張兵

當(dāng)代遙感科技發(fā)展的現(xiàn)狀與未來展望

張兵

遙感顧名思義就是“遙遠(yuǎn)的感知”，通常是指在航天或航空平臺(tái)上對(duì)地球系統(tǒng)或其他天體進(jìn)行特定電磁波譜段的成像觀測(cè)，進(jìn)而獲取被觀測(cè)對(duì)象多方面特征信息的技術(shù)?，F(xiàn)代遙感技術(shù)起源于 20世紀(jì) 60年代，以數(shù)字化成像方式為特征，是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志，歷來被世界主要科技和經(jīng)濟(jì)大國(guó)所重視。長(zhǎng)期以來，美國(guó)始終是國(guó)際遙感科技發(fā)展的主要引領(lǐng)者之一，如美國(guó)的全球第一顆氣象衛(wèi)星（1961年）、第一顆陸地觀測(cè)衛(wèi)星（1972年）、第一顆海洋衛(wèi)星（1978年）等。中國(guó)政府也特別重視遙感科技的發(fā)展，尤其是20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)航天遙感事業(yè)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，風(fēng)云氣象衛(wèi)星（1988年以來）、資源系列衛(wèi)星（1999年以來）、環(huán)境減災(zāi)系列衛(wèi)星（2008年以來）、高分系列衛(wèi)星（2013年以來）、碳衛(wèi)星（2016年）等重要遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射，使我國(guó)也已躋身于世界遙感科技的前列。

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，遙感技術(shù)及多領(lǐng)域應(yīng)用已進(jìn)入新的階段。它不但可以被動(dòng)接收地物反射的自然光，還可以接收地物發(fā)射的長(zhǎng)波紅外輻射，并能夠利用合成孔徑雷達(dá)和激光雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射電磁波，實(shí)現(xiàn)全天候的對(duì)地觀測(cè)。遙感技術(shù)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生態(tài)保護(hù)和國(guó)防安全的關(guān)系也越來越緊密，比如土地資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)與作物估產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)報(bào)與災(zāi)情評(píng)估、海洋環(huán)境調(diào)查等，包括與日常生活息息相關(guān)的天氣預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、電子地圖與導(dǎo)航等活動(dòng)，遙感都發(fā)揮了重大作用。進(jìn)入21世紀(jì)，遙感科技已顯現(xiàn)出高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率的“三高”新特征，并開拓了更多的應(yīng)用新領(lǐng)域。為了更全面地掌握全球遙感科技的發(fā)展脈絡(luò)，本文對(duì)遙感成像技術(shù)和應(yīng)用的歷史、現(xiàn)狀和未來發(fā)展進(jìn)行了概要性論述。

1 高空間分辨率遙感

空間分辨率是指能夠被光學(xué)傳感器辨識(shí)的單一地物或 2個(gè)相鄰地物間的最小尺寸?？臻g分辨率越高，遙感圖像包含的地物形態(tài)信息就越豐富，能識(shí)別的目標(biāo)就越小。目前已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行的光學(xué)遙感衛(wèi)星的空間分辨率已經(jīng)達(dá)到“亞米級(jí)”，如 2016年發(fā)射的美國(guó)WorldView-4衛(wèi)星能夠提供0.3 m分辨率的高清晰地面圖像。近年來，隨著我國(guó)空間技術(shù)的快速發(fā)展，特別是高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)的實(shí)施，我國(guó)的衛(wèi)星遙感技術(shù)也邁入了亞米級(jí)時(shí)代，高分 2號(hào)衛(wèi)星（GF-2）全色譜段星下點(diǎn)空間分辨率達(dá)到0.8 m。

與中低空間分辨率遙感衛(wèi)星相比，新型高分辨遙感衛(wèi)星的成像傳感器（如CCD、CMOS等）受光元件越來越小，時(shí)間延遲積分（TDI）級(jí)數(shù)越來越高，衛(wèi)星平臺(tái)的通信能力、機(jī)動(dòng)能力、指向穩(wěn)定性等也越來越好。但是，高空間分辨率遙感受傳感器技術(shù)限制，其幅寬一般較窄，衛(wèi)星重訪周期也相對(duì)較長(zhǎng)，可以利用單星側(cè)擺或星座組網(wǎng)等方式進(jìn)行改善。

