水下三維動力場/生物場/地形透視觀測 圖片由作者提供

水下三維動力場/生物場/地形透視觀測 圖片由作者提供

隨著理念的演進(jìn)和科技的發(fā)展，對地球系統(tǒng)的觀測正從看清地球的樣貌深入拓展到探測地球圈層的內(nèi)在。“透視地球”基于多種對地觀測手段對大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈等地球空間物理要素、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演變過程進(jìn)行精細(xì)、綜合探測，而獲取地球各圈層更“精確”、更“深層”的信息，成為新一代對地觀測技術(shù)發(fā)展的積極探索和重要方向。

為何要“透視”地球

地球系統(tǒng)是由大氣圈、生物圈、水圈（包括冰凍圈）和巖石圈等組成的復(fù)雜的巨系統(tǒng)。在地球系統(tǒng)科學(xué)理念不斷演進(jìn)和新技術(shù)加快發(fā)展的新時代，科學(xué)家們已不滿足于只看清地球的樣貌，而是希望深入拓展到探測、分析、認(rèn)知地球圈層的內(nèi)在。探索地球系統(tǒng)內(nèi)部的奧秘，是解決人類資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展問題的必然選擇。

然而，人類對地球自身的探測仍然非常初步。世界主要國家都已經(jīng)將地球圈層內(nèi)部探測列入推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的國家科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略，爭相部署大深度、高性能的主被動探測載荷及相關(guān)應(yīng)用研究計劃。例如從20世紀(jì)70年代開始，美國率先實(shí)施的“大陸反射地震探測計劃”，美國國家科學(xué)基金會、美國地質(zhì)調(diào)查局和美國國家航空航天局聯(lián)合發(fā)起的“地球透鏡計劃”，澳大利亞提出的“玻璃地球”計劃等。我國也設(shè)立了《深部探測技術(shù)與實(shí)驗研究》計劃，用來研究并實(shí)驗地殼與地幔深部探測的一系列技術(shù)方法。這些計劃的實(shí)施多采取以發(fā)展固體地球深部探測技術(shù)與裝備系統(tǒng)結(jié)合三維地質(zhì)填圖的方式，加速了人類對地球深部的認(rèn)識和理解，但對地球系統(tǒng)各個圈層的精細(xì)探測和過程演變分析仍然不夠系統(tǒng)和深入。

對地觀測技術(shù)作為對現(xiàn)代社會最具影響的科技之一，呈現(xiàn)透明化、立體化、一體化、動態(tài)化、精細(xì)化的發(fā)展特征。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和機(jī)器學(xué)習(xí)等加速技術(shù)變革，對地球系統(tǒng)的立體探測、持續(xù)觀測、智能監(jiān)測不斷深入。比如，美國國家航空航天局于2021年5月正式公布建立地球系統(tǒng)觀測平臺計劃；歐洲航天局發(fā)射了人類首個研究高層大氣風(fēng)的衛(wèi)星“風(fēng)神”，通過采用紫外激光器精確探測從地球表面到平流層的風(fēng)速和風(fēng)向等。近年來，我國在對地觀測技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展，已通過“高分”專項和國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)實(shí)施，構(gòu)建了從全色、多光譜到高光譜，從光學(xué)到微波雷達(dá)的天地一體化對地觀測系統(tǒng)，初步形成高時間、高空間分辨率的寬幅觀測能力。

整體而言，國內(nèi)外對地觀測系統(tǒng)已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模，但現(xiàn)階段獲取的地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)以平面化為主，在密度、維度、尺度上已難以滿足當(dāng)前地球系統(tǒng)科學(xué)重大前沿問題研究和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對高質(zhì)量數(shù)據(jù)的需求。通過一系列新型“透視技術(shù)”獲取地球各圈層更精確、更深層的信息，可以更全面、更深入地了解地球系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，從而推動地球系統(tǒng)重大科學(xué)問題的突破，提升人類進(jìn)行資源探測、預(yù)測應(yīng)對極端天氣事件及全球環(huán)境變化的能力。

