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- national Symposium on Remote Sensing of En- 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(Committee on EarthObservationSatellites,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2550 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525 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 。20012012 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1 19622012 年全球对地观测卫星任务分布图 图2 19622012 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3 19812012 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 （Global Earth Observation System of Systems, 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 波 段 的 海 洋 水 色 扫 描 仪 和1 台4 波 段 的CCD 成 像 仪 ， 后 续 发 射 的 HY-1B 和HY-2 卫 星 在 成 像 幅 宽 和 重 访 周 期 等 性 能 上 进 一 步 提 升 35,36 。 在 微 小 卫 星 方 面 ， 我 国 成 功 发 射 了 “ 实 践 五 号 ” 、 “ 航 天 清 华 一 号 ” 、 “ 纳 星 一 号 ” 、 “ 北 京 一 号 ” 等 卫 星 ， 完 善 并 丰 富 了 我 国 的 卫 星 观 测 10 从空间看地球 ： 遥感发展五十年中国科学院院刊 卫星 类型 陆地 资源 卫星 系列 环境 卫星 系列 气象 卫星 系列 海 洋 卫 星 系列 卫星名称 CBERS-1- 01/02 CBERS-1- 01/02B ZY-3-01 HJ-1A HJ-1B HJ-1C FY-1A/B FY-1C/D FY-2A/B/C/ D/E FY-3A/B HY-1A/B HY-2 主要传感器 CCD/WFI InfraredScanner CCD/WFI High-Resolution Camera CCD Forward/Back LookingCamera CCD/Hyperspectral Imager CCD Infrared MultispectralCamera SAR MVISR MVISR VISSR IRAS/VISSR/MERSI MWTS MWRI ERM/SIM SBUS/TOU COCTS/CZI RadarAltimeter Microwave Scatterometer SMR/CMR 光谱范围 RVIS/NIR WIS/SWIR/TIR VIS/NIR VIS VIS/NIR VIS VIS/NIR VIS/NIR IR - VIS/NIR/TIR VIS/IR VIS/IR VIS/R EHF/U-band X/Ku/K/Ka/ W-band UV/VIS/IR UV VIS/IR/NIR C/Ku-band Ku-band C/X/K/Ka-band 空间 分辨率 （ 米 ） 20/258 78/156 20/258 2.36 6/2.1 3.5 30/100 30 150/300 4/15 1100/4000 1100/4000 1250/5000/ 5760 17000/1100/ 250 1000 15000/50 75000 15000 85000 - 200000/ 50000 