淺論中國亞熱帶遙感現(xiàn)狀、任務(wù)與創(chuàng)新發(fā)展途徑

吳立新，孫根云，苗則朗，張愛竹，馮徽徽，胡俊，楊澤發(fā)，王威，陳必焰，湯玉奇

1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,長沙 410083;2.中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院,青島 266580

1 引 言

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、重訪周期短、數(shù)據(jù)客觀真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，已成為全球多尺度對地觀測的主要手段。近年來，不同波段及不同時空譜分辨率的對地觀測衛(wèi)星陸續(xù)升空，可獲取時間連續(xù)性更好、空間分辨率更高、信息量更多的地球觀測數(shù)據(jù)資源，被廣泛應(yīng)用于地表參數(shù)提?。喉樍?等，2016；柳欽火 等，2011，2018）、災(zāi)害監(jiān)測（吳立新 等，2021；眭海剛 等，2021）、全球變化（Gong等，2020；Zhang等，2021）和環(huán)境遙感（王橋等，2018；王橋，2021）等重點(diǎn)領(lǐng)域。在遙感研究及應(yīng)用中，由于某些研究區(qū)域或?qū)ο蟮奶厥庑?，?jīng)常面臨許多特殊難題。在解決這些難題的過程中，國內(nèi)外學(xué)者不斷開拓創(chuàng)新，逐漸形成并發(fā)展了多個遙感分支學(xué)科，如城市遙感（徐涵秋，2013；李德仁 等，2016；杜培軍 等，2018；杜培軍，2020；龔健雅等，2019，林琿等，2018）、農(nóng)業(yè)遙感（吳炳方，2000；吳炳方 等，2019；陳仲新等，2016）、大氣遙感（陳良富等，2015；李正強(qiáng) 等，2018）、極地遙感（Fraser 等，2010；吳學(xué)偉 等，2011；胡冰 等，2021）、山地遙感（Buchroithner，1990；李愛農(nóng)等，2016a，b；Morley等，2019）、海岸帶遙感（邢前國等，2011；Brakenridge 等，2013；李清泉 等，2016）、地震遙感（Wu 等，2012；王曉青，2015；Qi 等，2020）等，形成了百花齊放、百家爭鳴的遙感生態(tài)，極大促進(jìn)了遙感理論、技術(shù)與應(yīng)用的豐富與發(fā)展。

亞熱帶又稱副熱帶，是地球上熱帶與溫帶之間一個重要的過渡性氣候帶，大致分布在北半球（23.5°N—40°N）和南半球（23.5°S—40°S）之間（Peel等，2007）。亞熱帶夏季氣溫與熱帶相似，但冬季明顯比熱帶冷，最冷月均溫在零度以上。受海陸分布、行星風(fēng)系、副熱帶高壓等影響，不同亞熱帶區(qū)域的氣候特征差別很大；一般分為4種類型，即大陸西岸型（地中海型）、大陸東岸型（季風(fēng)型）、內(nèi)陸型（干旱草原與荒漠型）和山地型。其中，地中海型亞熱帶秋冬季降水頻繁，雨熱不同季；遠(yuǎn)離海洋的大陸型亞熱帶水汽條件較差，多發(fā)展為半干旱或干旱的沙漠荒地。中國亞熱帶位于歐亞大陸板塊的東岸、太平洋西岸的季風(fēng)濕潤區(qū)，地理位置十分獨(dú)特（竺可楨，1958；楊勤業(yè)等，2006）。受歐亞大陸東岸的海洋性季風(fēng)和西邊青藏高原地形的影響，中國亞熱帶地區(qū)水熱條件豐富，雨熱同季、氣候適宜，成為舉世聞名的魚米之鄉(xiāng)，并發(fā)育了世界上獨(dú)特的亞熱帶常綠闊葉林（Ashton和Zhu，2020）。

中國的亞熱帶區(qū)域以丘陵和山地地形為主，丘陵和盆地交錯，名山多姿、水網(wǎng)密布；不僅土地類型多樣、生物資源豐富（林琿和張鴻生，2021），而且歷史悠久、文化多彩、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是世界同緯度地區(qū)的一方寶地。但因地形多變且部分時段降水過于集中，也是世界上典型的地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)域（Liu 和Miao，2018），受滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害危害較為嚴(yán)重。中國亞熱帶地區(qū)復(fù)雜多變的自然環(huán)境與氣象特點(diǎn)，以及零散多發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害與廣域影響的流域污染，為中國亞熱帶資源環(huán)境與自然災(zāi)害的遙感監(jiān)測分析評估帶來了極大挑戰(zhàn)。

相對于其他遙感分支學(xué)科而言，亞熱帶遙感受有效數(shù)據(jù)少、分析解譯難等瓶頸約束而發(fā)展較晚，直到21 世紀(jì)初才逐漸引起關(guān)注。按照柯本氣候分類中亞熱帶地區(qū)的946個地名（包括國家、省份和主要河流、湖泊與典型地區(qū)），在Web of Science 中限定檢索類別為遙感（Remote Sensing），以亞熱帶（Subtropics、Subtropic、Subtropical）或亞熱帶地名或研究對象的中英文為關(guān)鍵詞，檢索截至2021-11-10 前發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，共得檢索結(jié)果12253 條，其中有6896 篇研究論文、5371 篇會議錄論文；關(guān)于中國的檢索結(jié)果有5452 條，包括3821 篇研究論文、2139 篇會議錄論文。論文發(fā)表與引用情況如圖1所示?？梢姡?001年之前的文獻(xiàn)很少，但2001年以后快速增長；2001年—2018年文章發(fā)表量從58 篇增加到582 篇，增長了10 倍；2018年—2019年增幅超過30%，2020年—2021年持續(xù)保持高位增長（圖1（a）），引用情況與發(fā)文量的變化趨勢基本一致（圖1（b））。近年亞熱帶遙感的發(fā)文量與被引次數(shù)的快速增長，表明亞熱帶遙感受到的關(guān)注越來越多，并迅速成為遙感研究的熱點(diǎn)與前沿方向。

圖1 亞熱帶遙感發(fā)文量及被引數(shù)（Web of Science統(tǒng)計）Fig.1 Literature on subtropical remote sensing（data source：Web of Science）

