周翔，潘潔，吳一戎

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094

1 引言

地球系統(tǒng)是由大氣圈、生物圈、水圈（包括冰凍圈）和巖石圈等組成的一個(gè)多圈層耦合、復(fù)雜非線(xiàn)性的巨系統(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(shí)代，地球系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)正從看清地球的樣貌深入拓展到探測(cè)、分析、認(rèn)知地球圈層的內(nèi)在。例如，為應(yīng)對(duì)頻發(fā)的極端天氣事件，需要對(duì)大氣圈內(nèi)部的云雨結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)觀(guān)測(cè)，以獲得精確預(yù)報(bào)（Lee等，2018）。全球及區(qū)域尺度碳源匯的研究需要對(duì)大氣—陸表/海表碳通量進(jìn)行立體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（Regnier等，2022；Bai等，2023）。研究中小尺度海洋動(dòng)力過(guò)程對(duì)海洋能量級(jí)聯(lián)和物質(zhì)轉(zhuǎn)移的影響，需要開(kāi)展海洋上混合層乃至中層水體的垂直立體觀(guān)測(cè)（Frémand等，2022）。此外，估算極地冰蓋融化速度和冰川物質(zhì)平衡，需要準(zhǔn)確測(cè)繪冰蓋厚度和冰下地形（崔祥斌等，2009）。

從飛行到登陸，人類(lèi)對(duì)于太空的探索已經(jīng)開(kāi)啟未來(lái)之門(mén)，但對(duì)地球自身的探測(cè)仍然非常初步。世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)將地球圈層內(nèi)部探測(cè)列入推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的國(guó)家科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略。航空航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)家基于地球系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)試驗(yàn)和模擬分析，戰(zhàn)略布局全方位的對(duì)地觀(guān)測(cè)體系，爭(zhēng)相部署大深度、高性能的主被動(dòng)探測(cè)載荷及相關(guān)應(yīng)用研究計(jì)劃。自20 世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)率先實(shí)施了“大陸反射地震探測(cè)計(jì)劃”。2001年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA），聯(lián)合發(fā)起了“地球透鏡計(jì)劃”。1999年澳大利亞提出了要使地下1000 m 變得“透明”的“玻璃地球”計(jì)劃。加拿大、法國(guó)、德國(guó)、荷蘭、英國(guó)、瑞士、意大利、俄羅斯等國(guó)也都在積極推動(dòng)地殼深探。中國(guó)設(shè)立《深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究（SinoProbe）》計(jì)劃，研究并實(shí)驗(yàn)了地殼與地幔深部探測(cè)的一系列技術(shù)方法，包括礦集區(qū)立體探測(cè)、巖石圈三維結(jié)構(gòu)與地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬等。這些計(jì)劃的實(shí)施多采取以發(fā)展固體地球深部探測(cè)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(lèi)對(duì)地球深部的認(rèn)識(shí)和理解，但對(duì)于地球系統(tǒng)各個(gè)圈層的精細(xì)探測(cè)和過(guò)程演變分析仍然不夠系統(tǒng)和深入。

