衛(wèi)星遙感的挑戰(zhàn)

經(jīng)過五十年的發(fā)展，衛(wèi)星遙感成為在區(qū)域和全球空間尺度上探測地球最有效的工具之一，提供了之前無法想象的數(shù)據(jù)量。衛(wèi)星遙感能夠快速監(jiān)測大氣、陸地和海洋，非接觸式的觀測過程有效避免了實地測量中的限制和危險。目前，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)支持了大量的實際應(yīng)用。例如，支持天氣預(yù)報、農(nóng)業(yè)漁業(yè)、測繪、城市規(guī)劃和礦產(chǎn)資源勘探，監(jiān)測環(huán)境污染、氣候變化、海岸線動態(tài)、海面溫度和鹽度、海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物量、海平面變化、植被、森林等，并為應(yīng)對COVID-19等科學(xué)研究提供了重要的遙感數(shù)據(jù)支撐。

尤其在近二十年，衛(wèi)星設(shè)計發(fā)展迅猛，推出了更先進(jìn)的衛(wèi)星載荷。例如，在環(huán)境領(lǐng)域?qū)Χ趸己图淄楸O(jiān)測的MOPITT、GOSAT和OCO，通過監(jiān)測大氣狀態(tài)進(jìn)行天氣預(yù)報和應(yīng)對氣候變化的紅外測深儀AIRS、TES、IASI、IMG和CRIS，還有多用途的MODIS、MERIS和SGLI，以及比較專用的ATSR、AATSR、MISR和POLDER等載荷。除了傳統(tǒng)的被動觀測之外，還發(fā)射了CloudSat、CALIPSO和Aeolus等主動觀測載荷，用于監(jiān)測云層、氣溶膠和風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)。

空間儀器技術(shù)和信息學(xué)的繁榮發(fā)展使得從硬件、數(shù)據(jù)采集和處理方面對衛(wèi)星觀測的限制大大削弱，學(xué)術(shù)界在管理和分析衛(wèi)星數(shù)據(jù)方面也積累了豐富的經(jīng)驗，不斷挖掘現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)集的潛力，并逐步了解如何改善未來的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些進(jìn)步幫助人們了解了衛(wèi)星遙感的真正價值和潛力，但也認(rèn)識到其局限性。學(xué)術(shù)界從未停止嘗試解決遙感技術(shù)存在的基本困難，如信號與噪聲分離、準(zhǔn)確的儀器校準(zhǔn)、觀測數(shù)據(jù)信息量少且不足以完全描述地球物理化學(xué)和生物過程、可觀測目標(biāo)和對象數(shù)量不斷增長等問題。這些衛(wèi)星遙感根本問題在實際處理過程中，往往需要通過理論模型、先驗知識和輔助觀測進(jìn)行適當(dāng)約束，在一定程度上尚未完全解決。

當(dāng)前衛(wèi)星遙感技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括時空覆蓋的挑戰(zhàn)、增加信息量與協(xié)同觀測的挑戰(zhàn)、遙感反演算法的挑戰(zhàn)、高質(zhì)量長期數(shù)據(jù)一致性和連續(xù)性的挑戰(zhàn)。著眼未來，有必要從衛(wèi)星設(shè)計、觀測、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測應(yīng)用等多個角度梳理面臨的挑戰(zhàn)。

一、時空覆蓋的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星遙感的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠快速觀察地球的大部分區(qū)域，但當(dāng)前可用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆蓋范圍有明顯的局限性。低軌道中的地球極地軌道載荷通常需要至少一天或更長時間才能實現(xiàn)全球覆蓋，因此無法完全捕獲許多具有較高時空變異性的自然現(xiàn)象，而對地靜止觀測高軌道（GEO）載荷通過高頻次對同一區(qū)域進(jìn)行晝夜觀測來解決這一局限。但是，在空間覆蓋范圍和衛(wèi)星圖像的分辨率之間仍然需要權(quán)衡取舍（通常，較高的覆蓋范圍會導(dǎo)致較低的空間分辨率）。

最理想的情況是衛(wèi)星遙感具有廣泛的高分辨率時空覆蓋，但這極具挑戰(zhàn)性。為此，衛(wèi)星觀測的設(shè)計需要創(chuàng)新，并發(fā)揮輔助數(shù)據(jù)以及互補(bǔ)觀測的協(xié)同作用，以增加時空數(shù)據(jù)記錄的覆蓋范圍和分辨率。

二、增加信息量與協(xié)同觀測的挑戰(zhàn)