經(jīng)過近20年快速發(fā)展，亞熱帶遙感研究也逐漸呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢。國際上亞熱帶遙感的相關(guān)研究主題主要包括：土地覆蓋變化監(jiān)測（Prasad等，1990；Thenkabail 等，2005；Berlanga-Robles和Ruiz-Luna，2011；Malahlela 等，2014；Monteiro等，2021）、城市環(huán)境監(jiān)測（Da Costa 和Cintra，1999；Nichol 等，2006）、濕地制圖（Rio 和Lozano-Garc?′a，2000；Morris等，2019）、震害及次生災(zāi)害監(jiān)測（Kaya 等，2005；Lacroix 等，2015）、水環(huán)境與水質(zhì)監(jiān)測（Rajesh 等，2020；Kim 等，2020；Lee 等，2020）、植被生物量反演（Rajapakse 等，2002；Madugundu等，2008；Masemola等，2016）、氣溶膠參數(shù)反演（Carvalho 和Henriques，2000；Mhawish等，2021）等。

中國亞熱帶主體為季風(fēng)濕潤氣候，多云多雨導(dǎo)致水系發(fā)達(dá)、河湖密集；由于人口增長、快速城鎮(zhèn)化及礦產(chǎn)資源大規(guī)模開發(fā)，區(qū)域資源環(huán)境面臨空前壓力，綠色發(fā)展要求與生態(tài)文明建設(shè)背景下產(chǎn)生了許多新的遙感監(jiān)測需求。圍繞城市下墊面變化（徐涵秋，2013；Zeng 等，2015；龔健雅等，2019；Jing 等，2021）、洪澇災(zāi)害（Liu 等，2014；眭海剛 等，2021；許小華 等，2021；郭山川 等，2021；黃詩峰 等，2021）、紅樹林（Chadwick，2011；Jia 等，2015；張雪紅，2016；Chen 等，2017）、森林退化（Zhang 等，2014；徐歡等，2018；陳斌等，2019）等具體問題，學(xué)者們開展了一些獨(dú)具特色的研究，豐富了亞熱帶遙感的應(yīng)用實(shí)踐。

但是，亞熱帶遙感理論與技術(shù)的綜合、系統(tǒng)性研究尚處于起步階段。目前研究大多集中于對某一特定對象、局部區(qū)域或某些具體問題，對于亞熱帶遙感的基本內(nèi)涵、共性問題、主要任務(wù)、發(fā)展機(jī)遇和發(fā)展途徑等論述較少，尚未發(fā)展成為專門的亞熱帶遙感理論與技術(shù)體系，綜述文獻(xiàn)幾為空白。近期，林琿和張鴻生（2021）對當(dāng)前熱帶和亞熱帶遙感研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述分析，總結(jié)了熱帶與亞熱帶遙感研究的主要對象、所用遙感技術(shù)，討論了熱帶與亞熱帶遙感面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。但是，亞熱帶和熱帶存在較大差異，尤其中國亞熱帶覆蓋區(qū)域要遠(yuǎn)多于熱帶，而且人口眾多、地貌多樣、地形復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人文地理環(huán)境各異，亞熱帶面臨的科學(xué)問題具有獨(dú)特性和挑戰(zhàn)性。因此，亟需針對中國亞熱帶地域特色、面向國家重大需求，大力發(fā)展亞熱帶遙感理論、方法和技術(shù)體系，支撐中國亞熱帶可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)與“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

本文擬從中國亞熱帶遙感基本特征分析出發(fā)，按數(shù)據(jù)類型梳理中國亞熱帶遙感的應(yīng)用實(shí)踐；進(jìn)而總結(jié)中國亞熱帶遙感實(shí)踐面臨的共性問題，分析亞熱帶遙感核心元素的特點(diǎn)，提出亞熱帶遙感的重點(diǎn)任務(wù)與科學(xué)問題；并響應(yīng)時代主旋律，闡述中國亞熱帶遙感的發(fā)展機(jī)遇，探討創(chuàng)新發(fā)展途徑。

2 中國亞熱帶遙感應(yīng)用實(shí)踐

2.1 中國亞熱帶遙感的基本特征

亞熱帶區(qū)域一般自然環(huán)境復(fù)雜、氣候類型多樣、地物種類繁多、地表覆蓋破碎，尤以中國亞熱帶區(qū)域?yàn)樽睢Ｖ袊鴣啛釒^(qū)域主要位于秦嶺—淮河以南、雷州半島以北、橫斷山脈以東的廣大區(qū)域；屬于大陸東岸型季風(fēng)濕潤區(qū)，面積約240 萬km2，占全國國土面積的25%左右；區(qū)內(nèi)人口密集，約占全國總?cè)丝诘?0%，且社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異較大。受季風(fēng)環(huán)流和青藏高原影響，該區(qū)域多云多雨、夏季暴雨頻繁，年降水量達(dá)1000—2000 mm，易誘發(fā)滑坡、泥石、崩塌、水土流失及洪澇災(zāi)害；而冬夏干濕差別不大，冬季也有相當(dāng)數(shù)量的降水，凍害、冰雹及高山區(qū)雪害也時有發(fā)生（寇志翔等，2020）。中國亞熱帶區(qū)域地形地貌、氣象條件與生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，造成該地區(qū)衛(wèi)星觀測困難、遙感應(yīng)用實(shí)踐不足。

結(jié)合中國亞熱帶的自然條件和遙感應(yīng)用實(shí)踐，分析認(rèn)為中國亞熱帶遙感具有3 個基本特征：（1）監(jiān)測區(qū)域廣、自然景觀多樣：中國亞熱帶覆蓋范圍廣，氣候類型多，經(jīng)常云霧繚繞，可使用的有效光學(xué)影像少；且地形地貌復(fù)雜多樣，地物之間相互影響，遙感信息復(fù)雜、定量建模困難；（2）監(jiān)測要素多、人地交互強(qiáng)烈：中國亞熱帶地區(qū)降雨豐沛、溫度適宜，自然資源極為豐富，不僅森林類型多，植被、作物、礦產(chǎn)等資源豐富，且人地交互作用與系統(tǒng)耦合關(guān)系強(qiáng)，影響因子多，演變過程復(fù)雜，遙感監(jiān)測困難、定量分析不便；（3）環(huán)境變化快，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜：中國亞熱帶河流湖泊眾多、雨量充沛，加上山區(qū)分布廣，滑坡、泥石流、旱澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致環(huán)境變化快，對遙感監(jiān)測的時效性要求很高，單一平臺、單一模式難以奏效。需要協(xié)同利用多平臺、多模式遙感監(jiān)測的綜合優(yōu)勢，探索解決中國亞熱帶資源環(huán)境與自然災(zāi)害監(jiān)測面臨的具體問題。