對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)作為對(duì)現(xiàn)代社會(huì)最具影響的科技之一，已成為世界各國(guó)加速搶占發(fā)展先機(jī)的戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域，呈現(xiàn)透明化、立體化、一體化、動(dòng)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(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)等加速技術(shù)變革，對(duì)地球系統(tǒng)的立體探測(cè)、持續(xù)觀(guān)測(cè)、智能監(jiān)測(cè)不斷深入，地球系統(tǒng)科學(xué)研究的國(guó)際投入和跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的深度融合達(dá)到了前所未有的水平。2018年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布了《持續(xù)變化的星球上的蓬勃發(fā)展：天基對(duì)地觀(guān)測(cè)十年戰(zhàn)略》報(bào)告（National Academies of Sciences，Engineering，and Medicine，2018），強(qiáng)調(diào)面對(duì)地球的不斷變化，系統(tǒng)性獲取、掌握和理解地球內(nèi)部數(shù)據(jù)至關(guān)重要，新一代對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)將融入人類(lèi)日常生活，成為指導(dǎo)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的核心基礎(chǔ)設(shè)施之一。2021年5月，NASA 正式公布了建立地球系統(tǒng)觀(guān)測(cè)平臺(tái)ESO（Earth System Observatory）的計(jì)劃。歐洲航天局發(fā)射了人類(lèi)首個(gè)研究高層大氣風(fēng)的衛(wèi)星“風(fēng)神”，通過(guò)采用紫外激光器精確探測(cè)從地球表面到平流層的風(fēng)速和風(fēng)向，填補(bǔ)了全球?qū)Φ赜^(guān)測(cè)系統(tǒng)缺乏詳細(xì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的空白。NASA 碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CMS（Carbon Monitoring System）發(fā)布了多套數(shù)據(jù)產(chǎn)品，應(yīng)用于全球及區(qū)域森林結(jié)構(gòu)參數(shù)、碳儲(chǔ)量參數(shù)的精準(zhǔn)估算及驗(yàn)證。NASA 和德國(guó)地球科學(xué)研究中心合作的GRACE-FO（Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On）衛(wèi)星監(jiān)測(cè)任務(wù)，采用高低軌衛(wèi)星組合跟蹤測(cè)量模式，通過(guò)捕捉GRACE-FO 衛(wèi)星上的重力變化，研究地下水儲(chǔ)量、河流湖泊、土壤濕度以及冰川質(zhì)量變化機(jī)制等。由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員牽頭開(kāi)發(fā)的能源百兆級(jí)地球系統(tǒng)模型E3SM（Energy Exascale Earth System Model）成為第一個(gè)端到端的多尺度地球系統(tǒng)模型，能可靠地模擬地球系統(tǒng)的變化。人工智能和信息基礎(chǔ)設(shè)施的不斷突破把地球觀(guān)測(cè)及應(yīng)用引入智能時(shí)代，地球觀(guān)測(cè)組織GEO（Group on Earth observation）在制定未來(lái)十年發(fā)展戰(zhàn)略（GEO Post-2025 Strategy）中明確提出，隨著全球挑戰(zhàn)的加劇，發(fā)展地球智能（Earth Intelligence）保護(hù)地球的使命變得越來(lái)越重要。

近年來(lái)，中國(guó)在對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。通過(guò)“高分”專(zhuān)項(xiàng)和國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)實(shí)施，已經(jīng)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(duì)地觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，初步形成高時(shí)間、高空間分辨率的寬幅觀(guān)測(cè)能力，但在對(duì)地球各圈層內(nèi)部信息的獲取與分析應(yīng)用上，與西方國(guó)家還有差距。

探索地球系統(tǒng)內(nèi)部的奧秘，是解決人類(lèi)資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的必然選擇。整體而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)地觀(guān)測(cè)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(mǎn)足當(dāng)前地球系統(tǒng)科學(xué)重大前沿問(wèn)題研究和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)高質(zhì)量數(shù)據(jù)的需求。通過(guò)電磁、微波、紅外和重力等新型“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(dòng)地球系統(tǒng)重大科學(xué)問(wèn)題的突破，提升人類(lèi)進(jìn)行資源探測(cè)、預(yù)測(cè)應(yīng)對(duì)極端天氣事件及全球環(huán)境變化的能力。

2 透視地球

2.1 透視地球的概念

“透視地球”瞄準(zhǔn)地球系統(tǒng)圈層“看不見(jiàn)”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(cè)前沿技術(shù)，基于天基、空基、陸基等觀(guān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)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(guò)程進(jìn)行精細(xì)、綜合探測(cè)，是新一代對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、資源環(huán)境合理利用、軍事防衛(wèi)、糧食安全和能源生態(tài)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。其主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 透視地球系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of Transparent Earth-Observing system

當(dāng)前，人類(lèi)對(duì)地球系統(tǒng)的探索正在發(fā)生重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，從表層到內(nèi)部，從局部走向整體，新時(shí)代的“地球系統(tǒng)”理論知識(shí)和方法技術(shù)體系對(duì)遙感觀(guān)測(cè)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(cè)技術(shù)的觀(guān)測(cè)維度從二維拓展到三維，探測(cè)通道涵蓋紫外到毫米波，通過(guò)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(dòng)態(tài)化、立體化、全息化的透視觀(guān)測(cè)信息獲取，促生新的地球系統(tǒng)科學(xué)知識(shí)，有望成為下一代對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)體系的制高點(diǎn)，具有極高的科學(xué)價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

2.2 重點(diǎn)領(lǐng)域

針對(duì)大氣、海洋、植被和固體地球觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域的任務(wù)和探測(cè)目標(biāo)，以透視視角開(kāi)展空間對(duì)地觀(guān)測(cè)/探測(cè)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(guān)測(cè)技術(shù)體系。分為4個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。