高空間分辨率圖像（簡(jiǎn)稱“高分圖像”）包含了地物豐富的紋理、形狀、結(jié)構(gòu)、鄰域關(guān)系等信息，可主要應(yīng)用于地物分類、目標(biāo)提取與識(shí)別、變化檢測(cè)等?；诟叻謭D像，可以充分提取圖像地物的上下文語義信息，將圖像分類從像元級(jí)提高到對(duì)象級(jí)。比如，自適應(yīng)馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型或者 GIS輔助遙感圖像分類都是充分利用精細(xì)的空間信息結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜分類結(jié)果的重定義，提高圖像分類精度。此外，稀疏表示和深度學(xué)習(xí)方法在高分圖像分析中的應(yīng)用研究也非?；钴S。稀疏表示理論能夠從復(fù)雜龐大的數(shù)據(jù)中分離出影像的主要特征，深度學(xué)習(xí)方法則通過對(duì)深層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練提取圖像所具有的深層次的結(jié)構(gòu)特征。高分圖像的變化檢測(cè)可以采用基于對(duì)象的方法，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆指钏惴ɑ蚰繕?biāo)提取算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地物覆蓋類型（如建筑物、水體等）或目標(biāo)（如車輛、艦船等）的變化分析。

當(dāng)前，商業(yè)化高分圖像的多領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展迅速。在農(nóng)業(yè)方面，法國(guó)SPOT-52.5 m融合圖像已經(jīng)被應(yīng)用于農(nóng)作物種植面積的小區(qū)域精細(xì)抽樣調(diào)查，基于空間排列結(jié)構(gòu)特征分析，可以實(shí)現(xiàn)人工種植園中冬小麥、水稻和棉花等種植區(qū)域的提取。城市規(guī)劃管理方面，GF-2圖像可準(zhǔn)確地識(shí)別城市街道、行道綠地、公園、建筑物、甚至車輛數(shù)量信息。海岸帶調(diào)查方面，應(yīng)用美國(guó)WorldView-2高分?jǐn)?shù)據(jù)大幅提高了海岸線提取的精度，實(shí)現(xiàn)了圍填海狀況監(jiān)測(cè)。在災(zāi)情評(píng)估方面，高分圖像可以實(shí)現(xiàn)滑坡和洪水淹沒區(qū)快速提取、建筑物毀壞等監(jiān)測(cè)，還可利用如美國(guó) IKONOS高分影像生成立體像對(duì)地震災(zāi)害前后房屋做精準(zhǔn)的損毀狀況評(píng)估。在軍事國(guó)防方面，高分圖像可以精確識(shí)別敵方的人員與裝備，包括裝備的型號(hào)、數(shù)量、調(diào)動(dòng)等重要信息。

2 高光譜分辨率遙感

起源于 20世紀(jì) 80年代的高光譜分辨率遙感又稱為高光譜遙感（Hyperspectral Remote Sensing），它利用成像光譜儀在連續(xù)的幾十個(gè)甚至幾百個(gè)光譜通道獲取地物輻射信息，在取得地物空間圖像同時(shí)，每個(gè)像元都能夠得到一條包含地物診斷性光譜特征的連續(xù)光譜曲線。

世界上第一臺(tái)成像光譜儀AIS-1于 1983年在美國(guó)研制成功。1987年，美國(guó)又推出了第二代高光譜成像儀 AVIRIS，并持續(xù)不斷更新?lián)Q代，已成為美國(guó)航空航天高光譜遙感科技發(fā)展的孵化器。此后，許多國(guó)家先后研制了多種類型航空成像光譜儀，如加拿大的CASI、德國(guó)的ROSIS、澳大利亞的HyMap等。在經(jīng)過航空試驗(yàn)和成功應(yīng)用之后，1999年底美國(guó)新千年計(jì)劃 EO-1衛(wèi)星搭載了具有200多個(gè)波段的Hyperion航天成像光譜儀，正式開啟了航天高光譜遙感時(shí)代。我國(guó)高光譜遙感科技發(fā)展幾乎與美國(guó)同步，1989年中國(guó)科學(xué)院研制了我國(guó)第一臺(tái)模塊化航空成像光譜儀（MAIS），并在20世紀(jì) 90年代又陸續(xù)研發(fā)了推帚式成像光譜儀（PHI）、新型模塊化成像光譜儀（OMIS）、輕型高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀（LASIS）等。2002年“神舟三號(hào)”搭載了我國(guó)第一臺(tái)航天成像光譜儀，此后我國(guó)發(fā)射的“嫦娥-1”探月衛(wèi)星、環(huán)境與減災(zāi)小衛(wèi)星（HJ-1）星座、風(fēng)云氣象衛(wèi)星、GF-5衛(wèi)星等也都搭載了航天成像光譜儀。