2.2 中國亞熱帶遙感應(yīng)用實(shí)踐

2.2.1 基于光學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)踐

光學(xué)遙感利用可見光、近紅外和短波紅外對地物進(jìn)行成像觀測，是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的遙感對地觀測技術(shù)。光學(xué)遙感的優(yōu)勢是免費(fèi)數(shù)據(jù)多，可從不同空間分辨率、長時間序列對地表進(jìn)行監(jiān)測和分析。典型的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)包括Landsat、Sentinel-2、中國的高分及風(fēng)云衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)等。亞熱帶光學(xué)遙感的典型實(shí)踐包括：地表覆蓋分類（張彥忠和張福祥，1994；李振等，2018；何云等，2019）、植被/水體信息提?。ǚ匠?等，2016；劉魯霞 等，2019；Lin 等，2021）、土地利用變化監(jiān)測（Zhang 等，2014；Lu 等，2015）、城市擴(kuò)張及熱環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測分析（Feng 等，2014；劉文斌等，2018；李雅箐等，2018）等。

早期光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的空間和光譜分辨率都較低，只能對某些典型地表要素進(jìn)行分類，難以實(shí)現(xiàn)地物精細(xì)分類（雷福光等，1984）。隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，光學(xué)影像的空間分辨率不斷提高，空譜信息協(xié)同使用等有效提高了影像解譯效果。亞熱帶應(yīng)用場景隨之增多，實(shí)現(xiàn)了亞熱帶竹林（Mao等，2017；Li 等，2019b；Ji 等，2021）、紅樹林（Jia 等，2015；張雪紅，2016）、馬尾松（申鑫等，2015；徐念旭等，2018）等典型地物的遙感分類；在亞熱帶環(huán)境監(jiān)測中也得到較好應(yīng)用，如水體污染監(jiān)測（王行行等，2020；Lin等，2021）、大氣污染（朱金盛，2015；Wang等，2019a）等。

隨著衛(wèi)星影像時間分辨率的不斷提高，光學(xué)遙感在亞熱帶地表覆蓋、城市擴(kuò)張與大氣環(huán)境監(jiān)測方面開始發(fā)揮重要作用（Zhang 等，2020；Li 和Cheng，2021；Jing 等，2021）。例如，湯玉奇等（2016）利用長時序Landsat數(shù)據(jù)，監(jiān)測改革開放以來長株潭城市群擴(kuò)張過程，揭示了長株潭的多中心發(fā)展模式；Tang 等（2014）利用紅外數(shù)據(jù)反演分析長株潭地表溫度演化特征，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)空間分布與城區(qū)范圍基本一致，且隨城市擴(kuò)展而向外延伸；牟昱璇等（2020）利用Sentinel-2A 影像，結(jié)合面向?qū)ο蠛蜎Q策樹分類，提取了南方地形復(fù)雜地區(qū)的破碎型耕地信息。此外，光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在洪澇災(zāi)害監(jiān)測（Liu 等，2014；黃詩峰 等，2021）、植被病蟲害監(jiān)測（趙曉陽等，2019；Dong等，2020b）方面也得到了大量應(yīng)用。

盡管如此，由于中國亞熱帶地區(qū)常年云霧繚繞、光學(xué)衛(wèi)星有效數(shù)據(jù)少，導(dǎo)致現(xiàn)有的遙感專題產(chǎn)品時間分辨率不足。地表覆蓋變化監(jiān)測一般只能做到年際尺度，難以厘清亞熱帶區(qū)域人地現(xiàn)象的動態(tài)特征，限制了高動態(tài)、專項監(jiān)測工作的有效開展。

2.2.2 基于高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)踐

高光譜遙感本質(zhì)上屬于光學(xué)遙感，但因其納米級的光譜分辨率，使得地物精細(xì)分類成為可能。高光譜遙感技術(shù)發(fā)展及其亞熱帶應(yīng)用實(shí)踐，帶動了亞熱帶遙感研究開始由定性向半定量、定量轉(zhuǎn)變。近年，研究提出了許多專用算法、模型與數(shù)據(jù)庫，包括亞熱帶大氣、水、植被、礦物等理化參數(shù)的提取與反演，并應(yīng)用于城市環(huán)境與植被生物量評估、云檢測、氣溶膠反演、葉綠素反演、沉積物反演、生物多樣性反演等方面（Nichol 等，2006；Zhang 等，2018；Chen 等，2020b；Jiang等，2020；Lee 等，2020；栗旭升 等，2020；Xie等，2022）。利用高光譜遙感可實(shí)現(xiàn)葉綠素信息的精確提取，對植被健康評估、水體環(huán)境監(jiān)測等有重要意義（Zhang 等，2018；Jiang 等，2020）。MODIS 作為一種廣泛應(yīng)用的免費(fèi)高光譜數(shù)據(jù)，在氣溶膠光學(xué)厚度反演（He等，2010）、植被生產(chǎn)力評估（周峰 等，2012；Fu 等，2013）、亞熱帶典型地物（如橡膠林、竹林等）的物候分析（劉曉娜等，2012；崔璐等，2019）等方面，均有成功應(yīng)用。

由于新型高光譜遙感靜止衛(wèi)星的時間分辨率提升，使得亞熱帶大氣遙感連續(xù)監(jiān)測成為可能。例如，Wang（2019c）、Li（2019a）等同步開展了靜止衛(wèi)星Himawari-8 在中國中東部的驗(yàn)證工作，分析氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）產(chǎn)品在不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同地表類型情況下的性能差異，并改進(jìn)了反演算法，提升了L3 產(chǎn)品精度。在大氣細(xì)顆粒物濃度估算方面，Wang 等（2019b）提出一種基于兩級模型和靜止衛(wèi)星的中國中東部AODPM1估算模型，提高了遙感估算精度，并據(jù)此分析了2015年—2017年中國中東部PM1濃度分布特性。