什么是“透視地球”？

“透視地球”瞄準(zhǔn)地球系統(tǒng)圈層“看不見”的內(nèi)部信息感知，利用電磁、微波、激光和重力等穿透性、多維度、高密度的新型透視遙感探測前沿技術(shù)，基于天基、空基、陸基等觀測平臺，對大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈等地球空間物理要素、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演變過程進(jìn)行精細(xì)、綜合探測，是新一代對地觀測技術(shù)發(fā)展的重要方向，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、資源環(huán)境合理利用、糧食安全、海洋權(quán)益保護(hù)等提供基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性的信息資源保障。

當(dāng)前，人類對地球系統(tǒng)的探索正在發(fā)生重大轉(zhuǎn)移，從表層到內(nèi)部，從局部走向整體，新時代的“地球系統(tǒng)”理論知識和方法技術(shù)體系對遙感觀測提出了新的要求。透視地球的核心基礎(chǔ)是發(fā)展穿透性、新體制的先進(jìn)遙感技術(shù)，探測技術(shù)的觀測維度從二維拓展到三維，探測通道涵蓋紫外到毫米波，通過天—臨—空—地—海多基協(xié)同、多譜段耦合、多數(shù)據(jù)集成，將實(shí)現(xiàn)圈層多物理量動態(tài)化、立體化、全息化的透視觀測信息獲取，促生新的地球系統(tǒng)科學(xué)知識，有望成為下一代對地觀測技術(shù)體系的制高點(diǎn)。

針對大氣、海洋、植被和固體地球觀測等領(lǐng)域的任務(wù)和探測目標(biāo)，以透視視角開展空間對地觀測/探測新原理、地球系統(tǒng)參量反演新理論、定量應(yīng)用新方法研究，構(gòu)建精細(xì)分辨率、全天候、高可靠性的新一代地球系統(tǒng)空間觀測技術(shù)體系，主要分為大氣圈層透視、森林透視、固定地球透視和海洋透視4個重點(diǎn)領(lǐng)域。

大氣圈層透視主要利用全譜段、主被動協(xié)同、星—機(jī)—地聯(lián)合的觀測手段，實(shí)現(xiàn)對大氣中“氣象—輻射—成分”關(guān)鍵要素的三維立體觀測。目前國際上的大氣透視技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對晴空和云雨條件下大氣的全球性、高時空分辨率的觀測，為數(shù)值預(yù)報提供了大量可靠的觀測信息。國際上已經(jīng)發(fā)射了TRMM-PR單頻降水雷達(dá)、Cloudsat-CPR單頻云廓線雷達(dá)以雙頻降水雷達(dá)，中國在星載云、降雨透視探測雷達(dá)研制和應(yīng)用方面也快速發(fā)展。但現(xiàn)有在軌運(yùn)行的雷達(dá)頻率較低，僅對尺度較大降水粒子比較敏感，難以同步獲取準(zhǔn)確的云垂直結(jié)構(gòu)信息，無法為云、降雨演變過程機(jī)理的研究提供足夠的精細(xì)觀測資料，限制了云降雨研究的發(fā)展。

森林透視技術(shù)主要通過綜合利用多種遙感技術(shù)手段，以獲取森林的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。目前美國和歐洲對地觀測戰(zhàn)略規(guī)劃均將碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)觀測作為主要觀測目標(biāo)之一，明確規(guī)劃了激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)、光學(xué)相結(jié)合的森林監(jiān)測體系。如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形條件下森林三維結(jié)構(gòu)的觀測，是森林遙感的前沿與難點(diǎn)。綜合利用多頻雷達(dá)干涉、激光雷達(dá)和光學(xué)多角度立體觀測等手段，從波段、極化、時相、基線等不同維度，探索多維度森林空間結(jié)構(gòu)遙感探測機(jī)理模型，形成多波段一體化森林空間結(jié)構(gòu)遙感理論與方法，以實(shí)現(xiàn)森林植被結(jié)構(gòu)透視、森林組分透視和森林生化參數(shù)透視。