110/250 - - - 幅宽 （ 公里 ） 120/890 120 113/890 27 52/52 52 700/50 700 720 40/100 2860 3100 - 2800 2700 1400 - - 1600/ 3000/500 - 1350/1700 1600 重访周 期 （ 天 ） 26/5 26 26/5 104 59/5 59/5 4 4 4 4 - 12 30/ 25.5min 5.5 - - - - 3/1/7 14 1 1 发射日期 1999-10-14/ 2003-10-21 2007-10-29 2012-01-09 2008-09-06 2012-11-19 1988-09-06/ 1990-09-03 1999-05-10/ 2002-05-15 1997-06-10/ 2000-06-25/ 2004-10-19/ 2006-12-08/ 2008-12-23 2008-05-27/ 2010-11-04 2002-05-15/ 2007-04-11 2011-08-16 表 1 中国 4 类对地观测卫星概况 11 全球空间对地观测五十年及中国的发展 表 注 ： 表 中VIS 为 可 见 光;SWIR 为 短 波 红 外;IR 为 红 外;NIR 为 近 红 外;TIR 为 热 红 外;EHF 为 极 高 频;UV 为 紫 外;WFI 为 宽 视 场 成 像 仪; IRMSS 为 红 外 多 光 谱 扫 描 仪; MVISR 为 多 通 道 可 见 光 和 红 外 扫 描 辐 射 计; HEPD 为 高 能 粒 子 探 测 器;VISSR 为 可2013 年 . 第 28 卷 . 增刊 图4 2013 2035 年全球对地观测卫星发射计划 12 从空间看地球 ： 遥感发展五十年 见 光 和 红 外 自 旋 扫 描 辐 射 计; IRAS 为 红 外 大 气 探 测 器; MERSI 为 中 分 辨 率 光 谱 成 像 仪; MWTS 为 微 波 温 度 探 测 仪; ERM 为 地 球 辐 射 测 量 仪; SIM 为 太 阳 辐 射 监 测 仪; SBUS 为 太 阳 后 向 散 射 紫 外 光 谱 测 量 仪;TOU 为 臭 氧 总 量; COCTS 为 中 国 海 洋 水 色 水 温 扫 描 仪; CZI 为 海 岸 带 成 像 仪; SMR 为 扫 描 微 波 辐 射 计; CMR 为 校 准 的 微 波 辐 射 计;Infrared Scanner 为 红 外 扫 描 仪; High-Resolution Camera 为 高 分 辨 率 相 机; Forward/Back Looking Camera 为 前 后 视 角 相 机; Hyperspectral Imager 为 高 光 谱 成 像 仪; Infrared Multispectral Camera 为 红 外 多 光 谱 相 机; RadarAltimeter 为 雷 达 高 度 计; Microwave Scatterometer 为 微波散射计 40 。 体 系 37-39 。2010 年 ， 我 国 正 式 启 动 实 施 高 分 辨 率 对 地观测系统重大科技专项 。 在 国 际 卫 星 数 据 接 收 方 面 ， 中 国 遥 感 卫 星 地 面 站 能 够 接 收10 余 颗 卫 星 数 据 ， 保 存 着1986 年 以 来 各 类 卫 星 数 据300 多 万 景 ， 是 国 际 接 收 处 理 分 发 卫 星 数 据 最 多 的 地 面 站 之 一 ， 是 国 内 、 国 际 宝 贵 的 空 间对地观 测数据库 。 5 空间对地观测发展的思考 纵 观 全 球 空 间 对 地 观 测50 年 的 发 展 过 程 ， 每 项 新 技 术 、 新 计 划 诞 生 的 背 后 都 有 与 其 对 应 的 时 代 和 政 治 经 济 背 景 。 人 类 开 展 对 地 观 测 的 目 的 也 从 单 领 域 调 查 ， 逐 渐 转 向 服 务 于 人 类 社 会 发 展 的 重 大 需 求 。 