近年，無人機(jī)高光譜技術(shù)發(fā)展較快，其獲取影像的較高空譜分辨率使得地物遙感精細(xì)識別得以實(shí)現(xiàn)，已在植被病害、精細(xì)農(nóng)業(yè)、水質(zhì)反演等方面取得了顯著效果（楊振等，2020；梁輝等，2020；鄧小玲等，2020）。但由于無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取成本高、能力有限，尤其是作業(yè)過程受云雨限制，難以在亞熱帶區(qū)域大范圍、常態(tài)化鋪開。

總之，高光譜遙感的亞熱帶應(yīng)用面臨著與光學(xué)遙感同樣的問題，即受多云多雨影響，有效數(shù)據(jù)獲取有限，導(dǎo)致現(xiàn)有的定量產(chǎn)品時間分辨率不足，地物分類與環(huán)境健康類遙感產(chǎn)品一般只能做到季節(jié)尺度，難以支撐亞熱帶可持續(xù)發(fā)展研究與生態(tài)文明及“雙碳”目標(biāo)管理需求。

2.2.3 基于微波數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)踐

微波信號包括地物的微波輻射（對應(yīng)被動微波遙感）和衛(wèi)星的微波發(fā)射（對應(yīng)主動微波遙感），因波長較長而能不同程度地穿云透霧，不受天氣和光照條件限制，可全天候全天時獲取地表信息，是亞熱帶遙感監(jiān)測的重要手段。此外，微波遙感信號與觀測對象的幾何結(jié)構(gòu)、介電特性、表面狀態(tài)等屬性特征密切相關(guān)，具備有別于光學(xué)遙感的獨(dú)特觀測能力（Jendryke 等，2017）。國內(nèi)外利用不同的主被動微波遙數(shù)據(jù)，在植被結(jié)構(gòu)信息反演（Chen 等，2017；劉雪蓮 等，2020）、土壤水分反演（羅宇等，2020；劉萬俠等，2011；Feng 和Liu，2014，2015）、災(zāi)害災(zāi)情監(jiān)測（Wang等，2021；孫濤 等，2021；劉小莎 等，2021）、大氣與海洋參數(shù)反演（Zheng 等，2019；Liu 等，2020；方莎莎等，2020）等方面開展了大量研究。例如：劉雪蓮等（2020）利用Sentinel-1A 的VV、VH 極化后向散射系數(shù)，設(shè)計了森林蓄積量估算模型，實(shí)現(xiàn)了云南思茅地區(qū)森林蓄積量的遙感反演。Qi 等（2020，2021a，2021b） 基 于AMER-E 和FY-3D 微波數(shù)據(jù)，分析了汶川、雅安、宜賓地震的多波段、多極化微波亮溫異常顯現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其高值異常區(qū)與地表蓋層及地形有關(guān)。

星載合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)在中國亞熱帶也已得到實(shí)際應(yīng)用（尹宏杰等，2011；Jiang 等，2016；Wang 等，2017；Hu 等，2019；劉 琦 等，2019），但受茂密植被與復(fù)雜地形影響，應(yīng)用性能有待提升。例如：Zhao 等（2018）基于Sentinel-1A、利用DInSAR技術(shù)并結(jié)合GNSS觀測，獲得了2017年九寨溝地震的同震形變，但受植被影響導(dǎo)致同震形變場不完整。Shi等（2015）基于TerraSAR-X 數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)目標(biāo)偏移量追蹤技術(shù)獲取了三峽樹坪滑坡的三維形變及歷史變形，并據(jù)此分析了庫水位變化對滑坡形成的影響。相較于中短波SAR 數(shù)據(jù)，長波SAR 數(shù)據(jù)可更好克服失相干影響。Shi 等（2016）基于長波ALOS PALSAR 數(shù)據(jù)，獲取了三峽庫區(qū)大范圍的地表形變，探測出大量的活動滑坡及其變形范圍，并通過影像重疊區(qū)域驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。

總之，微波遙感因其斜距成像模式，易受地形尤其是險峻地形影響，監(jiān)測精度有待提升；茂密植被進(jìn)一步限制了InSAR 和非長波SAR 技術(shù)的應(yīng)用。由于微波圖像的空間分辨率與穿透植被能力受波長的影響互逆，亞熱帶地表尤其是林下地表的變形監(jiān)測難以兼顧點(diǎn)位密度與監(jiān)測精度?，F(xiàn)階段有效的長波SAR 數(shù)據(jù)源不足，尚難形成對中國亞熱帶地區(qū)地表形變監(jiān)測的良好技術(shù)支撐。

2.2.4 基于多源數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)踐

無論是光學(xué)、高光譜還是微波遙感，單一模式的能力有限，只能從某個角度或某一方面反映地表信息，無法全面描述地物形態(tài)與屬性。因此，多源遙感數(shù)據(jù)的聯(lián)合使用成為必然（申鑫等，2015；徐婷 等，2015；Chen 等，2020b；Jiang 等，2021；Miao 等，2019；Wu 等，2020）。主、被動遙感協(xié)同，能有效克服亞熱帶區(qū)域多云多雨導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)不足的問題；LiDAR 技術(shù)的引入，有利于解決亞熱帶遙感面臨的實(shí)際問題。例如：徐婷等（2015）基于機(jī)載LiDAR 與Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)，開展了亞熱帶森林生物量估算研究，模型精度優(yōu)于單一數(shù)據(jù)結(jié)果；許振宇等（2020）聯(lián)合Sentinel-1A 和Landsat 8 的主、被動遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了湖南桂東縣森林生物量反演；孫濤等（2021）針對中國茂密植被山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害高位、隱蔽性特點(diǎn)，利用機(jī)載LiDAR 開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，提高了茂密植被山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患的早期識別能力；劉小莎等（2021）以九寨溝震區(qū)的日則泥石流溝為例，基于機(jī)載LiDAR 數(shù)據(jù)并結(jié)合衛(wèi)星影像，有效開展了泥石流物源識別研究。