固體地球透視探測主要利用多場量、主被動協(xié)同、星—空—地聯(lián)合觀測方案，獲取重力、磁力、電磁等地球物理場，對巖石圈進(jìn)行穿透性、大深度、多場量特征綜合分析，“揭開”地表覆蓋層，研究與刻畫地球內(nèi)部的物理性質(zhì)、巖性和構(gòu)造特征，探測與識別地下目標(biāo)體，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)立體三維數(shù)據(jù)獲取，為解決人類社會生存發(fā)展至關(guān)重要的資源、環(huán)境等問題提供出路。當(dāng)前，在傳統(tǒng)電磁裝備技術(shù)及基于航空航天的地球物理探測裝備技術(shù)方面，我國對巖石圈內(nèi)部參數(shù)獲取能力還存在一定的差距。未來，突破新型小型化、高靈敏度的地球物理核心傳感器，開展大深度、高效率和高精度的固體地球透視技術(shù)系統(tǒng)研制，對觀察、分析和捕捉巖石圈頻繁的地質(zhì)活動和地質(zhì)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)立體三維數(shù)據(jù)獲取具有重大應(yīng)用價值。

海洋遙感通常采用可見光—紅外—微波等電磁波段對海洋表面開展遙感監(jiān)測，如何綜合利用遙感和水下現(xiàn)場觀測，實(shí)現(xiàn)對海水內(nèi)部信息的挖掘，從表層深度到次表層乃至中層和深層水體的透視探測，是當(dāng)前國際海洋遙感發(fā)展的大趨勢。我國海域遼闊，有豐富的海洋資源，亟須發(fā)展海洋內(nèi)部觀測技術(shù)，高精度描繪海洋生物量、海洋動力場、海底地形地貌、海底油氣礦藏等各種水下環(huán)境，支撐內(nèi)波、渦旋、鋒面、洋流與潮汐等各種海洋水下現(xiàn)象的高分辨預(yù)測預(yù)報。

怎樣“透視地球”

在地球系統(tǒng)科學(xué)理念持續(xù)深入和科技創(chuàng)新持續(xù)突破的大背景下，聚焦地球系統(tǒng)各圈層的內(nèi)部探測，對地觀測技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，成為推動地球科學(xué)發(fā)展的核心驅(qū)動力。多頻段雷達(dá)探測、多基線干涉雷達(dá)探測、磁力探測、重力探測、電磁探測、甚高頻微波探測、主被動微波探測、激光探測等新型載荷觀測能力的提高，觀測平臺載荷集成能力的提升以及綜合地球探測理論的發(fā)展，為地球系統(tǒng)多物理量的聯(lián)合探測、關(guān)聯(lián)建模與信息重構(gòu)提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

雷達(dá)降水探測技術(shù)。這是指通過發(fā)射雷達(dá)信號，并依據(jù)接收的降水的雷達(dá)回波強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對降水強(qiáng)度的三維空間分布結(jié)構(gòu)的探測。搭載降水雷達(dá)的平臺可分為地基、空基和星基。通過多頻段雷達(dá)組合，實(shí)現(xiàn)對云和降水的協(xié)同觀測，能夠提供更加精細(xì)的云和降水三維結(jié)構(gòu)透視數(shù)據(jù)，有利于更加清楚地理解云降水的演變過程，為降水預(yù)報的改進(jìn)提供支撐。

航空重力探測技術(shù)。這是通過航空平臺搭載重力儀和定位傳感器組合系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)重力測量，獲取地下目標(biāo)體密度差異引起的微弱重力異常信號。這些異常信號可以揭示地殼厚度變化、斷裂帶位置和延伸情況，探測密度差異顯著的隱伏巖體或巖層。新的航空重力矢量測量系統(tǒng)可以獲取水平重力分量信息，進(jìn)一步確定目標(biāo)體形狀走向，用于精細(xì)的地質(zhì)構(gòu)造研究和高精度資源勘探。

電磁探測技術(shù)。航空電磁探測是一種利用航空平臺搭載電磁探測設(shè)備進(jìn)行地下介質(zhì)探測的技術(shù)。通過剔除噪聲，獲取地下目標(biāo)體引起的電磁場異常響應(yīng)，從而建立地下由淺至深電阻率透視模型。目前，航空電磁探測廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、油氣資源評價、海洋地質(zhì)調(diào)查、地下水勘查、工程地質(zhì)和環(huán)境調(diào)查、海洋地形與極地海冰探測、軍事與國防等領(lǐng)域。這種技術(shù)在快速獲取大范圍地下信息和探測復(fù)雜地質(zhì)條件下具有明顯的優(yōu)勢，對資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)具有重要的應(yīng)用價值。