盡管現(xiàn)有衛(wèi)星觀測性能已經(jīng)較高，但是這些觀測提供的信息量仍然有限。在復(fù)雜的環(huán)境中，沒有哪種單一載荷可以提供有關(guān)目標(biāo)的全面信息，因此仍須開發(fā)部署具有增強(qiáng)功能的新傳感器或其組合。例如，多角度偏振載荷可以提供表征大氣氣溶膠和云詳細(xì)特性的最合適的數(shù)據(jù)，然而由于對氣溶膠和云的垂直變化的敏感性有限，即使是目前最先進(jìn)的多角度偏振載荷也不能確保得到完全可靠的氣溶膠特性的三維表征。而以星載激光雷達(dá)和雷達(dá)為代表的主動遙感載荷則可提供有關(guān)大氣垂直變化的詳細(xì)信息。

因此，在部署具有增強(qiáng)能力的衛(wèi)星儀器的同時，必須探索互補(bǔ)性的協(xié)同觀測，綜合在不同的時間或空間尺度上、不同光譜范圍內(nèi)對目標(biāo)物有不同靈敏度的載荷觀測值，并將衛(wèi)星觀測與亞軌道觀測以及化學(xué)傳輸模型結(jié)果相結(jié)合，以增加觀測的總信息量。如圖所示，在觀測云這種高度異質(zhì)性目標(biāo)時，綜合被動觀測數(shù)據(jù)（光譜、偏振和微波）和主動觀測（激光雷達(dá)和雷達(dá)），以降低觀測不確定性。

三、遙感反演算法的挑戰(zhàn)

算法性能是影響衛(wèi)星遙感產(chǎn)品質(zhì)量的一個關(guān)鍵要素。實際上，一旦部署了一個載荷，就無法從硬件上提高所獲得觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而反演算法卻仍可以不斷改進(jìn)。在過去的十年中，新的遙感反演算法取得了顯著進(jìn)步。例如，新算法傾向于使用更準(zhǔn)確的大氣狀態(tài)模型（而不是使用預(yù)先計算的查找表），實現(xiàn)氣溶膠與陸地表面特征和云特性的同時獲取，并能夠同時反演大量參數(shù)。面對協(xié)同觀測任務(wù)，則需開發(fā)適當(dāng)?shù)乃惴?，?yīng)用于不同載荷或它們的組合，并分析多源數(shù)據(jù)的結(jié)果。越來越多的研究人員以此作為算法開發(fā)的目標(biāo)，而算法演進(jìn)過程也確實表明利用協(xié)同觀測提高反演準(zhǔn)確性具有很大的潛力。

同時，把機(jī)器學(xué)習(xí)方法不斷地應(yīng)用在算法開發(fā)中得到的經(jīng)驗說明，機(jī)器學(xué)習(xí)非常適合于對地球觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。機(jī)器學(xué)習(xí)可以從數(shù)據(jù)中“學(xué)習(xí)”，并在最少的人工干預(yù)下做出決策，近年來這一方法中新興的深度學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不但應(yīng)用于遙感研究中處理和分析大量數(shù)據(jù)，并有望進(jìn)一步改進(jìn)物理現(xiàn)象的預(yù)測和建模。

四、高質(zhì)量長期數(shù)據(jù)一致性和連續(xù)性的挑戰(zhàn)

長期且高質(zhì)量的基礎(chǔ)變量觀測記錄對于監(jiān)測和研究地球（例如，氣候變化等）至關(guān)重要。為保證高質(zhì)量觀測的連續(xù)性，正確闡釋和解釋多載荷數(shù)據(jù)記錄中的差異和一致性成為關(guān)鍵。為此，載荷的絕對定標(biāo)和多個相關(guān)載荷間的相互定標(biāo)至關(guān)重要。校準(zhǔn)和定標(biāo)對許多新型儀器，特別是小衛(wèi)星星群本身就具有挑戰(zhàn)性。在解決定標(biāo)和數(shù)據(jù)真實性檢驗的問題后，未來衛(wèi)星載荷與當(dāng)前載荷產(chǎn)生數(shù)據(jù)的延續(xù)性和兼容性也同等重要，如此才能實現(xiàn)衛(wèi)星觀測和高質(zhì)量長期數(shù)據(jù)的連續(xù)性，確保積累的記錄滿足氣候變化等全球重大問題研究的需求。

自第一顆衛(wèi)星發(fā)射超過半個世紀(jì)以來，衛(wèi)星遙感已經(jīng)發(fā)展成為一種高度復(fù)雜的工具，提供大量數(shù)據(jù)，支撐從基礎(chǔ)科學(xué)到日常生活的人類活動的方方面面。衛(wèi)星遙感面臨的這些重大挑戰(zhàn)，也同時孕育了該領(lǐng)域未來巨大的發(fā)展空間。在此，我們誠摯邀請各位讀者貢獻(xiàn)自己的所知所學(xué)，共同解決這些挑戰(zhàn)。