光明/视觉中国

2021年，航空遥感系统通过国家验收，可以全天时高精度观测地球。新华社

2021年11月，中国成功发射02组遥感卫星32号.新华社

由高分一号数据合成的黄河口真彩色卫星图像。资料图片

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日前，大地探测一号01 B组卫星发射成功。AB双星编队将在地质灾害、土地调查、基础测绘、防灾减灾等方面大显身手。他们应用的技术是遥感。现在大家对“遥感”都很熟悉。——遥感是指一种非接触、远距离的探测技术。一般是指通过遥感器检测物体的电磁辐射和反射特性，从而利用这种非接触的方式感知物体的各种特性。那么，遥感技术发明以来发生了哪些变化？有哪些很有前途的未来？

遥感技术的“高”在哪里？

高分一《一目了然》，800公里。

我们今天说的遥感，一般是指在飞机、卫星等离地球表面一定高度的平台上，利用遥感器观测地球表面的活动。当然，利用无线传感器观测地球表面，利用探地雷达或其他穿透式遥感器观测地球表面，也被认为是广义的遥感范畴。

对于大众来说，最熟悉、发展最早的遥感是从卫星平台上观测地球表面，这也是20世纪末科技发展最快的领域之一。卫星遥感能够频繁、持续地提供地表信息，具有宏观、动态、准确监测地表环境变化的特点。一般来说，遥感技术包括卫星遥感有以下优点：

首先，进行大范围的观察。遥感的航拍飞机飞行高度在10公里左右，陆地观测卫星的轨道高度一般在600-800公里左右。比如高分一号卫星在中国的覆盖范围可以达到800公里，大约相当于北京到安徽淮北的距离。这种感知就是古人的人类视觉中的视野与距离的关系“但你上一层楼梯，就把视野开阔了三百里”。

其次，获取信息的速度快，周期短，地面限制少。尤其是通过卫星网络观测或大范围相机观测，同一区域甚至可以在一天内观测多次。对于由于自然条件恶劣或边境限制，地面无法到达的地区，也可以利用卫星遥感方便及时地获取地面信息。

第三，获取信息的途径多，信息量大。根据不同的目的，可以选择不同波段、不同探测方法的遥感器来获取信息。比如可见光可以用来探测物体的表面形状、颜色等信息，红外也可以用来探测物体的温度信息，不同的波段可以用来获取物体的内部信息。

人类80%的信息需求与地理位置有关。随着全球资源和环境问题的日益严重，遥感的宏观性、动态性和准确性等特点在国民经济、社会发展和国防安全中发挥着越来越重要的作用。地球观测组织(GEO)确定的遥感九大应用领域涵盖灾害、健康、能源、气候、水、天气、生态系统、农业、生物多样性等。甚至涉及到人类生活的方方面面。

为什么需要定量遥感？

从“看”到“看”

人认识事物，总是先看到表象，再涉及本质。尤其是自然科学研究，观察-总结-归纳-演绎推理-论证是一般的研究逻辑。研究者更注重用数学建立自然界中研究对象之间的映射关系，从而用数学方法解释自然规律，并进一步预测。因此，与定性描述相比

自20世纪70年代以来，卫星遥感主要采用垂直观测模式获取地球表面的二维信息。获得的数据基于地面目标漫反射的假设，经过一些简单的校正后，利用地面目标的光谱特征进行地表分类或经验解释。遥感早期的应用更多的是基于定性的描述，也就是说，可以通过地物的颜色、纹理、形状、大小等视觉元素来推断和应用地物的各种属性。然而，随着需求的发展，定性遥感越来越难以满足科研和应用的需求。

例如，卫星遥感可以通过云图直观地显示各种气团的移动趋势，但中长期天气预报的准确率仍不尽如人意。其中一个主要原因是，在大气动力学模式中，需要知道大气下垫面反照率、气流粗糙度等影响地面和大气温度的定量信息。定性分析显然不能满足这种需求。

自然，人们开始把研究的重点放在利用遥感手段获取更多的地物定量信息上，期望定量遥感能够承载更多的应用需求。

那么，什么是定量遥感呢？与定性遥感相对应，定量遥感是从地物反射或发射的电磁辐射推断出地物某些特征的定量描述的手段。一般来说，是在遥感获得的各种电磁辐射信号的基础上，通过数学或物理模型将遥感信息与观测到的地表目标联系起来，定量反演或计算目标的各种自然属性信息。

