势，在遥感问世50年之际，在世界面临环境、资源、能源、灾害以及全球变化等挑战背景下，分析国际和我国对地观测技术的发展，剖析空间对地观测的科学内涵和应用方向，对更好地建设我国的空间对地观测体系，让遥感更好地服务于我国的国家战略和社会发展需求有重要意义。从空间看地球：遥感发展五十年郭华东院士1引言1962年第一届国际环境遥感大会(Inter-nationalSymposiumonRemoteSensingofEn-vironment,ISRSE)在美国密西根州召开，会议上“遥感”一词首次被国际科技界正式使用，标志着遥感的诞生，也揭开了人类利用遥感技术从空间观测地球的序幕。此后，人类开始从空间角度分析地球系统的水、碳、能量等循环要素的时空分布和变化规律，回答地球系统动态演变过程中出现的科学问题。同时利用空间观测获取的丰富的地球基础数据，开展灾害、能源、气候、天气、农业、生态、生物多样性和水等社会、经济及其相关领域的工作，在全球范围内加强人类应对可持续发展的能力[1-3]。迄今，遥感已历经半个世纪的发展。此际回顾空间对地观测的发展历程，有助于梳理空间对地观测技术的发展脉络，认识在不同历史阶段空间对地观测技术发展的时代特点和社会背景。特别是，在当前人类社会的发展面临着能源、水资源、气候变化和生态环境等多方面的挑战下，总结空间对地观测的发展，对深入了解地球现状、理解地球系统，进而更好地适应地球环境变化具有重要意义[4,5]。同时，通过了解世界遥感发展轨迹和历程，借鉴其他先进技术国家和地区的发展经验，剖析国际前沿发展趋势，可以更好地把握我国未来空间对地观测体系建设的方向，更好地服务于我国社会的可持续发展。2空间对地观测技术的发展根据国际卫星对地观测委员会(CommitteeonEarthObservationSatellites,CEOS)的全球卫星任务统计数据[6]，1962年至今，全球共发射320多颗对地72013年.第28卷.增刊从空间看地球：遥感发展五十年观测卫星，涵盖对大气、海洋、陆地等地球系统的全面观测（图1）。从1962—2012年间的全球对地观测卫星任务分布图可以看出，在空间上，美国发射的对地观测卫星超过50颗，是全球卫星发射数量最多的国家。欧洲地区，俄罗斯、法国、意大利、德国等国家是主要的卫星发射大国，卫星数目为25—50颗。中国和印度发射的对地观测卫星超过25颗，亦为遥感卫星大国。其次，加拿大、巴西等国家的卫星发射数量也达到了5—25颗，阿根廷（SAC系列卫星）、南非（SumbandilaSat卫星等）、尼日利亚（Nige-riaSat系列卫星）、澳大利亚（Fedsat卫星）均有少量卫星发射。1962—2012年全球发射对地观测卫星情况的统计表明，欧洲地区的卫星发射总数已达115颗，有13个国家拥有自主对地观测卫星。俄罗斯是欧洲拥有自主卫星最多的国家，数量达31颗，由欧洲不同国家组成的各欧洲机构（包括欧洲空间局ESA,欧洲气象卫星开发组织EUMETSAT和欧盟）共发射25颗对地观测卫星（图2）。美洲地区50年间发射对地观测卫星111颗，其中美国的卫星数量占到美洲卫星总量的85%，发射了94颗卫星。亚洲和大洋洲国家共发射89颗卫星，印度和中国的对地观测卫星数量分别达到34颗和30颗。非洲地区，拥有对地观测卫星的国家很少，南非拥有2颗，尼日利亚拥有3颗。从不同的历史时期看，1962—1980年期间全球共发射14颗对地观测卫星（前苏联发射的卫星未列入统计），其中，法国2颗、意大利1颗、欧洲机构1颗和美国10颗。1981—1990年期间全球有43颗卫星发射，除上述国家和机构外，中国、日本、俄罗斯、印度开始启动本国的卫星发射任务。1991—2000年期间共发射89颗对地观测卫星，是全球卫星发射的第一个高峰期，丹麦、德国、加拿大、巴西、阿根廷等8个国家开始拥有对地观测卫星。