随 着 全 球 化 时 代 的 到 来 ， 对 地 观 测 技 术 更 是 发展出体系化观测的地球观测系统 。 目 前 ， 拥 有 世 界 领 先 的 对 地 观 测 技 术 的 美 国 、 欧 洲 等 国 家 和 地 区 ， 均 已 制 定 面 向 长 期 发 展 需 求 的 对 地 观 测 计 划 。2013 年 后 欧 洲 机 构 和 美 国 预 计 发 射 的 对 地 观 测 卫 星 数 量 均 将 达 到34 颗 ， 印 度 （26 颗 ） 和 中 国 （25 颗 ） 计 划 发 射20 颗 以 上 的 新 卫 星 ， 俄 罗 斯 、 日 本 、 加 拿 大 预 计 发 射 的 卫 星 数 量 也 都 在10 颗 以 上 （ 图4 ） 。 从 各 洲 发 射 卫 星 的 情 况 来 看 ， 俄 罗 斯 仍 然 是 欧 洲 最 主 要 的 卫 星 发 射 大 国 ， 但 与 之 前 不 同 ， 欧 洲 机 构 发 射 卫 星 总 量 开 始 显 著 多 于 俄 罗 斯 ， 欧 洲 地 区 的 卫 星 发 射 将 更 加 强 调 多 国 间 的 联 合 和 协 作 。 美 国 仍 然 是 最 主 要 的 卫 星 发 射 国 家 ， 同 时 加 拿 大 卫 星 发 射 数 量 增 加 也 较 多 。 亚 洲 地 区 则 延 续 了 过 去 的 传 统 格 局 ， 中 国 、 印 度 、 日 本 和 韩 国 依 然 是 最 主 要 的 卫星发射国家 ， 非洲地区没有新的卫星发射计划 。 这 些 卫 星 计 划 具 有 明 确 的 服 务 领 域 ， 如 美 国 2016 2020 年 的 对 地 观 测 计 划 关 注 全 球 臭 氧 及 相 关 气 体 的 监 测 （GACM 计 划 ） 、 大 气 污 染 监 测 （3D-Winds ） 、 地 质 灾 害 （LIST ） 、 天 气 预 测 （PATH ） 、 水 资 源 利 用 （GRACE-II/SCLP ） 等 41,42 ； 欧 洲 的 GMES 计 划 设 有 陆 地 、 海 洋 、 应 急 管 理 、 安 全 、 大 气 、 气 候 变 化6 大 服 务 领 域 43,44 。 同 时 ， 俄 罗 斯 、 日 本 、 印 度 等 国 也 发 布 了 各 自 的 对 地 观 测 战 略 规 划 ， 逐 渐 形 成 了 具 有 其 自 身 特 点 的 对 地 观 测 系 统 和 体 系 。 俄 罗 斯 联 邦 航 天 局 （ROSCOSMOS ） 计 划 于2020 年 前 形 成 包 括 静 止 轨 道 气 象 卫 星 （ELECTRO 系 列 ） 、 极 轨 的 气 象 卫 星 （METEOR 系 列 ） 和 资 源/ 环 境 卫 星 （KANOPUS-V 和RESURS-P 系 列 ） 的 卫 星 体 系 ； 日 本 宇 宙 航 空 研 究 开 发 机 构 （JAXA ） 在 继 续 发 展 携 带 有L 波 段SAR 和 高 光 谱 传 感 器 的 高 空 间 分 辨 率 ALOS 系 列 卫 星 计 划 的 基 础 上 ， 提 出 针 对 温 室 气 体 监 测 的GOSAT 计 划 和 针 对 全 球 变 化 需 求 的GCOM 计 划 ， 并 继 续 开 发 导 航 实 验 卫 星 计 划 （QZS ） ； 印 度 空 间 研 究 组 织 （ISRO ） 和 国 家 遥 感 局 （NRSA ） 计 划 进 一 步 提 升Resourcesat 系 列 卫 星 的 空 间 分 辨 率 ， 发 展 本 国 星 载SAR 卫 星 （RISAT 系 列 ） 和 环 境 卫 星 （EnvironmentSat ） 45,46 。中国科学院院刊 13 全球空间对地观测五十年及中国的发展 未 来 全 球 的 空 间 对 地 观 测 计 划 更 加 强 调 观 测 的 连 续 性 、 发 展 能 力 和 综 合 协 调 应 用 能 力 ， 即 制 定 长 期 持 续 的 观 测 计 划 ， 开 展 机 载 和 星 载 传 感 器 的 系 统 化 开 发 。 