此外，傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)與夜光遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的結(jié)合，也在中國亞熱帶發(fā)揮了重要作用（Pan 和Hu，2018；Chang 等，2019；Chen 等，2020a）。含位置信息的地理數(shù)據(jù)如地面氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)等引入，也為亞熱帶遙感監(jiān)測提供了新思路（Chen 等，2018；Wu 等，2021）。例如：趙鑫等（2020）結(jié)合NPP/VIIRS夜光和POI數(shù)據(jù)，研究了廣州市人口空間變化；Wu 等（2021）綜合利用遙感大數(shù)據(jù)、POI 和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究了2000年—2015年廣東惠州中心城區(qū)土地利用的細(xì)尺度擴(kuò)張機(jī)制；Chen等（2018）融合氣象與GNSS數(shù)據(jù)反演大氣水汽，構(gòu)建了湖南GNSS 測站的水汽含量（PWV）垂直變化模型，生成了精度優(yōu)于3 mm 的PWV圖，提升了天氣預(yù)報能力。

多源數(shù)據(jù)為亞熱帶遙感提供更多信息支撐與應(yīng)用可能的同時，也帶來了新的難題。一是多源數(shù)據(jù)獲取時間不同，期間觀測對象屬性可能發(fā)生了變化，難以保證數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性；二是多源數(shù)據(jù)協(xié)同機(jī)理研究較少，難免忽略不同源數(shù)據(jù)的成像機(jī)理差異。目前，亞熱帶遙感實(shí)踐應(yīng)用主要還是面向簡單場景或單一要素，面向復(fù)雜對象與多要素復(fù)合的復(fù)雜場景、復(fù)雜過程的遙感應(yīng)用很少，尤其關(guān)于多要素—復(fù)雜場景—地學(xué)知識的耦合研究極為匱乏。

3 中國亞熱帶遙感的共性問題

總體上，目前國內(nèi)外亞熱帶遙感實(shí)踐主要還是針對特定地區(qū)或具體問題而開展的，對共性問題缺乏總結(jié)分析，導(dǎo)致人們對亞熱帶遙感的認(rèn)識與理解還比較粗淺、不夠全面。因此，亟需系統(tǒng)性梳理，厘清中國亞熱帶遙感的面貌與共性問題?；谥袊鴣啛釒У貐^(qū)的地理特征與遙感應(yīng)用現(xiàn)狀分析，本文將其共性問題總結(jié)為4 點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 中國亞熱帶遙感應(yīng)用現(xiàn)狀與共性問題Fig.2 Current situation and common issues of subtropical remote sensing applications in China

（1）多云多雨，光學(xué)遙感信息少。受季風(fēng)氣候影響，中國亞熱帶最顯著的特征之一就是多云多雨。例如：長江中下游地區(qū)的“梅雨期”一般維持1 個月以上（楊勤業(yè)等，2006），導(dǎo)致期間光學(xué)和高光譜遙感數(shù)據(jù)難以獲取。統(tǒng)計全年數(shù)據(jù)可知，目前亞熱帶光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的單點(diǎn)有效日一般低于40%，區(qū)域有效日低于20% （賀軍亮，2020），導(dǎo)致光學(xué)衛(wèi)星難以有效發(fā)揮監(jiān)視作用。因此，光學(xué)遙感在亞熱帶地理國情、地表覆蓋、自然資源、糧食估產(chǎn)、空氣質(zhì)量、城市熱島、作物病害、災(zāi)害應(yīng)急等領(lǐng)域的監(jiān)測應(yīng)用十分受限，現(xiàn)勢性差。聯(lián)合其他觀測手段，比如微波遙感、無人機(jī)遙感，發(fā)展亞熱帶遙感協(xié)同監(jiān)測技術(shù)，顯得十分迫切。

（2）多山多林，遙感分析誤差大。中國亞熱帶山區(qū)面積廣、常綠森林覆蓋率高，山林地區(qū)空氣濕度大，即便是晴朗日子也常云霧繚繞、水汽多變，不僅制約了光學(xué)遙感的成像質(zhì)量（Du 等，2019；單娜等，2009），而且會因大氣延遲影響而擾亂InSAR 干涉測量效果（Li 等，2012）。復(fù)雜陡峻的山區(qū)地形不僅加強(qiáng)了地物之間的相互作用、加劇了信息混疊效應(yīng)，而且造成地面目標(biāo)細(xì)碎混雜、相互遮擋、形成陰影，地物信息混疊與損失嚴(yán)重（顏梅春，2007；Dong 等，2020a）。如此，強(qiáng)化了“同物異譜、同譜異物”現(xiàn)象，增大了遙感數(shù)據(jù)解譯難度與分析誤差。多山多林地區(qū)有效信息缺乏、“信息灰色”，茂密林區(qū)的林下目標(biāo)、林下地形和林下形變遙感監(jiān)測十分困難。由此，山地地形、山地生態(tài)、水土涵養(yǎng)、物種分布、土地利用、道路網(wǎng)絡(luò)、山地災(zāi)害、非法開采等監(jiān)測需求均面臨許多不確定性，難以實(shí)現(xiàn)亞熱帶山林地區(qū)精準(zhǔn)監(jiān)測與精細(xì)制圖。

（3）多河多湖，災(zāi)害遙感應(yīng)急難。中國亞熱帶以季風(fēng)性濕潤氣候?yàn)橹?，一年四季降水豐沛。長江、珠江、淮河及其眾多支流縱橫交錯，鄱陽湖、洞庭湖、太湖等大型湖泊密集，水系發(fā)達(dá)、水網(wǎng)稠密。多河多湖涵養(yǎng)了水土，也易形成泥石流、堰塞湖及洪澇災(zāi)害，加劇污染物擴(kuò)散風(fēng)險、延伸災(zāi)害時空影響范圍。以云貴川為例，該地區(qū)面積占全國易發(fā)生自然災(zāi)害的“災(zāi)三角區(qū)”約一半。受制于地形、氣候、技術(shù)等因素，現(xiàn)有的遙感觀測能力及現(xiàn)行的災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)體系，均離中國亞熱帶災(zāi)害遙感的時效性需求差距很大。未來不僅要發(fā)展災(zāi)害信息智能化、實(shí)時化處理技術(shù)，還須加強(qiáng)對孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、災(zāi)情及災(zāi)害鏈過程的基礎(chǔ)研究，提升動態(tài)監(jiān)測與準(zhǔn)確分析能力，建立適合中國亞熱帶特點(diǎn)的災(zāi)害應(yīng)急服務(wù)技術(shù)體系，以滿足亞熱帶復(fù)雜環(huán)境及災(zāi)害鏈過程的應(yīng)急任務(wù)需求。