（1）大氣透視。大氣圈層是地球最外部的氣體圈層，與地球系統(tǒng)中的其他圈層密切耦合，不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換（邱金桓和陳洪濱，2005），與人類(lèi)生活息息相關(guān)。大氣圈層透視主要利用全譜段、主被動(dòng)協(xié)同、星—機(jī)—地聯(lián)合的觀(guān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中“氣象—輻射—成分”關(guān)鍵要素的三維立體觀(guān)測(cè)。全球三維大氣風(fēng)場(chǎng)、臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征觀(guān)測(cè)、大氣痕量氣體、平流層溫濕度、氣溶膠—云垂直特征等要素的高精度三維“透視”對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、溫室氣體監(jiān)測(cè)等具有重大意義（Qian等，2007；Ramanathan 和Feng，2009；Scherer等，2019；李占清，2020），也是理解氣候變化背景下大氣演變過(guò)程的關(guān)鍵（IPCC，2023）。

目前國(guó)際上的大氣透視技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)晴空和云雨條件下大氣的全球性、高時(shí)空分辨率的觀(guān)測(cè)，為數(shù)值預(yù)報(bào)提供了大量可靠的觀(guān)測(cè)信息。國(guó)際上已經(jīng)發(fā)射了TRMM-PR（Tropical Rainfall Measuring Mission Precipitation Radar）單頻降水雷達(dá)、Cloudsat-CPR（CloudSat Cloud Profiling Radar）單頻云廓線(xiàn)雷達(dá)以及GPM-DPR（Global Precipitation Measurement Dual-frequency Precipitation Radar）雙頻降水雷達(dá)，為云、降雨透視提供了豐富的觀(guān)測(cè)資料（Ravuri等，2021）。中國(guó)在星載云、降雨透視探測(cè)雷達(dá)研制和應(yīng)用方面也快速發(fā)展（趙文化和單海濱，2018）。以2023年中國(guó)發(fā)射的首顆降水星為例，其搭載的Ku/Ka波段雙頻降水觀(guān)測(cè)雷達(dá)，能與國(guó)外現(xiàn)有的降水雷達(dá)組合獲取更加豐富的降水觀(guān)測(cè)資料。但現(xiàn)有在軌運(yùn)行的雷達(dá)頻率較低，僅對(duì)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(wú)法為云、降雨演變過(guò)程機(jī)理的研究提供足夠的精細(xì)觀(guān)測(cè)資料，限制了云降雨研究的發(fā)展。

（2）森林透視。植被森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其復(fù)雜的森林空間結(jié)構(gòu)直接決定了太陽(yáng)輻射和水分蒸散在林冠中的傳遞過(guò)程，影響著森林和大氣環(huán)境之間的能量、水分和物質(zhì)交換，是生物多樣性和森林生態(tài)系統(tǒng)得以維系的基礎(chǔ)。在地球系統(tǒng)科學(xué)、全球變化和生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的研究中，對(duì)大范圍森林空間結(jié)構(gòu)信息的需求越來(lái)越迫切。

森林透視技術(shù)通過(guò)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(guó)和歐洲對(duì)地觀(guān)測(cè)戰(zhàn)略規(guī)劃均將碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)觀(guān)測(cè)作為主要觀(guān)測(cè)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(cè)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(guān)測(cè)，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(guān)測(cè)等手段，從波段、極化、時(shí)相、基線(xiàn)等不同維度，探索多維度森林空間結(jié)構(gòu)遙感探測(cè)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。

（3）固體地球透視。固體地球透視探測(cè)利用多場(chǎng)量、主被動(dòng)協(xié)同、星—空—地聯(lián)合觀(guān)測(cè)方案，獲取重力、磁力、電磁等地球物理場(chǎng)，對(duì)巖石圈進(jìn)行穿透性、大深度、多場(chǎng)量特征綜合分析，“揭開(kāi)”地表覆蓋層，研究與刻畫(huà)地球內(nèi)部的物理性質(zhì)、巖性和構(gòu)造特征，探測(cè)與識(shí)別地下目標(biāo)體，對(duì)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(lèi)社會(huì)生存發(fā)展至關(guān)重要的資源、環(huán)境等問(wèn)題提供出路。