其 对 地 观 测 计 划 也 更 强 调 对 地 观 测 平 台 和 数 据 的 协 调 使 用 ， 更 加 面 向 满 足 社 会 受 惠 领 域 的应用需求和国家 、 区域战略目标 。 纵 观 国 际 对 地 观 测 技 术 的 发 展 趋 势 ， 我 国 未 来 空 间 对 地 观 测 的 发 展 首 先 需 要 满 足 国 家 战 略 需 求 ， 考 虑 国 家 社 会 、 经 济 、 科 学 发 展 的 重 大 要 求 ， 确 定 我 国 空 间 对 地 观 测 的 优 先 服 务 领 域 ， 建 立 多 平 台 综 合 观 测 计 划 ， 突 出 大 小 卫 星 并 举 的 观 测 体 系 。 在 构 架 我 国 国 家 空 间 对 地 观 测 体 系 的 过 程 中 ， 需 要 分 析 国 际 已 有 的 对 地 观 测 系 列 计 划 ， 依 据 国 家 战 略 需 求 确 定 我 国 必 须 发 展 的 对 地 观 测 平 台 。 同 时 ， 考 虑 国 际 对 地 观 测 平 台 和 数 据 建 设 的 缺 失 ， 制 定 我 国 独 特 的 系 列 观 测 计 划 ， 弥 补 全 球 在 该 领 域 的 “ 数 据 ” 鸿 沟 （ 如时间 、 空间和精度等 ） 。 开 展 我 国 综 合 地 球 观 测 系 统 的 建 设 和 协 调 ， 根 据 我 国 对 地 观 测 卫 星 序 列 的 管 理 和 观 测 需 求 ， 增 强 发 展 国 家 基 础 设 施 ， 开 展 可 持 续 的 多 卫 星 系 统 的 协 调 应 用 体 系 的 建 设 ， 有 重 点 有 突 出 地 开 展 综 合 性 对 地观测业务系统的开发 。 随 着 大 数 据 时 代 的 到 来 ， 应 重 视 空 间 大 数 据 的 研 究 ， 特 别 是 要 重 视 空 间 数 据 密 集 型 科 学 研 究 。 为 此 ， 需 进 一 步 加 强 我 国 未 来 空 间 对 地 观 测 发 展 的 一 体 化 管 理 ， 提 高 顶 层 设 计 能 力 和 水 平 ， 进 一 步 促 进 国 家 对 地 观 测 资 源 和 数 据 的 共 享 ， 减 少 重 复 建 设 ， 避 免 针 对 相 同 科 学 需 求 的 同 性 能 的 卫 星 重 复 发 射 ， 提 高 对 地 观 测 的 服 务 效 率 。 应 从 社 会 应 用 和 受 益 需 求 出 发 ， 建 立 我 国 空 间 对 地 观 测 应 用 和 受 惠 领 域 体 系 ， 满 足 我 国 科 学 、 社 会 发 展 的 现 实 需 求 。 同 时 ， 通 过 统 筹 协 调 不 同 机 构 与 部 门 已 有 的 对 地 观 测 资 源 ， 依 据 我 国 对 地 观 测 优 先 服 务 领 域 ， 加 强 机 载 和 星 载 传 感 器 的 连 续 性 研 制 ， 制 定 系 统 的 国 家 对 地 观 测计划 。 未 来 人 类 社 会 的 全 球 化 进 程 将 不 断 加 快 ， 环 境 、 资 源 等 问 题 也 逐 渐 由 区 域 性 问 题 发 展 成 为 全 球 性 问 题 。 我 国 未 来 空 间 对 地 观 测 的 发 展 需 要 面 向 人 类 社 会 可 持 续 发 展 的 重 大 问 题 ， 在 进 一 步 重 视 发 展 业 务 卫 星 的 同 时 ， 重 视 发 展 具 有 全 球 数 据 快 速 重 复 获 取 能 力 的 全 球 变 化 科 学 卫 星 计 划 ， 在 满 足 我 国 全 球 化 时 代 的 战 略 需 求 的 同 时 ， 使 我 国 能 够 更 好 地 承担应对人类可持续发展 危机的国际责任 。 6 结语 空 间 对 地 观 测 技 术 可 以 帮 助 人 类 更 为 全 面 地 认 识 地 球 的 物 理 、 化 学 和 生 物 系 统 的 变 化 规 律 。 研 究 空 间 对 地 观 测 技 术 的 发 展 历 程 ， 分 析 对 空 间 的 观 测 技 术 的 能 力 ， 可 以 帮 助 我 们 更 好