（4）多礦多污，環(huán)境遙感任務(wù)重。中國亞熱帶地區(qū)涉及16 個省市，其中有色金屬開采量大面廣，湖南硫化物礦、江西銅與稀土礦、福建金銅礦、廣西鉛鋅礦、廣東鈾礦等，占據(jù)了全國有色金屬開采的半壁江山。礦產(chǎn)資源開采與加工過程形成了大量尾礦庫和排污點(diǎn)，在全球變化、地震擾動與強(qiáng)降雨背景下是生態(tài)環(huán)境安全的重大隱患。水系流經(jīng)礦區(qū)，造成重金屬等污染物在流域內(nèi)不斷遷移、富集、沉淀，威脅到流域水土環(huán)境、植被生態(tài)與糧食安全（饒寶文，2014；李恒凱等，2014；黎偉田，2018；郭尚其 等，2019；Liu 等，2019；華語，2020）。由于污染物遙感信息微弱、地表干擾因素眾多，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行遙感監(jiān)測異常困難。目前，中國亞熱帶礦區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查、水土氣污染監(jiān)測、生態(tài)風(fēng)險評估、尾礦壩早期預(yù)警等，主要依賴實(shí)地取樣，任務(wù)重、時效性低，基于遙感監(jiān)測的定量模型和分析方法積累嚴(yán)重不足。

綜上，中國亞熱帶地區(qū)的特殊地形地貌、氣候特征、地表覆蓋與人類活動，不可避免地給信息提取、變化檢測、分析研判、遙感建模等帶來諸多挑戰(zhàn)，尤其導(dǎo)致亞熱帶遙感監(jiān)測受阻、遙感信息灰色、遙感應(yīng)急不便、遙感建模困難。

4 亞熱帶遙感核心元素與重點(diǎn)任務(wù)

針對中國亞熱帶遙感的基本特征與國家需求，剖析亞熱帶遙感的核心元素及其主要特點(diǎn)，提出亞熱帶遙感的重點(diǎn)任務(wù)，是構(gòu)建亞熱帶遙感理論與技術(shù)體系的基礎(chǔ)。

4.1 亞熱帶遙感核心元素的特點(diǎn)

顧及對象—信息的內(nèi)在邏輯，本文提出亞熱帶遙感的2 個核心元素——地理對象和遙感信息，并深入剖析其主要特點(diǎn)（圖3）。

圖3 亞熱帶遙感的核心元素與重點(diǎn)任務(wù)Fig.3 Major elements and key tasks of subtropical remote sensing

（1）地理對象的復(fù)雜性：因中國亞熱帶地區(qū)的地理特征為多云多雨、多山多林、多河多湖、多礦多污，故其地理對象與自然場景組成復(fù)雜、成份多樣、屬性多變。不僅地理對象與自然場景普遍具有立體混合、層次交織、形態(tài)破碎的特點(diǎn)，使得遙感像元的混疊現(xiàn)象嚴(yán)重、邊界特征模糊，導(dǎo)致地物對象精細(xì)區(qū)分難度大。而且混疊植被對象的物候變化不同步、差異交織，使得遙感影像序列的不確定性增大，導(dǎo)致植被對象的變化檢測存在本質(zhì)困難。還因地形起伏背景下地理對象相互穿插、不同地物之間相互影響，導(dǎo)致遙感識別的難度大幅提升。

（2）遙感信息的病態(tài)性：受山地陰影、云霧遮擋、降雨干擾等影響，遙感數(shù)據(jù)經(jīng)常失效或缺失嚴(yán)重，遙感信息不完備。亞熱帶復(fù)雜環(huán)境中的地物單元破碎且相似度高，傳感器的分辨率難以與之適宜；復(fù)雜自然場景與復(fù)雜地理對象經(jīng)由輻散混疊效應(yīng)、傳輸路徑影響和傳感器綜合成像，并受環(huán)境散射、云雨及氣溶膠輻射干擾，最終體現(xiàn)為遙感信息的病態(tài)性。具體包括：輻射觀測信息零散雜亂、遙感信噪比低，同譜異物、同物異譜現(xiàn)象嚴(yán)重；地物的光譜特征常常發(fā)生峰谷偏移與閾值漂移。綜上導(dǎo)致，亞熱帶遙感信息解析與參數(shù)反演困難，地物分類與定量解譯的精度提升極具挑戰(zhàn)性。

4.2 中國亞熱帶遙感的重點(diǎn)任務(wù)

針對亞熱帶地理對象復(fù)雜性與遙感信息病態(tài)性問題，分析提出亞熱帶遙感理論、技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的4項重點(diǎn)任務(wù)如下：

（1）建立一整套亞熱帶遙感定量模型。遙感定量模型旨在解決遙感目標(biāo)的地學(xué)描述與定量反演問題，目前基于統(tǒng)計和基于信息物理的定量遙感模型在亞熱帶地區(qū)均遇到挑戰(zhàn)。統(tǒng)計模型通常建立在陸表變量與遙感數(shù)據(jù)的相互關(guān)系基礎(chǔ)上，地形簡單時其表達(dá)性良好；但在亞熱帶復(fù)雜地形條件下因鄰近效應(yīng)加劇，其拓展性與適宜性受到很大限制（李愛農(nóng)等，2016b；靳華安等，2016；周桃勇等，2020）。信息物理模型是建立在對現(xiàn)實(shí)場景抽象概括的基礎(chǔ)上，抽象過程中變量選擇和質(zhì)量控制對模型的有效性影響巨大，亞熱帶多山多林必然導(dǎo)致幾何光學(xué)模型復(fù)雜化。因此，針對中國亞熱帶地區(qū)的特點(diǎn)，圍繞植被凈初級生產(chǎn)力、葉面積指數(shù)、葉綠素含量、土壤濕度與地表溫度、土壤污染物成分與含量、氣溶膠光學(xué)厚度、大氣成份與微粒懸浮物等關(guān)鍵參數(shù)的定量反演需求，科學(xué)有效地處理地形影響與云雨吸收場景下的輻散變化，構(gòu)建一整套基于亞熱帶云物理的新型輻射傳輸與定量反演模型，并且增強(qiáng)地形復(fù)雜場景下遙感定量模型的魯棒性、可遷移性與可拓展性，是中國亞熱帶遙感科學(xué)研究面臨的首要任務(wù)。