隨著探測(cè)儀器精度的不斷提升和探測(cè)手段的多元化，重力、磁力和電磁探測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源調(diào)查、能源資源勘查、地下水資源探測(cè)、重大工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面（趙越等，2017）。然而，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(cè)裝備技術(shù)方面，中國(guó)對(duì)巖石圈內(nèi)部參數(shù)獲取能力還存在一定的差距。突破新型小型化、高靈敏度的地球物理核心傳感器，開(kāi)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，觀(guān)察、分析和捕捉巖石圈頻繁的地質(zhì)活動(dòng)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(jià)值。

（4）海洋透視。海洋擁有全球97%以上的水資源，平均深度3.7 km，是地球水圈最重要的組成部分（Pendleton等，2020）。海洋遙感通常采用可見(jiàn)光—紅外—微波等電磁波段對(duì)海表開(kāi)展遙感監(jiān)測(cè)，如何綜合利用遙感和水下現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)，是當(dāng)前國(guó)際海洋遙感發(fā)展的大趨勢(shì)。

近年來(lái)，國(guó)際海洋強(qiáng)國(guó)紛紛推出自己的遙感研究計(jì)劃，加速了海洋觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)NASA提出了IceSat系列星載激光雷達(dá)計(jì)劃、SWOT（Surface Water and Ocean Topography）星載干涉雷達(dá)高度計(jì)等（Schutz等，2005；Abdalati等，2010；Steven等，2012）。歐洲航天局提出了CryoSAT 系列星載干涉雷達(dá)高度計(jì)、海流干涉測(cè)量的Harmony計(jì)劃、海面多普勒測(cè)量的SKIM（Sea-surface Kinematics Multiscale monitoring）計(jì)劃等（Wingham等，2006；Boy等，2017；López-Dekker等，2021；Ardhuin等，2019）。同時(shí)，也積極利用機(jī)載平臺(tái)開(kāi)展海—空同步海洋透視驗(yàn)證試驗(yàn)，例如，NASA 的S-MODE（Sub-Mesoscale Ocean Dynamics Experiment）試驗(yàn)和Scrippts海洋研究所的MASS-DoppVis 系統(tǒng)（Farrar等，2020；Lenain等，2023）。中國(guó)海域遼闊，有豐富的海洋資源，亟需發(fā)展海洋內(nèi)部觀(guān)測(cè)技術(shù)，高精度描繪海洋生物量、海洋動(dòng)力場(chǎng)、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)象的自主可控預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

3 透視遙感前沿技術(shù)

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(cè)，對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，成為推動(dòng)地球科學(xué)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。新型載荷觀(guān)測(cè)能力的提高，觀(guān)測(cè)平臺(tái)載荷集成能力的提升以及綜合地球探測(cè)理論的發(fā)展，為地球系統(tǒng)多物理量的聯(lián)合探測(cè)、關(guān)聯(lián)建模與信息重構(gòu)提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

（1）多頻段雷達(dá)降水探測(cè)技術(shù)。雷達(dá)降水探測(cè)技術(shù)是指通過(guò)發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，并依據(jù)接收的降水的雷達(dá)回波強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)降水強(qiáng)度的三維空間分布結(jié)構(gòu)的探測(cè)。搭載降水雷達(dá)的平臺(tái)可分為地基、空基和星基。其中地基降水雷達(dá)多以X、C、S 等波段為主（李柏，2011）；空基和星基降水雷達(dá)主要以Ku、Ka 等波段為主（Liao 和Meneghini，2022）；W 波段主要用于測(cè)量弱降水或高層云（Turk等，2021）。目前，星載雙頻降雨雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)水平距離5 km，垂直距離250 m 的降水廓線(xiàn)觀(guān)測(cè)；機(jī)載雙頻降雨雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)水平距離1 km，垂直距離100 m 的降水廓線(xiàn)觀(guān)測(cè)。通過(guò)多頻段雷達(dá)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)云和降水的協(xié)同觀(guān)測(cè)，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(guò)程，為降水預(yù)報(bào)的改進(jìn)提供支撐。