高光譜遙感突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)使其在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。比如通過對(duì)礦物元素的診斷性光譜特征分析，高光譜遙感能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦物成分及其豐度進(jìn)行精確識(shí)別和填圖；在植被研究方面，通過高光譜數(shù)據(jù)能夠反演植被物理和化學(xué)參數(shù)，進(jìn)行作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、品質(zhì)評(píng)估等；在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面，通過對(duì)水中葉綠素、黃色物質(zhì)、懸浮物等成分的光譜反演，可以掌握水華爆發(fā)、黑臭水體分布以及污染來源等；高光譜遙感技術(shù)從其起步就被賦予了強(qiáng)烈的軍事應(yīng)用色彩，在軍事目標(biāo)偵察、陣地與裝備偽裝識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境背景分析等方面有巨大應(yīng)用潛力。我國(guó)的高光譜遙感科技發(fā)展一直處于國(guó)際前列，中國(guó)科學(xué)院自主研發(fā)的高光譜圖像處理與分析通用軟件系統(tǒng)（HIPAS）被國(guó)際同行評(píng) 為國(guó)際六大頂尖高光譜圖像處理軟件之一，并在高光譜遙感應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)了向美、日、澳等發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)輸出，成果在國(guó)際上產(chǎn)生了重大影響。

近年來，成像光譜技術(shù)也逐漸滲透進(jìn)了各種非傳統(tǒng)遙感行業(yè)，比如在醫(yī)學(xué)、生物、刑偵、考古、文物保護(hù)等領(lǐng)域開展了廣泛的探索性應(yīng)用。2006年中國(guó)科學(xué)院成功研制了國(guó)內(nèi)首套擺掃式地面成像光譜儀，并與故宮博物院等單位合作在古畫、唐卡、壁畫、墨書等文物的識(shí)別和鑒別方面取得了開創(chuàng)性成果。光譜分析技術(shù)與智能手機(jī)的融合誕生了面向普通民眾的高光譜應(yīng)用，借助于嵌入到智能手機(jī)里的光譜儀，人們能夠隨時(shí)隨地用手機(jī)快速檢測(cè)果蔬農(nóng)藥殘留和食品品質(zhì)安全等信息。

3 高時(shí)間分辨率遙感

衛(wèi)星遙感觀測(cè)的時(shí)間分辨率（或衛(wèi)星重訪周期）是指在同一區(qū)域進(jìn)行相鄰2次觀測(cè)的最小時(shí)間間隔，間隔越小，時(shí)間分辨率越高。由于氣象觀測(cè)的特殊性要求，在21世紀(jì)初之前，高時(shí)間分辨率遙感衛(wèi)星絕大多數(shù)都是氣象衛(wèi)星。最具代表性的有美國(guó)三代氣象觀測(cè)衛(wèi)星，即第一代“泰羅斯”（TIROS）系列（1960—1965年）、第二代“艾托斯”（ITOS）／“諾阿”（NOAA）系列（1970—1976年）、第三代TIROS-N／NOAA系列（1978年至今）。其中至今仍廣泛應(yīng)用的NOAA系列衛(wèi)星采用雙星運(yùn)行，同一地區(qū)每天重復(fù)觀測(cè) 4次。我國(guó)氣象衛(wèi)星自1988年成功發(fā)射風(fēng)云一號(hào)以來，至今已發(fā)展至風(fēng)云二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)共15顆。風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星可以每天 2次對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行觀測(cè)；風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星每半小時(shí)對(duì)地觀測(cè) 1次，雙星錯(cuò)開觀測(cè)，可以達(dá)到每15 min觀測(cè)1次地球。除了上述氣象衛(wèi)星外，1999年 12月和2002年5月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）分別發(fā)射以陸地觀測(cè)為主的高時(shí)間分辨率遙感衛(wèi)星，即Terra與Aqua衛(wèi)星，兩顆星相互配合，每1～2 d可重復(fù)觀測(cè)地球。這些高時(shí)間分辨率遙感影像其空間分辨率相對(duì)較低，一般都在百米級(jí)或公里級(jí)。近年來，隨著高分辨率成像技術(shù)和衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了一些擁有中高空間分辨率的地球靜止軌道衛(wèi)星和具有高空間分辨率的小衛(wèi)星星座，如我國(guó)2015年底發(fā)射的高分四號(hào)（GF-4）靜止軌道衛(wèi)星，空間分辨率為 50 m；預(yù)計(jì)2030年實(shí)現(xiàn) 138顆小衛(wèi)星組網(wǎng)的“吉林一號(hào)”后續(xù)衛(wèi)星星座，空間分辨率為 1.12 m，屆時(shí)將具備對(duì)全球任意點(diǎn)10 min以內(nèi)重訪觀測(cè)。