（2）實(shí)現(xiàn)精細(xì)化亞熱帶遙感分類制圖。遙感分類制圖不僅依賴高空譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)，也依靠高質(zhì)量的信息處理模型。高的光譜分辨率可提升地物目標(biāo)類型的精細(xì)區(qū)分能力；高的空間分辨率對小尺度地物（如細(xì)小水體、農(nóng)家作物、違章建筑、非法排放等）監(jiān)測識別至關(guān)重要。但光譜及空間分辨率提升帶給亞熱帶遙感的實(shí)效有限。以植被為例，亞熱帶地區(qū)植被立體混雜生長，不同種類及亞種的犬牙交接、邊界模糊，區(qū)分難度大；加上植被物候帶來的屬性變化，僅僅依靠光譜分辨率的提升，植被分類精度改進(jìn)有限。而空間分辨率的提高往往伴隨地物陰影、地形效應(yīng)和對象拆解，也會制約分類制圖精度的提升。此外，受制于多云多雨的成像條件，原始數(shù)據(jù)可用性往往不高，需要開展大量數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)量改進(jìn)工作。因此，如何提升遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量及有效性，研發(fā)輕量級、高精度的特征描述模型與精細(xì)分類方法，是中國亞熱帶遙感技術(shù)發(fā)展面臨的首要任務(wù)。

（3）實(shí)現(xiàn)高精度亞熱帶遙感動態(tài)監(jiān)測。中國亞熱帶地區(qū)的典型動態(tài)監(jiān)測需求包括：耕地非農(nóng)化非糧化、土地復(fù)墾、經(jīng)濟(jì)作物病蟲害/生長狀態(tài)監(jiān)測、森林采伐跡地信息提取、非法采礦與排污監(jiān)控、綠色礦山、低碳排放與“雙碳”目標(biāo)等。這些監(jiān)測任務(wù)不僅時相要求高，而且空間分辨率要求也高，兩者往往難以兼顧。一個解決方法是降低對空間分辨率的要求，提高時間分辨率，但這很難滿足一些精細(xì)場景的動態(tài)監(jiān)測需求。另一辦法是增加可利用的數(shù)據(jù)，如引入SAR、LiDAR和眾源數(shù)據(jù)來彌補(bǔ)光學(xué)數(shù)據(jù)的不足。但因不同類型數(shù)據(jù)的觀測機(jī)理與獲取模式差異巨大，多模異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與協(xié)同還存在諸多困難。因此，如何處理和解決亞熱帶區(qū)域多源數(shù)據(jù)協(xié)同問題，建立連續(xù)、有效的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)集，構(gòu)建面向亞熱帶應(yīng)用的多源遙感數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測模型，是中國亞熱帶遙感應(yīng)用發(fā)展面臨的首要任務(wù)。

（4）服務(wù)亞熱帶災(zāi)害應(yīng)急與協(xié)同觀測。中國亞熱帶因地形復(fù)雜、河湖交錯、氣候多變，容易發(fā)生洪澇、滑坡、堰塞、潰壩、泥石流等自然災(zāi)害。受礦產(chǎn)資源開發(fā)、高速鐵路修建、地下水開采、城市地下空間建設(shè)等擾動影響，經(jīng)常發(fā)生地表沉降、礦區(qū)塌陷、水體污染等環(huán)境災(zāi)害。從災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警到應(yīng)急救援，再到災(zāi)害鏈跟蹤和災(zāi)后重建評估，是一個系統(tǒng)工程，使得應(yīng)急服務(wù)任務(wù)重、難度大、戰(zhàn)線長。遙感技術(shù)服務(wù)亞熱帶地區(qū)災(zāi)害應(yīng)急的研究雖有所開展，但相對分散，系統(tǒng)性不足；并且多數(shù)產(chǎn)品的時效性很低、模型可遷移性不足，不能直接應(yīng)用。因此，如何整合星/機(jī)載的光學(xué)、高光譜、紅外、雷達(dá)遙感及地面站點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)的多源觀測數(shù)據(jù)，建立空—天—地—網(wǎng)立體協(xié)同的綜合觀測模型與應(yīng)急服務(wù)技術(shù)體系，提高重大突發(fā)災(zāi)害的應(yīng)急聚焦觀測與決策服務(wù)能力，是亞熱帶遙感技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新的首要任務(wù)。

總之，亞熱帶遙感核心元素的問題分析與重點(diǎn)任務(wù)的確立，有利于促進(jìn)亞熱帶遙感從面向特定區(qū)域和具體問題的專題性研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷φ麄€區(qū)域與共性問題的系統(tǒng)性研究，有益于從對單一遙感應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)上升到對亞熱帶遙感服務(wù)模式的構(gòu)建，進(jìn)而促進(jìn)亞熱帶遙感理論方法與技術(shù)體系的建立。

5 中國亞熱帶遙感發(fā)展的機(jī)遇與途徑

中國亞熱帶遙感理論與技術(shù)創(chuàng)新及其體系構(gòu)建，應(yīng)響應(yīng)時代脈搏、與時俱進(jìn)。抓住百年變局的歷史機(jī)遇，謀求中國亞熱帶遙感的創(chuàng)新發(fā)展責(zé)無旁貸。以下分別從4個方面論述中國亞熱帶遙感的發(fā)展機(jī)遇與創(chuàng)新發(fā)展途徑（圖4）。

圖4 中國亞熱帶遙感發(fā)展的歷史機(jī)遇與創(chuàng)新途徑Fig.4 Historical approaches to the creativity and innovation of subtropical remote sensing of China

5.1 亞熱帶遙感發(fā)展的歷史機(jī)遇

在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)蓬勃發(fā)展的大背景下，多學(xué)科綜合交叉的遙感科學(xué)與地學(xué)問題研究步入了新的發(fā)展階段，為中國亞熱帶遙感理論與技術(shù)發(fā)展提供了難得的歷史機(jī)遇，主要體現(xiàn)在以下4個方面：