（2）多基線(xiàn)InSAR 三維透視森林探測(cè)技術(shù)。合成孔徑雷達(dá)SAR（Synthetic Aperture Radar）在L、P 波段具有較好的穿透性，結(jié)合多基線(xiàn)InSAR 通過(guò)水平方向或高度方向多個(gè)不同的SAR 天線(xiàn)在法向形成合成孔徑，從而具備高程透視分辨能力。其中，分布式多基線(xiàn)InSAR 的天線(xiàn)水平方向分布，在實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)上所安裝SAR 的時(shí)間、相位、空間同步的基礎(chǔ)上通過(guò)單次飛行形成多基線(xiàn)干涉（朱金彪等，2023）；層析多基線(xiàn)InSAR 通過(guò)單天線(xiàn)沿不同高度多次飛行形成多基線(xiàn)干涉。多基線(xiàn)InSAR技術(shù)可獲取相對(duì)反射率表達(dá)的森林垂直結(jié)構(gòu)剖面、林下地表高度等參量信息，其中，森林垂直結(jié)構(gòu)剖面分布形狀與森林空間分布形態(tài)具有較強(qiáng)的相似性，在一定程度上反映了森林垂直結(jié)構(gòu)信息（李蘭等，2017），可用于反演森林地上生物量。協(xié)同探測(cè)方式可實(shí)現(xiàn)基線(xiàn)可變和分布式觀(guān)測(cè)，植被圈透視觀(guān)測(cè)三維分辨率達(dá)到0.5 m，提升森林生物量估測(cè)精度優(yōu)于90%。

（3）磁力探測(cè)技術(shù)。航空磁力探測(cè)技術(shù)通過(guò)航空平臺(tái)搭載磁力探測(cè)設(shè)備，在飛行過(guò)程中對(duì)地球磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和記錄。通過(guò)利用磁補(bǔ)償技術(shù)消除平臺(tái)對(duì)測(cè)量的干擾，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和改正，可獲取地下目標(biāo)體引起的磁異常信息。這些異常信息可以用于反演地下磁性體的磁化強(qiáng)度和成像，從而建立起地下磁性體的透視模型（Nabighian等，2005）。近年來(lái)，新發(fā)展的航磁矢量測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較標(biāo)量更豐富的磁場(chǎng)信息，適用于精細(xì)地質(zhì)填圖、磁源剩磁性質(zhì)確定等應(yīng)用；還可直接測(cè)量地磁圖構(gòu)建所需的全部地磁要素信息，在地下磁力探測(cè)中具有重要價(jià)值。

（4）重力探測(cè)技術(shù)。航空重力探測(cè)技術(shù)通過(guò)航空平臺(tái)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(cè)量（熊盛青等，2010）。通過(guò)扣除載體運(yùn)動(dòng)引起的加速度，獲取地下目標(biāo)體密度差異引起的微弱重力異常信號(hào)。這些異常信號(hào)可以揭示地殼厚度變化、斷裂帶位置和延伸情況，探測(cè)密度差異顯著的隱伏巖體或巖層。新的航空重力矢量測(cè)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。

（5）電磁探測(cè)技術(shù)。航空電磁探測(cè)是一種利用航空平臺(tái)搭載電磁探測(cè)設(shè)備進(jìn)行地下介質(zhì)探測(cè)的技術(shù)。通過(guò)剔除噪聲，獲取地下目標(biāo)體引起的電磁場(chǎng)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(cè)廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、油氣資源評(píng)價(jià)、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(cè)、軍事與國(guó)防等領(lǐng)域（Neeck等，2012）。這種技術(shù)在快速獲取大范圍地下信息和探測(cè)復(fù)雜地質(zhì)條件下具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)資源開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

（6）高分辨率冰凍圈甚高頻微波探測(cè)技術(shù)。冰雷達(dá)探測(cè)是利用冰蓋、冰體對(duì)特定頻率的雷達(dá)信號(hào)的“透明性”，來(lái)研究冰蓋、冰層結(jié)構(gòu)和冰巖界面特征的地球物理方法，目前已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)新的學(xué)科——雷達(dá)冰川學(xué)（崔祥斌等，2009）。通過(guò)分析冰雷達(dá)信號(hào)在冰蓋內(nèi)部和冰巖界面位置回波信號(hào)的時(shí)間、能量和形狀特征等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冰蓋幾何特征、冰底環(huán)境和地貌的認(rèn)識(shí)，有助于促進(jìn)人類(lèi)對(duì)冰蓋的動(dòng)力機(jī)制和快速變化的認(rèn)識(shí)，為準(zhǔn)確評(píng)估冰底環(huán)境提供了基礎(chǔ)（Frémand等，2022）。