高時(shí)間分辨率遙感與高空間、高光譜遙感技術(shù)相結(jié)合是未來遙感科技發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)，它能夠?qū)崿F(xiàn)地物類型與理化特性的精準(zhǔn)反演和高時(shí)頻變化監(jiān)測(cè)。高時(shí)間分辨率遙感已經(jīng)在全球變化及其產(chǎn)生的重大環(huán)境問題研究方面發(fā)揮了重要作用，它也能夠?yàn)榻煌?、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、水利、林業(yè)、軍事等部門提供重要的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下 3個(gè)方面：（1）全球或區(qū)域土地利用／覆蓋變化監(jiān)測(cè)。高時(shí)間分辨率遙感能夠通過植被指數(shù)等參數(shù)時(shí)間立方體分析，精確監(jiān)測(cè)作物種植、退耕還林、退牧還草、圍湖造田、植樹造林、森林砍伐等植被生長(zhǎng)狀況變化或工程進(jìn)展情況。（2）氣象及災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。高時(shí)間分辨率的遙感衛(wèi)星可以對(duì)臺(tái)風(fēng)、寒潮、暴雨、洪水、沙塵暴、霧霾等災(zāi)害天氣現(xiàn)象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，還能夠準(zhǔn)確量測(cè)洪澇災(zāi)害水淹區(qū)域、草原或森林火災(zāi)過火區(qū)域、地震滑坡泥石流影響區(qū)域等，以及大區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)、近海與湖泊水華暴發(fā)、草原或森林蟲害、農(nóng)作物病蟲害等自然災(zāi)害現(xiàn)象。（3）艦船或陸上移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用地球靜止軌道遙感衛(wèi)星或者高空間分辨率遙感衛(wèi)星星座，基于圖像目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，鎖定航母等大型艦船和高價(jià)值移動(dòng)目標(biāo)，對(duì)其移動(dòng)狀況可以進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 熱紅外遙感

紅外遙感是通過獲取地物反射或發(fā)射出的紅外熱輻射能量信息來感知地物特性的技術(shù)，熱輻射量級(jí)大小不僅與目標(biāo)物的表面溫度有關(guān)，而且也是目標(biāo)物構(gòu)成成分以及觀測(cè)角度的函數(shù)。受大氣作用影響，衛(wèi)星傳感器入瞳處的熱輻射主要集中于 3～5 μm 和 8～14 μm 2 個(gè)大氣窗口，前者為中紅外窗口區(qū)，反射和發(fā)射特性同等重要；后者為熱紅外窗口區(qū)，以目標(biāo)物發(fā)射的熱輻射為主。由于任何溫度高于絕對(duì)零度（0 K或－273℃）的物體都會(huì)不斷地向外界以電磁波的形式發(fā)射熱輻射，使得熱紅外遙感能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的全天時(shí)遙感監(jiān)測(cè)。

1978年美國(guó)成功發(fā)射熱容量制圖衛(wèi)星HCMM，首次實(shí)現(xiàn)了利用衛(wèi)星觀測(cè)地球表面的溫度差異。此后40年間，熱紅外遙感取得長(zhǎng)足發(fā)展，民用衛(wèi)星的空間分辨率已從最初的數(shù)千米提升至百米甚至十米級(jí)。我國(guó)計(jì)劃于 2017年發(fā)射的高分 5號(hào)（GF-5）衛(wèi)星將搭載一臺(tái)全譜段光譜成像儀，其熱紅外空間分辨率將達(dá)到40 m。在空間分辨率顯著提升的同時(shí)，熱紅外遙感的時(shí)間分辨率也在逐步改善，由傳統(tǒng)的多天間隔觀測(cè)縮短為逐小時(shí)觀測(cè)甚至更短，我國(guó)在2016年發(fā)射的第二代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云 4號(hào)搭載了一臺(tái)多通道掃描成像輻射計(jì)AGRI，其熱紅外的地球圓盤圖成像時(shí)間為 15 min。除此之外，熱紅外遙感的探測(cè)通道也從早期的1～2個(gè)通道進(jìn)入到了高光譜時(shí)代，風(fēng)云 4號(hào)上搭載的干涉式大氣垂直探測(cè)儀GIIRS共有1650個(gè)中紅外和熱紅外通道，光譜分辨率達(dá)到 0.625 cm－1。熱紅外遙感應(yīng)用所涉及的關(guān)鍵地表參數(shù)是地表溫度和發(fā)射率，兩者的遙感反演精度也日新月異，遙感觀測(cè)的時(shí)間、空間、光譜以及角度信息都逐步引入到遙感反演方法中。目前海表溫度反演誤差控制在0.3 K、陸表溫度誤差控制在1.0 K、地表發(fā)射率誤差控制在0.01的水平。與此同時(shí)，單星遙感反演也逐步被多星組網(wǎng)反演模式替代，可用于獲取全球長(zhǎng)時(shí)間且時(shí)空連續(xù)的地表溫度產(chǎn)品。