冰凍圈主被動微波探測技術(shù)。這是根據(jù)不同波長微波對冰川、積雪、凍土的穿透差異性原理，基于星載或航空平臺搭載主動微波探冰雷達(dá)和被動微波輻射計，實(shí)現(xiàn)對南極或山地冰川內(nèi)部結(jié)構(gòu)、溫度/密度廓線、冰下基巖和水系、積雪雪水當(dāng)量、次表層土壤含水量等冰凍圈關(guān)鍵參數(shù)的高分辨率透視探測。

海洋水體剖面激光探測技術(shù)。激光作為一種高功率主動遙感器，是穿透水體最有效的探測手段之一。面向全球海洋的躍層時空結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律、初級生產(chǎn)力與碳循環(huán)和生命系統(tǒng)探測、海氣能量與物質(zhì)通量3大科學(xué)問題，利用藍(lán)綠波段強(qiáng)穿透能力，開展海洋剖面激光探測技術(shù)攻關(guān)，突破海洋動力熱力剖面激光探測、上層海洋生物光學(xué)剖面探測、激光高光譜多波長偏振顆粒物散射、�！�?dú)饨缑鎻?fù)雜參數(shù)激光探測等關(guān)鍵技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)全球海洋百米深度內(nèi)的生物光學(xué)參數(shù)的立體探測與高精度反演。

如今，我國科研人員依托國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“航空協(xié)同透視探測技術(shù)系統(tǒng)”“透視地球集成與應(yīng)用驗證技術(shù)”項目等，結(jié)合現(xiàn)有空基飛行平臺特點(diǎn)以及各圈層透視載荷能力，建立多型載荷與航空平臺矩陣關(guān)系，突破任務(wù)載荷一體化集成設(shè)計與測試，多機(jī)協(xié)同任務(wù)建模與飛行管控等技術(shù)，構(gòu)建透視地球原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多譜特征耦合與多維數(shù)據(jù)協(xié)同的航空透視探測系統(tǒng)集成。

云雨三維結(jié)構(gòu)精細(xì)透視的試驗、景觀尺度森林生物量估算試驗、戈壁荒漠覆蓋區(qū)巖性和構(gòu)造透視的試驗、巖溶地下河空間展布的探測試驗……為了評估透視地球原型系統(tǒng)的應(yīng)用效能，科研人員以云雨結(jié)構(gòu)、海洋動力與生物場、森林結(jié)構(gòu)、巖性構(gòu)造等為透視目標(biāo)，依托由中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院建設(shè)運(yùn)行的新舟60航空遙感平臺，有/無人多平臺及多載荷協(xié)同組網(wǎng)，構(gòu)建全譜系、多波段的“透視地球”空中實(shí)驗室，選擇典型示范區(qū)并顧及航空試驗飛行與地基參考真值測量條件約束，組織開展空基透視探測試驗，建立技術(shù)體系可用性分析和效能評估的指標(biāo)體系，驗證各圈層透視目標(biāo)的滿足程度。今年5月，項目團(tuán)隊將召開專題技術(shù)方案研討會，深化透視探測集成驗證方案，為巖溶區(qū)的水資源規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)提供技術(shù)支持。

“透視地球”是對地觀測技術(shù)新體系的嘗試和探索，在關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用創(chuàng)新和發(fā)展路徑等方面還有待不斷發(fā)展和持續(xù)完善。依靠探測機(jī)理、先進(jìn)載荷和數(shù)據(jù)應(yīng)用上的技術(shù)突破和加速變革，“透視地球”有望實(shí)現(xiàn)對地球圈層多物理量的動態(tài)、立體探測，生成全空間、高可信的透視數(shù)據(jù)資源，引領(lǐng)以圈層透視信息為核心的新一代地球科學(xué)知識體系的發(fā)展，并推動空天科技、深地深海等基礎(chǔ)核心領(lǐng)域的前沿創(chuàng)新，為人類的生產(chǎn)和生活提供智能化服務(wù)。

（作者：周翔 潘潔 吳一戎，分別系中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員；正高級工程師；中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院院長、中國科學(xué)院院士）

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