2001—2012年期间是对地观测卫星发射数量最多的时期，共发射174颗卫星，拥有对地观测卫星的国家达26个。此外，各国家卫星发射数量分布又有各自特征，如美国卫星发射总量最多，且自1981年以来的3个阶段发射数量分布较为平均；俄罗斯卫星发射的高峰期主要集中在1991—2000年期间，其次为2001—2012年期间，有别于世界其他国家和地区在这两个时段的卫星发射情况；中国、意大利、法国、印度、欧图11962—2012年全球对地观测卫星任务分布图图21962—2012年全球发射对地观测卫星概况8中国科学院院刊全球空间对地观测五十年及中国的发展洲机构等在最近10年迎来卫星发射的高峰，特别是中国，发射的对地观测卫星的数量占到已发射总量的80%。从卫星携带的传感器来看，1962—1980年间全球对地观测卫星携带的传感器以光学相机为主，1970年后开始出现少量的多光谱传感器。1981—1990年主要以针对大气温度、湿度，大气化学测量的传感器和多光谱传感器为主（图3）。1991—2000年是全球卫星传感器快速发展的阶段，降水和云扩线、地球辐射能量、海色测量、高空间分辨率光学成像、成像雷达等新型传感器不断出现，对地观测传感器数量达80台。2001—2012年是全球传感器研发和产出最多的时期，传感器的类型更为多样化，一些新型的传感器如激光雷达开始服务于空间对地观测，全球用于对地观测的传感器数量达222台，空间对地观测形成了以成像光谱技术、成像雷达技术和激光雷达技术为代表的先进对地观测技术体系[7-9]。总览1962—2012年各阶段全球对地观测卫星的发展，60年代中期前，普遍观点认为利用地面调查和航空观测，人类已经能够认识地球，所以此时发射的卫星多服务于针对外太空的观测，少量用于地球的观测。直至1972年具有对地观测历史中里程碑意义的ERTS-1卫星发射升空后，人类卫星计划出现面向空间对地观测的新的方向，空间对地观测技术进入快速发展的新时期。在光学遥感领域，Landsat、SPOT、NOAA、Resurs、IRS、RESOURCE-SAT、Terra、Aqua等卫星提供米至公里级多光谱分辨率的地球图像[10-14]，2000年以后出现了EO-1为代表的携带高光谱传感器的对地观测卫星平台[15,16]。20世纪末，商业遥感卫星开始服务于对地观测，IKONOS、QuickBird、GEOEye等卫星提供民用领域1米内的观测影像[17-19]。在微波观测领域，1978年发射世界上第一颗携带合成孔径雷达的SEA-SAT卫星[20]，90年代后，包括航天飞机雷达SIR-A、SIR-B、SIR-C/X-SAR和SRTM在内的JERS、RA-DARSAT、ENVISAT、ALOS等星载SAR卫星陆续发射升空[21-23]。经过50年的发展,人类能够利用空间对地观测技术获取大量大气、海洋和陆地的高精度、高时空分辨率观测数据，可重复观测频率从月到分钟，空间分辨率从公里到厘米，电磁波谱从可见光到微波，模式从被动到主动，观测角度从单一角度到多角度，相位上采用偏振技术，微波遥感从单极化到全极化，天线系统从真实孔径到合成孔径。空间对地观测技术的发展使人类具有了获取全球尺度地球数据的能力，而丰富的全球数据积累为今后有效应对全球化发展中出现的资源、环境、生态与人口、社会、经济等问题铺垫了坚实的基础。3综合地球观测系统随着各国发射卫星能力的不断增强，地球观测大家庭逐渐壮大。1984年正式成立了国际对地观测领域权威的非政府间组织——国际卫星对地观测委员会（CEOS），主要目的是协调民用空间对地观测，增强空间对地观测能力的国际协调、数据交换和优化社会应用。