（7）冰凍圈主被動(dòng)微波探測(cè)技術(shù)。冰凍圈主被動(dòng)微波探測(cè)技術(shù)，根據(jù)不同波長(zhǎng)微波對(duì)冰川、積雪、凍土的穿透差異性原理，基于星載或航空平臺(tái)搭載主動(dòng)微波探冰雷達(dá)和被動(dòng)微波輻射計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)南極或山地冰川內(nèi)部結(jié)構(gòu)、溫度/密度廓線(xiàn)、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(cè)。為全球變化背景下冰蓋物質(zhì)平衡、不穩(wěn)定性對(duì)海平面影響，冰凍圈多環(huán)境要素快速變化等前沿科學(xué)問(wèn)題和極區(qū)航道開(kāi)發(fā)的重大應(yīng)用需求提供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，2020；Bai等，2023）。

（8）海洋水體剖面激光探測(cè)技術(shù)。激光作為一種高功率主動(dòng)遙感器，是穿透水體最有效的探測(cè)手段之一。面向全球海洋的躍層時(shí)空結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律、初級(jí)生產(chǎn)力與碳循環(huán)和生命系統(tǒng)探測(cè)、海氣能量與物質(zhì)通量3大科學(xué)問(wèn)題，利用藍(lán)綠波段強(qiáng)穿透能力，開(kāi)展海洋剖面激光探測(cè)技術(shù)攻關(guān)，突破海洋動(dòng)力熱力剖面激光探測(cè)、上層海洋生物光學(xué)剖面探測(cè)、激光高光譜多波長(zhǎng)偏振顆粒物散射、海—?dú)饨缑鎻?fù)雜參數(shù)激光探測(cè)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(cè)與高精度反演（唐軍武等，2021）。

4 透視地球原型系統(tǒng)

4.1 原型系統(tǒng)構(gòu)建方法

透視探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的建立面臨探測(cè)要素和數(shù)據(jù)手段單一、觀(guān)測(cè)連續(xù)性差、精細(xì)表征和信息重構(gòu)能力不足等問(wèn)題，這些問(wèn)題阻礙了“透視地球”的全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和體系化發(fā)展。本文依據(jù)“透視方法—載荷集成—探測(cè)試驗(yàn)—參數(shù)反演—效能驗(yàn)證”的設(shè)計(jì)思路，提出了一種構(gòu)建透視地球原型系統(tǒng)的方案。通過(guò)多譜段聯(lián)合和跨平臺(tái)協(xié)同，提升空基協(xié)同透視探測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)多維探測(cè)的集成和信息資源的聚合，改進(jìn)多物理量的信息維度、尺度和密度，拓展對(duì)地球各圈層的認(rèn)知邊界，支持“透視地球”的持續(xù)演進(jìn)。

首先，通過(guò)需求分析和數(shù)據(jù)獲取，建立透視探測(cè)目標(biāo)集和可反演遙感數(shù)據(jù)集?；诓淮_定度分析和誤差傳播理論，分析不同場(chǎng)景下載荷和平臺(tái)對(duì)透視結(jié)果的不確定性影響，構(gòu)建包含載荷和平臺(tái)的能力集。通過(guò)解釋結(jié)構(gòu)模型、建立拓?fù)鋱D和傳遞矩陣，推導(dǎo)出集約原型系統(tǒng)方案。

其次，基于透視地球技術(shù)體系架構(gòu)，在耦合載荷特征和數(shù)據(jù)獲取需求的基礎(chǔ)上，建立載荷與航空平臺(tái)的關(guān)系，構(gòu)建空基透視探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)載荷集成測(cè)試與效度驗(yàn)證，完成系統(tǒng)集成、功能聯(lián)調(diào)和性能測(cè)試。

最后，綜合考慮載荷性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量和要素精度等因素，實(shí)施空基透視探測(cè)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)透視視角下關(guān)鍵要素和過(guò)程的集成刻畫(huà)；進(jìn)行多圈層透視探測(cè)過(guò)程的不確定度量化和效能分析，驗(yàn)證透視地球過(guò)程的可行性、透視探測(cè)技術(shù)體系的可用性和透視地球原型系統(tǒng)的有效性。原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 透視地球原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of the prototype system of Transparent Earth-Observing

4.2 集成與試驗(yàn)

基于透視地球探測(cè)技術(shù)體系架構(gòu)，分析各圈層的透視特征和典型應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)出的目標(biāo)需求，理清多圈層透視探測(cè)載荷集成、多譜段物理特征耦合、多維度數(shù)據(jù)協(xié)同獲取間的要素關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)有空基飛行平臺(tái)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(tái)矩陣關(guān)系，突破任務(wù)載荷一體化集成設(shè)計(jì)與測(cè)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(cè)系統(tǒng)集成。