目前，中紅外和熱紅外遙感在農(nóng)情監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、城市熱島效應(yīng)、地質(zhì)探測(cè)、環(huán)境污染以及軍事等領(lǐng)域都有很廣泛的研究。在農(nóng)業(yè)方面，熱紅外遙感已經(jīng)被用于農(nóng)田蒸散的定量計(jì)算，有助于人們科學(xué)合理地調(diào)控土壤水分。在減災(zāi)應(yīng)用方面，主要用于地震和林火監(jiān)測(cè)等，通過震前地表溫度異常的監(jiān)測(cè)，可以對(duì)地震預(yù)測(cè)的發(fā)展提供大量數(shù)據(jù)支持；通過多時(shí)相的中紅外和熱紅外遙感圖像對(duì)比，可以及時(shí)掌握林火蔓延情況。在城市熱島效應(yīng)研究方面，通過熱紅外遙感可以準(zhǔn)確獲取地表溫度或者空氣溫度的時(shí)空分布信息。在地質(zhì)勘探和環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方面，主要應(yīng)用于地下水、地?zé)岷偷V物的探測(cè)，以及秸稈燃燒、溫水污染和沙塵監(jiān)測(cè)等。在國(guó)防安全領(lǐng)域，主要應(yīng)用于軍事目標(biāo)的紅外偵查、紅外夜視和紅外預(yù)警等，通過觀測(cè)目標(biāo)和背景的中紅外或熱紅外輻射強(qiáng)弱差別可以識(shí)別出由于偽裝或者觀測(cè)條件不佳（夜間和不良天氣）而難以發(fā)現(xiàn)的軍事目標(biāo)。

5 合成孔徑雷達(dá)遙感

微波遙感技術(shù)是通過接收地物在微波波段（波長(zhǎng)為1 mm至1 m）的電磁輻射和散射能量，以探測(cè)和識(shí)別遠(yuǎn)距離物體的技術(shù)，微波遙感技術(shù)具有全天候晝夜工作能力，能穿透云層，不易受氣象條件和日照水平的影響。微波遙感按其工作原理可分為有發(fā)射源的主動(dòng)微波遙感和無發(fā)射源的被動(dòng)微波遙感，合成孔徑雷達(dá)（SAR）就屬于一種高分辨率二維成像的主動(dòng)微波遙感，它也是目前微波成像遙感應(yīng)用最廣的技術(shù)。SAR的主要成像參數(shù)包括工作頻率、極化方式和觀測(cè)模式等，常用波段包括：X波段（2.5～3.75 cm）、C波段（3.75～7.5 cm）、S波段（7.5～15 cm）等。極化方式是指發(fā)射和接收電磁波的極化特性，例如，VH代表發(fā)射和接收信號(hào)的極化方式分別為垂直極化和水平極化；觀測(cè)模式主要包括高分辨率模式、條帶模式和掃描模式等，分別對(duì)應(yīng)不同的觀測(cè)幾何和成像特點(diǎn)。

