今年4月22日是第51个世界地球日，本次世界地球日的宣传主题是“珍爱地球人与自然和谐共生”。现在就让我们一起来了解一下对地观测技术及其相关的空间地球科学是如何帮助我们认识地球的吧！

▲我们赖以生存的家园——蓝色星球

空间地球科学的产生与发展

神秘辽阔的青藏高原一直是科研人员们热衷的科考圣地。然而，其复杂高寒的地理及气候环境，也常常令科考之路充满艰险。是否有一天，科研人员们不需要手脚并用地在青藏高原上攀爬，甚至不用去那里就能完成科考工作？这并非不切实际的幻想，空间地球科学家们正努力利用空间观测手段让这一梦想变为现实。

空间地球科学是利用空间观测手段，研究地球系统各子系统间相互作用与过程以及如何发展演化的一门综合交叉学科。空间对地观测技术和地球系统的发展演化是空间地球科学方向的核心研究内容。

▲空间地球科学

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中科院院士徐冠华说：“空间地球科学开拓人类深刻研究地球的新途径和新视野，是对传统研究方法的革命性变革。它使地球科学的研究从局部拓展到全球和整体；从静态扩大到动态；从陆地、海洋、对流层延伸到平流层以上的空间，不断扩展着人类的知识领域。”

▲徐冠华院士

如今，人们已经认识到，地球系统是一个复杂的、不断变化的系统。随着地球科学研究的深入，越来越需要空间科学和技术的广泛参与。

徐冠华指出：“针对地球系统科学研究中基本的前沿科学问题，包括地球系统如何变化、地球系统变化的主要原因是什么、对全球变化的适应过程和社会可持续发展、未来地球系统如何变化等，空间地球科学能够利用其空间观测范围广、要素全、时效长等特点，为地球系统科学研究提供了新思路、新手段。”

年，科学家就曾利用星载紫外探测器在地球极区大气层发现臭氧洞，从大气化学角度阐明了氯氟烃对臭氧层形成、分解的作用及机理。在我国，近年来空间科学也在科学研究中发挥着越来越重要的作用。例如，随着中科院空间科学战略性先导科技专项的开展，科研人员们借助“悟空”“墨子号”等一系列科学卫星，在暗物质、量子通信等科学研究领域接连取得重大突破。

▲“墨子号”科学卫星

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空间地球科学新技术、新方法和空间探测技术的发展，为地球科学各分支学科的研究提供了不可缺失的大范围基础信息，也有许多新发现。如通过海洋拓扑高度精细测量反演出全球洋流，并加深了对海洋动力学的认识等。

空间地球科学通过不断深化科学需求对工程技术提出新要求，推动了航天技术、工程技术领域包括光学、精密机械、电子信息、材料科学、加工工艺学等学科发展和高技术进步。与此同时，空间地球科学又反过来从上述学科的发展中获益。

接下来，就让我们一起来了解一下支撑空间地球科学发展的核心技术——对地观测技术。对地观测技术是什么？对地观测技术主要指卫星通信技术、空间定位技术、遥感技术和地理信息系统等技术，这些技术的集成将使人类源源不断地、快速地获取地球表面地物随时间变化的几何和物理信息，了解地球上各种现象及其变化，从而指导人们合理地利用和开发资源，有效地保护和改善环境，积极地防治和抵御各种自然灾害，不断地改善人类生存和生活的环境质量，以达到经济腾飞和社会可持续发展的双重目的。

▲对地观测技术

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对地观测技术的主要应用●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、雪水当量判断、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、外来物种入侵监测、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。▲澳大利亚森林大火遥感监测

中国科学院空天信息创新研究所●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(BDS)，其它系统仅仅是作为区域系统或广域增强系统，例如日本的多功能卫星星基增强系统（MSAS）和准天顶卫星导航系统(QZSS)，印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统(GAGAN)和印度区域导航卫星系统（IRNSS）等。

▲多变的地球（真实形态、地表温度、极地冰层厚度）

ESA网站●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。对地观测平台与手段对地观测卫星

对地观测卫星是在空间对地球及其大气层进行观测的人造地球卫星。由于视角高、观测范围广，对地观测卫星能有效获得地球表面、大气云层、海洋环境、植被覆盖、人类活动等多种信息。

▲对地观测卫星编队（TheA-Train）像列车高速飞过赤道，科学家了解地球气候变化的最有力的工具之一。

国防科技信息网自对地观测卫星诞生以来，人类对地球的认识和理解能力大幅增强。对地观测卫星在农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事和环保等领域应用广泛，对于统筹规划国土资源、国防安全与现代化战争、保证国家经济发展等方面也具有极为重要的意义。

▲对地观测卫星的分类

卫星与网络

对地观测卫星观测范围广、生存能力强、能够长期稳定运行，能够完成其他传统观测手段难以完成的任务。各国航天发展均将对地观测卫星作为重点。

▲阿尔及利亚卫星Alsat-2

卫星与网络

年8月10日，我国在太原卫星发射中心发射了高分三号卫星。这是我国首颗分辨率达到1m的C频段多极化合成孔径雷达成像卫星。高分三号卫星幅宽从10km到km，细看能到一间房子，远看能到一个省的全貌。