為了評(píng)估透視地球原型系統(tǒng)的應(yīng)用效能，以云雨結(jié)構(gòu)、海洋動(dòng)力與生物場(chǎng)、森林結(jié)構(gòu)、巖性構(gòu)造等透視探測(cè)為階段性目標(biāo)，依托新舟60 航空遙感平臺(tái)，有/無(wú)人多平臺(tái)及多載荷協(xié)同組網(wǎng)（圖3），構(gòu)建全譜系、多波段的“透視地球”空中實(shí)驗(yàn)室，選擇典型示范區(qū)并顧及航空試驗(yàn)飛行與地基參考真值測(cè)量條件約束，組織開(kāi)展空基透視探測(cè)試驗(yàn)，建立技術(shù)體系可用性分析和效能評(píng)估的指標(biāo)體系，驗(yàn)證各圈層透視目標(biāo)的滿(mǎn)足程度。

圖3 空基透視探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)Fig.3 Airborne platform for Transparent Earth-Observing（Flying laboratory）

4.3 典型應(yīng)用場(chǎng)景

（1）云雨三維結(jié)構(gòu)精細(xì)透視。降雨過(guò)程中的云微物理特性和降雨強(qiáng)度的三維結(jié)構(gòu)精細(xì)觀(guān)測(cè)是當(dāng)前大氣透視研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)透視技術(shù)準(zhǔn)確獲取降雨過(guò)程中溫度、濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)場(chǎng)以及云水和降雨的三維結(jié)構(gòu)協(xié)同觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以了解降雨的形成和發(fā)展過(guò)程，有助于改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)模式中的云和降雨的參數(shù)化方案，提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性，為提前預(yù)警極端天氣事件提供支撐，為社會(huì)公眾和相關(guān)機(jī)構(gòu)提供及時(shí)的預(yù)警和應(yīng)對(duì)措施。圖4 為云雨三維結(jié)構(gòu)精細(xì)透視觀(guān)測(cè)示意圖。

圖4 云雨三維結(jié)構(gòu)精細(xì)透視觀(guān)測(cè)Fig.4 Transparent observing of the three-dimensional distribution of cloud and rain

（2）景觀(guān)尺度森林生物量估算。復(fù)雜地形場(chǎng)景中的森林結(jié)構(gòu)參數(shù)探測(cè)具有挑戰(zhàn)性。通過(guò)聯(lián)合多平臺(tái)、多模式、多類(lèi)型的觀(guān)測(cè)手段，開(kāi)展森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種類(lèi)型、林下地形、林高、地上生物量的觀(guān)測(cè)，構(gòu)建主被動(dòng)遙感聯(lián)合的森林三維結(jié)構(gòu)參數(shù)估算方法體系，可準(zhǔn)確捕捉到多層次、多方向的森林結(jié)構(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)景觀(guān)尺度森林地上生物量的科學(xué)、精準(zhǔn)計(jì)量，為中國(guó)“雙碳目標(biāo)”中對(duì)區(qū)域森林資源精細(xì)調(diào)查和快速動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。圖5為景觀(guān)尺度森林生物量估算示意圖。

圖5 景觀(guān)尺度森林生物量估算Fig.5 Estimation of forest biomass at the landscape scale

（3）戈壁荒漠覆蓋區(qū)巖性、構(gòu)造透視。由于覆蓋層的屏蔽特性及反演方法的多解性，覆蓋層下伏基巖的巖性和地質(zhì)體的定位仍是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)探索多種空基平臺(tái)協(xié)同透視探測(cè)方案，構(gòu)建磁性體（含剩磁）透視模型、重磁物性融合透視模型、全空間三維電阻率透視模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表和近地表巖性、構(gòu)造精細(xì)填圖，深化戈壁荒漠區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究，助力能源資源勘查。圖6為巖性結(jié)構(gòu)與地下河展布透視觀(guān)測(cè)示意圖。

圖6 巖性結(jié)構(gòu)與地下河展布透視觀(guān)測(cè)Fig.6 Transparent observing of lithological structures and distribution of underground river systems

（4）巖溶地下河的空間展布。巖溶地區(qū)的水資源調(diào)查受復(fù)雜地形和技術(shù)的限制，傳統(tǒng)方法無(wú)法摸清巖溶地下河的展布規(guī)律。而航空電磁探測(cè)為主的地下水資源調(diào)查是國(guó)際前沿和發(fā)展趨勢(shì)。制定巖溶地下河透視方案，構(gòu)建淺表電阻率透視模型，摸清巖溶地下河空間展布規(guī)律，可為巖溶區(qū)的水資源規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