目前CEOS拥有30个正式成员以及23个联系成员，在组织结构上包括空间对地观测部分的4大工作组，包括定标验证、信息系统、数据民主和图31981—2012年期间全球对地观测卫星传感器概况92013年.第28卷.增刊气候变化等工作组。从20世纪90年代开始，人们把地球作为一个整体系统进行研究，美国正式启动了对地观测系统（EOS）计划，该计划事实上是由多个国家和国际组织共同参与的跨学科的计划，致力于地球科学、数据信息传输与处理系统（EOSDIS）和传感器平台开发的综合研究，目的在于实现对陆地表层、固体地球、生物圈、大气和海洋等展开全球性的长期对地观测。其中在轨的卫星主要有搭载中分辨率成像光谱仪（MODIS）的Terra卫星和Aqua卫星等，已实现10余年的高时空分辨率的空间对地观测[24]。20世纪末“数字地球”概念问世后,对地观测技术的发展开始从区域性、领域性向综合性、全球化方向发展[25]。2002年约翰内斯堡世界可持续发展峰会开始呼吁对地球系统进行协调观测，2003年在法国举行的八国集团首脑峰会（G8）正式确认地球观测的重要性和优先行动纲领。同年7月在美国华盛顿召开的第一次地球观测峰会，正式提出全球协调组织成立一个全面协调、发展和可持续的地球观测系统以协调全球资源和地球观测活动，并于2005年在布鲁塞尔通过草案设立了政府间组织——地球观测组织（GEO），颁布了综合地球观测系统（GEOSS）2015年建设任务和目标[26,27]。目前由88个国家、欧盟和67个国际组织参加的GEO已构成空间对地观测的强大力量和组织体系，人类正进入对地球进行系统观测的新时代。地球观测系统正是以电磁波和地物的相互作用理论为基础原理，综合利用不同形式的观测平台和技术，实现对地球陆地表面、生物圈、固体地球、大气圈、水圈和冰冻圈等进行系统探测的观测体系和应用系统。地球观测系统出现后对地观测从依靠单一平台观测转向通过制定系统的、可协调的对地观测计划，在全球尺度开展的多平台体系化观测，地球观测系统进一步发展成为服务于人类社会可持续发展需求的重要技术手段。为推动全球综合地球观测系统的建设，在GEO的推动下，2005年《全球综合地球观测系统（GlobalEarthObservationSystemofSystems,GEOSS）10年执行计划（2005—2015）》正式启动。GEOSS计划旨在建立一个综合、协调和可持续的全球地球观测系统，以更好地认识包括天气、气候、海洋、大气、水、陆地、地球动力学、自然资源、生态系统以及自然和人类活动引起的灾害等的地球系统，为决策者提供从初始观测数据到专业应用产品的信息服务。GEOSS计划成为综合利用地球观测技术应对全球资源环境与可持续发展问题的有效手段，同时对GEO各成员国建立国家和区域级综合地球观测系统具有指导性的重要作用。在该10年计划还有两年之际，经过来自10余个国家的科学家一年多的努力，面向未来10年发展的GEOSS后2015计划框架即将问世。4中国的空间对地观测历经30余年的发展，中国已成为空间对地观测大国，形成资源卫星、环境卫星、气象卫星、海洋卫星、小卫星和飞船等空间对地观测系统，并形成了北斗导航卫星计划，广泛服务于国民经济的各个领域（表1）。中国和巴西合作研制的资源卫星（CBERS-01）于1999年首次发射，随后发射的CBERS-02、CBERS-2B、ZY-3卫星的空间分辨率和图像质量得到进一步提升[28,29]。2008年携带有多光谱可见光相机和超光谱成像仪的HJ-1A卫星发射成功，此后形成的“环境与灾害监测预报小卫星星座”具备中分辨率、宽覆盖、高重访的灾害监测能力[30,31]。在气象卫星方面，我国从1988年开始发射“风云”气象系列卫星，目前已形成静止轨道和极轨气象卫星观测体系[32-34]。2002年我国发射了第一颗海洋卫星（HY-1A）卫星，星上载有1台10