1957年8月，美國(guó)密歇根大學(xué)與美國(guó)軍方合作研究的SAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成功地獲得了第一幅全聚焦的SAR圖像，1978年5月美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)射了海洋一號(hào)衛(wèi)星（Seasat-A），首次裝載了合成孔徑雷達(dá)，對(duì)地球表面1億 km2的面積進(jìn)行了測(cè)繪。而后40年間，SAR遙感技術(shù)憑借所特有的全天時(shí)、全天候以及對(duì)某些地物的穿透能力，廣泛應(yīng)用于全球變化、資源勘查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估、城市規(guī)劃等領(lǐng)域。特別是，隨著 20世紀(jì) 90年代雷達(dá)技術(shù)和SAR數(shù)據(jù)地學(xué)物理參數(shù)反演建模技術(shù)的進(jìn)步，SAR技術(shù)的發(fā)展模式逐步實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)推動(dòng)到用戶需求拉動(dòng)的轉(zhuǎn)換，全球至今已有超過 15個(gè)正在運(yùn)行的星載 SAR系統(tǒng)。

SAR圖像在幾何和輻射特征上與光學(xué)遙感圖像有著顯著差異，幾何方面的差異主要體現(xiàn)在由于側(cè)視測(cè)距成像機(jī)制引起的陰影、疊掩和透視收縮現(xiàn)象。SAR圖像同樣也有復(fù)雜的輻射特征，在圖像上主要體現(xiàn)為包含斑點(diǎn)噪聲的明暗紋理結(jié)構(gòu)，它是由于不同地物在不同頻段、不同極化方式、不同方向等成像參數(shù)下的電磁波散射特性，以及一個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)部隨機(jī)分布的多個(gè)散射單元的電磁波信號(hào)疊加造成的。

SAR技術(shù)具有全天時(shí)全天候的觀測(cè)能力，除了廣泛應(yīng)用于惡劣天氣和夜間成像觀測(cè)外，還可以用來測(cè)量土壤濕度、雪被深度和地質(zhì)構(gòu)造等，非洲撒哈拉沙漠地下古河道的發(fā)現(xiàn)正是依賴于這個(gè)特殊能力。微波遙感器借助多次觀測(cè)或者同步多視角觀測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行干涉測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維地貌高精度成像和地殼微小移動(dòng)高精度檢測(cè)等，例如，當(dāng)前全球應(yīng)用廣泛的30 m分辨率數(shù)字高程模型 SRTM數(shù)據(jù)產(chǎn)品就是通過美國(guó)航天干涉SAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

從傳感器成像和數(shù)據(jù)獲取能力來看，SAR（特別是航天 SAR）技術(shù)發(fā)展在經(jīng)歷了單波段單極化SAR、多波段多極化 SAR、極化SAR和干涉 SAR 3個(gè)階段后，如今已經(jīng)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。近年來，不斷涌現(xiàn)出來的極化干涉SAR（PolinSAR）、三維／四維SAR（3D/4D SAR）、雙站／多站SAR（Bi-/Multistatic SAR）和數(shù)字波束形成SAR（DBF SAR）等前沿雷達(dá)技術(shù)則代表了第四階段SAR或新一代SAR的問世。新一代SAR具備雙／多站或星座觀測(cè)、極化干涉測(cè)量、高分寬幅測(cè)繪以及三維結(jié)構(gòu)信息獲取等先進(jìn)成像技術(shù)，它們將在全球環(huán)境變化、全球森林監(jiān)測(cè)、全球水循環(huán)和碳循環(huán)、城市三維信息獲取以及對(duì)月探測(cè)等領(lǐng)域中發(fā)揮更加重要的作用。

6 激光雷達(dá)遙感

激光雷達(dá)（LiDAR）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是一種有發(fā)射源的主動(dòng)遙感系統(tǒng)。LiDAR是測(cè)定光波往返發(fā)射器與被測(cè)物體之間的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算兩者之間的距離，通過記錄一個(gè)單發(fā)射脈沖返回的首回波、中間多個(gè)回波與最后回波，分析獲得地表物體的三維結(jié)構(gòu)信息。LiDAR系統(tǒng)的主要參數(shù)包括脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、單脈沖能量以及光束發(fā)散角等。LiDAR獲取的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，即可生成高精度的數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）產(chǎn)品。