（5）亞中尺度海洋渦旋水下三維動(dòng)力場(chǎng)重構(gòu)。亞中尺度渦旋的三維動(dòng)力特征對(duì)海洋動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理解至關(guān)重要。利用交順軌海洋探測(cè)雷達(dá)等空基透視探測(cè)能力，建立渦旋水下三維動(dòng)力特征與海表溫度、海面高程、海表流場(chǎng)等遙感可觀(guān)測(cè)量之間的映射關(guān)系，有望在公里級(jí)分辨上實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)測(cè)高和厘米每秒級(jí)測(cè)流能力，結(jié)合衛(wèi)星遙感獲得渦旋海表二維特征分布，可實(shí)現(xiàn)亞中尺度海洋渦旋水下溫鹽結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，為深入了解亞中尺度海洋能量的串級(jí)傳遞機(jī)制、研究海洋能量傳輸和環(huán)境變化提供重要的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。圖7為水下三維動(dòng)力場(chǎng)、生物場(chǎng)、地形透視觀(guān)測(cè)示意圖。

圖7 水下三維動(dòng)力場(chǎng)、生物場(chǎng)、地形透視觀(guān)測(cè)Fig.7 Transparent observing of underwater three-dimensional dynamics fields，biological fields，and topography

（6）近海浮游植物生物量三維結(jié)構(gòu)構(gòu)建。浮游植物生物量的精確估算是海洋初級(jí)生產(chǎn)力和碳循環(huán)研究的關(guān)鍵。浮游植物的水下三維分布呈現(xiàn)不均勻特征，單一遙感載荷無(wú)法準(zhǔn)確獲取葉綠素的三維空間連續(xù)分布特征。聯(lián)合藍(lán)綠激光雷達(dá)的水下垂直透視能力和高光譜的空間特征提取能力，可以獲取近海浮游植物生物量三維結(jié)構(gòu)信息，從而更好地理解海洋浮游植物生態(tài)系統(tǒng)及其對(duì)海洋環(huán)境的響應(yīng)。

（7）空間連續(xù)的近海水下地形反演。激光雷達(dá)能夠以點(diǎn)云的形式高精度測(cè)量近岸光學(xué)淺水區(qū)域的水深，但是實(shí)現(xiàn)空間連續(xù)的水下地形圖繪制一直是一個(gè)難題。發(fā)展融合主被動(dòng)光學(xué)和SAR 的水深聯(lián)合反演技術(shù)，即通過(guò)聯(lián)合高光譜和激光雷達(dá)兩類(lèi)主被動(dòng)光學(xué)遙感手段實(shí)現(xiàn)光學(xué)淺水區(qū)域的水下地形反演，通過(guò)建立海浪波長(zhǎng)和水下地形的關(guān)系實(shí)現(xiàn)基于SAR 的近岸深水區(qū)域水下地形反演，可為近海資源開(kāi)發(fā)利用、海洋工程設(shè)計(jì)規(guī)劃、海上航行安全提供測(cè)繪信息保障。

5 結(jié)語(yǔ)

地球觀(guān)測(cè)是認(rèn)識(shí)地球變化、合理利用自然資源、預(yù)防自然災(zāi)害的重要戰(zhàn)略技術(shù)手段。當(dāng)前，對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)正在從國(guó)家區(qū)域性觀(guān)測(cè)擴(kuò)展到全球戰(zhàn)略性信息獲取，從對(duì)地物形貌屬性的可視化識(shí)別轉(zhuǎn)向地球圈層內(nèi)部結(jié)構(gòu)及過(guò)程變化的定量化精細(xì)分析，從地球資源靜態(tài)信息采集邁向人與自然互動(dòng)平衡的持續(xù)觀(guān)測(cè)。

“透視地球”是對(duì)地觀(guān)測(cè)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(cè)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(duì)地球圈層多物理量的動(dòng)態(tài)、立體探測(cè)，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(shí)體系的發(fā)展，并推動(dòng)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(lèi)的生產(chǎn)和生活提供智能化服務(wù)。

志謝感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“航空協(xié)同透視探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)”項(xiàng)目、“ 透視地球集成與應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)” 項(xiàng)目和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心、中國(guó)林業(yè)科學(xué)院資源信息研究所、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心、中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院等參加單位的支持。