定量遥感的优势在哪里？我们以全球气候变化研究为例。在全球气候变化的研究中，定量遥感数据产品发挥着至关重要的作用。它们不仅可以作为输入参数集驱动数值过程模型运行，评估和验证其模拟结果，还可以通过适时的输入更新结合数据同化确定过程模型的某些状态变量或参数，并以不同时空尺度的碳、水、氮通量模拟精度进行预测提高。在行业部门的各种业务应用中，各种考核对量化指标的强烈需求也对遥感的量化提出了更高的要求。

定量遥感的难点在哪里？

模型构建和参数反演都是难点。

如上所述，遥感的应用水平应该是提高，定量遥感是必由之路。

但是，定量遥感很难做到准确。其精度主要取决于正演模型的构建和参数反演。

什么是正向建模？要明白这个道理，我们先来看明代罗贯中的一首诗：“斜阳照桃花坞，柳红”。李小文院士曾经解释过，柳絮明显是白色的。为什么诗人观察到柳絮是红色的？这可能是三个原因造成的：一是太阳的照射量和观察角度的关系。由于夕阳的原因，太阳光通过大气的光程较长，短波段散射严重，导致直射光变红。其次反映地表参数特征：桃花坞的桃花在燃烧，形成红色下垫面，产生红色反射光。再次体现了气溶胶的特点：柳絮本身是全光谱反射，此时反射出夕阳红和桃花红，所以柳絮变成了片片红。

在构建正演模型时，我们要将信号的光谱、像素对应的空间范围、成像时间、太阳照射与观测的角度关系、偏振特性以及描述大气特性和地表特性的参数集综合成一个数学表达式，来描述遥感器接收到的辐射信号。

建模是定量遥感反演的前提和基础。然而，电磁辐射穿过大气和植被的遥感成像过程的复杂性

反演过程是建模的逆过程，即通过遥感观测到的电磁辐射信号来估计大气或陆面特征参数集的过程。理论上，我们感兴趣的地表特征的定量信息可以通过多次观测解方程获得。但是“理想很丰满，现实很骨感”，表面太复杂，遥感观测总是有限的3354。这就像盲人摸象，很多信息是有限的，孤立的。为了获得准确的认知，需要对获得的信息进行融合、积累和综合。我们一直在努力寻找更好的解决问题的方法，比如利用先验知识、时空约束、多阶段反演、优化反演等等。涉及到很多专业知识和数学内容，这里就不赘述了。

我国的定量遥感水平如何？

保持国际领先，未来还是要加油的。

我国定量遥感研究起步于上世纪90年代，在李小文院士等资深科学家的推动下，一直处于世界领先地位。随着中国航天事业的蓬勃发展，工业部门对遥感需求的不断增加，以及遥感科学家对学科发展的不断推动，中国必将稳步从定量遥感大国向强国迈进。

那么，中国定量遥感研究会未来将如何发展？笔者认为可以重点关注以下几个方面：

更加重视科学目标明确的中国自主卫星计划的提出。目前国产卫星还在模仿跟进的道路上，从卫星观测模式、有效载荷设置、有效载荷成像(观测)系统等方面都还有大量模仿的痕迹。当然，对于业务卫星来说，这意味着更加稳定、可靠和可重复使用的数据。但对于科学研究来说，意味着更少的新观测数据。应更多地支持由科学家和有具体科学问题的用户推动的卫星计划，如CASEarth、高芬5号(部分载荷)、碳卫星和水卫星。

同时，应更加重视国内卫星数据产品向国际用户开放。经过有效载荷研制、地面验证、国产卫星通用产品生产的共同努力，国产卫星数据量化产品质量稳步提升，更需要向国际用户开放。这不仅是中国科技自信的表现，也是通过吸引更多国际用户使用产品来提升中国遥感卫星产品国际影响力的具体途径。

此外，还要注意数量倒置的“两端”。地表辐射的正演模型是定量遥感反演的基础。中国研究人员在地表辐射正演模型的改进、集成和应用方面处于世界前列。复杂场景的正演模型、新的成像系统和新的遥感模式需要研究人员的共同努力。定量遥感反演产品是直接面向科学家和行业用户的服务。与其他市场化的产品和服务一样，需要同步提供产品质量、产品说明、对用户的技术支持、产品的不确定性和区域适用性，让各类用户获得更好的用户体验。

(作者：章昊，中国科学院航天信息创新研究所遥感科学国家重点实验室副研究员)