近年來星載、機(jī)載、地面等LiDAR系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)整體每年以近 24%的速度增長(zhǎng)，機(jī)載和地面LiDAR系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)呙枵`差控制在厘米甚至毫米級(jí)別。LiDAR測(cè)量技術(shù)最早是美國(guó)Syracuse大學(xué)的研究人員基于機(jī)載平臺(tái)進(jìn)行近海岸線水深測(cè)量；德國(guó)于1993年推出首個(gè)商用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)TopScanALTM1020，用于快速獲取森林結(jié)構(gòu)信息，如樹木定位、樹高計(jì)算、樹冠體積估測(cè)等。星載LiDAR方面，美國(guó) NASA于 2003年發(fā)射的地球科學(xué)激光測(cè)高儀系統(tǒng)（GLAS）是第一個(gè)在地球軌道上進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)全球?qū)Φ赜^測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其激光脈寬為5 ns，脈沖能量包括1064 nm波段用于測(cè)量地形表面特征，以及532 nm可見光波段測(cè)量氣溶膠和其他大氣特性。中國(guó)于2007年發(fā)射的嫦娥一號(hào)激光高度計(jì)是我國(guó)第一個(gè)星載激光雷達(dá)系統(tǒng)，在軌運(yùn)行期間，共獲取912萬點(diǎn)有效數(shù)據(jù)，得到的月球兩極高程數(shù)據(jù)填補(bǔ)世界空白。星載LiDAR系統(tǒng)的特點(diǎn)是運(yùn)行軌道高、觀測(cè)視野廣，可以測(cè)量陸地表面粗糙度和反射率、植被冠層高度、雪蓋面和冰川的表面特征等，適用于大尺度全球范圍的冰川、海冰和森林監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，LiDAR數(shù)據(jù)與其他遙感數(shù)據(jù)復(fù)合利用成為當(dāng)前遙感應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)，例如將LiDAR高度數(shù)據(jù)和地物光譜、空間、紋理等特征數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)城市地物高精度精細(xì)分類。從高密度點(diǎn)云 LiDAR數(shù)據(jù)可以提取地物精確的邊界信息，將其作為空間項(xiàng)權(quán)重系數(shù)代入基于邊界約束的馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)算法，結(jié)合高光譜圖像數(shù)據(jù)就能夠大大提高城市區(qū)域分類精度。

7 偏振與重力測(cè)量遙感

近年來一些新型電磁波遙感以及非電磁波遙感成像技術(shù)不斷有所突破，如偏振遙感和衛(wèi)星重力測(cè)量。偏振遙感（Polarization in Remote Sensing）是近年來倍受關(guān)注的一種新興的電磁波遙感技術(shù)，它能夠探測(cè)到地物的偏振度、偏振方位角等偏振特性。搭載在日本 ADEOS-I衛(wèi)星（1996年發(fā)射，8個(gè)月后衛(wèi)星失效）的地球反射偏振測(cè)量?jī)xPOLDER-1，是第一顆偏振遙感衛(wèi)星。法國(guó)PARASOL衛(wèi)星（2004年發(fā)射）攜帶的 POLDER偏振儀運(yùn)行穩(wěn)定，在大氣氣溶膠監(jiān)測(cè)等方面取得成果。

衛(wèi)星重力測(cè)量（Satellite Gravity Survey）是通過檢測(cè)衛(wèi)星運(yùn)行軌道在受到地球重力場(chǎng)及其他因素的影響下產(chǎn)生的擾動(dòng)情況來計(jì)算出地球外部空間的重力場(chǎng)，進(jìn)而解析出地球表層及內(nèi)部物質(zhì)的空間分布信息。目前已經(jīng)發(fā)射的重力衛(wèi)星包括德國(guó) CHAMP衛(wèi)星（2000年發(fā)射）、美國(guó)／德國(guó)合作研制的 GRACE衛(wèi)星（2002年發(fā)射）和歐盟GOCE衛(wèi)星（2009年發(fā)射），后續(xù)的 GRACEFollow-On預(yù)計(jì)在 2017年發(fā)射升空。美國(guó)地理空間情報(bào)局利用 GRACE衛(wèi)星、歐空局利用GOCE重力衛(wèi)星分別獲得了高精度地球重力場(chǎng)模型。GOCE重力衛(wèi)星圖像還被用來發(fā)現(xiàn)地?zé)釢摿^(qū)域，這有助于提升地?zé)崮茉撮_發(fā)效率、降低成本。我國(guó)目前已有低低跟蹤重力衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃，用于探索地球和其他天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

8 未來發(fā)展展望

應(yīng)用需求是推動(dòng)遙感技術(shù)不斷發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，未來遙感衛(wèi)星系統(tǒng)將圍繞精準(zhǔn)化、便捷化、大眾化的要求向智能化方向轉(zhuǎn)變；在傳統(tǒng)航空航天遙感技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的同時(shí)，無人機(jī)遙感以其靈活機(jī)動(dòng)的數(shù)據(jù)獲取方式將呈現(xiàn)井噴式的發(fā)展；伴隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，遙感大數(shù)據(jù)分析已經(jīng)進(jìn)入蓄勢(shì)待發(fā)的節(jié)奏。