▲高分三号卫星获得的首都机场影像

卫星与网络

今年2月20日，中国航天科技集团有限公司研制的长征二号丁运载火箭刺破黎明前的暗夜跃入苍穹，以一箭四星的方式再次成功将新型对地观测技术试验卫星送入预定轨道。此次搭载的新技术试验卫星C/D/E/F，用于在轨开展星间链路组网及新型对地观测技术试验。

▲2月20日，我国新型对地观测技术试验卫星长征二号丁运载火箭以”一箭四星“发射

中国航天科技集团

目前，全球共有超过颗对地观测卫星在轨运行。雷达成像卫星也逐步成为各国竞相发展的热点。因为雷达卫星具有穿透云雾，甚至部分植被和土壤的能力，具有全天候、全天时观测能力，并能通过多频、多极化、多入射角等手段提高对目标的识别能力，可以弥补光学卫星的不足。

▲南极大陆冰原上的一座火山

雷达与探测

为了能够全面观测地球，美欧等国家和地区正在建立以地球观测系统（EOS）和全球环境与安全监测系统（GMES）为代表的天、空、地一体化的综合对地观测系统，它能联合各自分散的遥感力量，构建全面的、协调的、可持续的综合对地观测系统，并提供运营服务，实现最佳应用效益。

▲EOS系统中使用的地球观测-1卫星

卫星与网络

对地观测遥感器

地球上各种资源的信息看不见、摸不着，卫星是如何获取它们的？对地观测卫星通常由卫星平台、遥感器、信息处理设备和信息传输设备组成。根据不同的探测目的，对地观测卫星上装有可见光遥感器、红外遥感器、微波遥感器和多光谱遥感器等不同波长的遥感器。对地观测卫星收集地球大气、陆地和海洋等观测目标辐射、反射或散射的电磁波信息并记录，由信息传输设备发送回地面进行处理和加工就可以获取相应的信息。

▲遥感器的分类

卫星与网络

▲雷达卫星是载有合成孔径雷达（SAR）

网络

大数据与人工智能技术遥感卫星的快速增长，分辨率的提高，数据下行能力的增强，海量多源的遥感数据将继续呈现出爆发式增长的趋势。◆在轨智能支持：智能遥感卫星通过大数据平台获取任务信息，并依据任务信息下载任务所需的应用、数据、模型算法等。在任务过程中，可以根据具体的任务情况从空间大数据库不断更新的数据支持，并且可以在任务考察后自主下载学习模型提高任务完成的智能程度。◆深度数据挖掘：基于大数据的技术，可以从海量的时空数据中挖掘隐含的空间信息知识以及信息提取模式的提取，并最终基于大数据技术形成更为准确的全球多源信息检测与统计，并广泛服务于从期货、保险到农林牧渔以及一切与空间信息相关的几乎所有行业领域。◆数据智能治理：遥感大数据是异构数据，很多信息是不统一、不完整的。面对其中数据的属性互不相同的难点，相关技术可以解决数据全要素多维自主高效关联的问题，使这些数据清理成为支持智能提取的数据。以下展示三个与该技术相关的实例：

吉林一号在轨智能处理

吉林一号光卫星的在轨智能处理终端具有森林火点和海面船舶的自动识别、搜寻和定位功能，在智能处理功能开启的条件下，用户无须经历传统的“上注任务、卫星成像、接收图像、图像处理、信息分析”的漫长过程（传统的这个过程往往需要数小时），即可直接通过移动终端准实时地接收快讯，其中包含有“成像时刻，目标经纬度，目标大小，目标属性、速度及方向……”等高价值信息，从而极大地提升了信息获取的时效性。

▲森林火点试验事后验证图像

长光卫星

Protogen算法

DigitalGlobe开发了名为Protogen（PROTOcolGENerator的缩写）的图像分析与处理算法，用在其公司的地面GBDX系统中，用于对卫星图像数据进行分析处理。该算法使用了层次化图像表示结构（称为“树”结构）实现对图像的访问、检索以及信息组织。该算法可通过识别卫星图像中的油桶，实现对石油储量的估计。

一般来讲，开采出的石油存储在圆形油桶中。基于其外观特征，圆形油桶具有很高的视觉识别度，它们一般很大，看起来像是一个明亮的圆盘。在Protogen算法中，通过确定目标的大小以及形状参数，即可对卫星图像中的油桶进行识别。

▲DigitalGlobe公司的Protogen算法从卫星图像中识别油桶结果

高分辨率对地观测学术年会

“地理可视化检索”的搜索引擎

美国笛卡尔实验室设计了名为“地理可视化检索”的搜索引擎，能够处理卫星图像和航空图像，帮助用户识别全球范围内相似的图像。例如，点击样例图像中的某个部分，例如沙滩，全球沙滩即可展现出来，可统计数量、位置等信息，还可以搜索油库、机场等，在军民领域应用前景不可估量。

▲笛卡尔实验室设计了名为“地理可视化检索的搜索引擎

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来源：慧天地、测绘学报、卫星与网络、GIS圈、长光卫星

国防科技信息网、中国航天科技集团、GeoTalks

编辑：陈戴荣

初审：陈楚

审核：惠凤鸣

终审：许粤

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