當(dāng)前的遙感衛(wèi)星都是通過綜合平衡多種要素以設(shè)置固定的成像參數(shù)，衛(wèi)星一旦發(fā)射和投入使用，成像參數(shù)不能靈活調(diào)整，從而無法針對(duì)不同的應(yīng)用需求提供最優(yōu)的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)。另一方面，現(xiàn)有遙感衛(wèi)星任務(wù)鏈主要由地面任務(wù)規(guī)劃、遙感數(shù)據(jù)星上存儲(chǔ)、星地?cái)?shù)傳和地面接收處理等環(huán)節(jié)組成，信息獲取鏈條長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了遙感衛(wèi)星的使用時(shí)效。綜上，需要構(gòu)建具有星上成像參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化、星上信息快速處理和下傳能力的“智能型”遙感衛(wèi)星系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星，智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括兩方面核心關(guān)鍵技術(shù)：一是遙感成像參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，二是星上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與信息快速生成技術(shù)。智能遙感衛(wèi)星系統(tǒng)不僅具有差異性數(shù)據(jù)的獲取功能，而且具備智能化的信息感知能力；不僅能夠按需獲取針對(duì)性的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，還能夠在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，便捷化地服務(wù)于普通大眾用戶。人們可以像使用GPS一樣隨時(shí)用手機(jī)接收智能遙感衛(wèi)星下傳的高個(gè)性化、高時(shí)效性的信息，從而大大推進(jìn)遙感技術(shù)的大眾化和商業(yè)化發(fā)展。

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)和傳感器小型化技術(shù)不斷取得了新的突破，無人機(jī)遙感系統(tǒng)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展模式，它具有成本低、靈活機(jī)動(dòng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性大和云下高分辨率成像等突出特點(diǎn)，根據(jù)預(yù)測(cè) 2017年全球無人機(jī)的產(chǎn)量將接近300萬架。無人機(jī)系統(tǒng)種類繁多，在尺寸、重量、航程、飛行高度、飛行速度等多方面都有較大差異，既有如美國(guó)的全球鷹和中國(guó)的翼龍-Ⅱ等大型無人機(jī)系統(tǒng)，也有美國(guó)研制的重量不到 0.6 kg的Nano-Hyperspec系統(tǒng)。無人機(jī)系統(tǒng)也可以掛裝幾乎所有種類的主動(dòng)和被動(dòng)遙感載荷，微軟的UFO相機(jī)一次飛行可獲取全色、彩色、近紅外以及傾斜影像數(shù)據(jù)。展望未來，無人機(jī)群的協(xié)同應(yīng)用、機(jī)上數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)云端處理、物聯(lián)網(wǎng)的融入等都將使無人機(jī)遙感迎來更大的發(fā)展機(jī)遇。

2007年1月，圖靈獎(jiǎng)獲得者吉姆格雷在“科學(xué)方法的一次革命”演講中提出了科學(xué)研究的第四類范式：數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)——大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)既是一類數(shù)據(jù)，更是一項(xiàng)包含“對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的處理行為”的信息挖掘與應(yīng)用技術(shù)。遙感大數(shù)據(jù)具有典型的 5V特征，即體量巨大（Volume）、種類繁多（Variety）、動(dòng)態(tài)多變（Velocity）、冗余模糊（Veracity）和高內(nèi)在價(jià)值（Value）。近年來，天地一體化對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展為開展遙感大數(shù)據(jù)分析提供了超高維度和超高頻次的地球表層系統(tǒng)多樣化輔助認(rèn)知數(shù)據(jù)。傳感網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)飛速構(gòu)建起了強(qiáng)大的數(shù)字采集和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布能力，它們將數(shù)百公里上空運(yùn)行的衛(wèi)星和一個(gè)個(gè)地面行走的傳感設(shè)備緊密地聯(lián)系在了一起，而深度學(xué)習(xí)和人工智能科技的發(fā)展更為遙感大數(shù)據(jù)分析插上了騰飛的翅膀，它將引發(fā)一場(chǎng)遙感領(lǐng)域前所未有的革命。?

【作者單位：中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字

地球研究所；中國(guó)科學(xué)院大學(xué)】

（摘自《中國(guó)科學(xué)院院刊》

2017年第7期）