（1）各類遙感數(shù)據(jù)極大豐富。近年來，各種對地觀測衛(wèi)星陸續(xù)升空，不同分辨率（時間、空間、光譜）的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)爆炸式增長。光學(xué)、高光譜、微波衛(wèi)星協(xié)同機(jī)載觀測（多載荷無人機(jī)）與地面觀測（激光雷達(dá)與物聯(lián)網(wǎng)等），開始形成多模式空—天—地—網(wǎng)立體觀測系統(tǒng)，極大豐富了對亞熱帶地區(qū)自然及人文要素的綜合、全面感知能力，使得協(xié)同觀測與精細(xì)刻畫亞熱帶地區(qū)的復(fù)雜地表過程與人地系統(tǒng)相互作用成為可能。

（2）大數(shù)據(jù)地學(xué)應(yīng)用漸成范式。人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)地學(xué)應(yīng)用漸成范式，為亞熱帶遙感新內(nèi)涵新方法的拓展及理論與技術(shù)體系構(gòu)建（比如智能遙感、復(fù)雜場景認(rèn)知、地災(zāi)感知認(rèn)知等）提供了豐富養(yǎng)料與技術(shù)途徑。亞熱帶遙感研究結(jié)合地學(xué)大數(shù)據(jù)與云計算，必將促進(jìn)遙感技術(shù)和人工智能的深度融合，推動亞熱帶智能遙感理論的建立和技術(shù)發(fā)展。

（3）人地系統(tǒng)相互作用備受關(guān)注。全球變化與城市化背景下，亞熱帶陸表要素與人類活動的相互作用加劇，人地關(guān)系出現(xiàn)新格局。需要從不同時空尺度去研究水、土、氣、生多要素的時空變化格局，及時分析預(yù)測人地系統(tǒng)的重大事件如暴雨洪澇、臺風(fēng)火災(zāi)、地震海嘯、滑坡泥石流、水華滸苔、生態(tài)災(zāi)難及其演變過程。人地系統(tǒng)的這些重大議題豐富了亞熱帶遙感應(yīng)用的主題，人地系統(tǒng)科學(xué)的研究成果也為亞熱帶遙感模型與方法的創(chuàng)新發(fā)展提供了新動能。

（4）生態(tài)文明與“雙碳”目標(biāo)任務(wù)艱巨。生態(tài)文明與“雙碳”目標(biāo)的提出，拓寬了亞熱帶遙感的視野與舞臺。建立亞熱帶生態(tài)環(huán)境與碳收支立體監(jiān)測體系，構(gòu)建亞熱帶自然資源“山水林田湖草沙” 與亞熱帶環(huán)境系統(tǒng)“城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村廠礦園”一體化監(jiān)管體系，勢在必行、任務(wù)艱巨。該監(jiān)測/監(jiān)管體系的構(gòu)建，不僅將革新亞熱帶遙感應(yīng)用方向、促進(jìn)亞熱帶遙感理論與技術(shù)創(chuàng)新，而且將為亞熱帶生態(tài)文明建設(shè)與“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)保障與技術(shù)支撐。

綜上，亞熱帶遙感未來發(fā)展應(yīng)基于自身的核心元素與重點(diǎn)任務(wù)，面向生態(tài)文明與“雙碳”目標(biāo)、結(jié)合人地系統(tǒng)相互作用、融合地學(xué)知識與大數(shù)據(jù)范式、充分利用多源觀測數(shù)據(jù)，驅(qū)動亞熱帶遙感理論創(chuàng)新、技術(shù)突破與應(yīng)用拓展。

5.2 亞熱帶遙感的創(chuàng)新發(fā)展途徑

針對亞熱帶遙感的核心元素、重點(diǎn)任務(wù)和發(fā)展機(jī)遇，本文從4個方面提出并論述中國亞熱帶遙感的創(chuàng)新發(fā)展路徑。

（1）厘清人地現(xiàn)象的動態(tài)特征。地理對象因自身特性和人地關(guān)系的不同，其變化頻率差異很大，對目標(biāo)及現(xiàn)象進(jìn)行遙感監(jiān)測的方式方法不能一概而論。需要厘清不同對象與現(xiàn)象的動態(tài)特征，按其變化規(guī)律而發(fā)展相應(yīng)的遙感技術(shù)，構(gòu)建與之適宜的觀測系統(tǒng)。在中國亞熱帶區(qū)域，地理對象與人地現(xiàn)象的動態(tài)特征大體可分為4類：

1）低動態(tài)：被監(jiān)測對象變化緩慢，逐月或逐年的監(jiān)測頻率即可對其變化實(shí)現(xiàn)較精確評估。典型應(yīng)用包括森林植被、土壤類型、長期水量平衡、土地利用、城市環(huán)境等變化的遙感監(jiān)測。

2）中動態(tài)：被監(jiān)測對象變化較為緩慢，逐日或者逐月的監(jiān)測頻率即可滿足對其變化信息的動態(tài)跟蹤。典型應(yīng)用包括水體養(yǎng)分、濕地狀態(tài)、農(nóng)業(yè)活動、重大工程、礦區(qū)沉降、滑坡隱患、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)等變化的遙感監(jiān)測。

3）高動態(tài)：被監(jiān)測對象變化快速，需要逐日甚至逐小時地提取其發(fā)展變化信息。典型應(yīng)用包括氣象過程、臺風(fēng)過境、洪澇災(zāi)害、戰(zhàn)場環(huán)境、違建搶建等動態(tài)目標(biāo)與現(xiàn)象的重點(diǎn)監(jiān)測。

4）極高動態(tài)：被監(jiān)測對象的變化非?？焖?，短時間內(nèi)對象場景的變化直接影響相關(guān)信息處理及應(yīng)急決策，需要進(jìn)行逐分鐘甚至逐秒的信息監(jiān)測。典型應(yīng)用包括地震滑坡、泥石流、火災(zāi)，以及應(yīng)急搶險、交通出行等的跟蹤監(jiān)測。

（2）聚焦亞熱帶遙感的科學(xué)問題。因中國亞熱帶多云多雨、多山多林、多河多湖、多礦多污，地理場景復(fù)雜多樣、地物對象復(fù)雜多變、地物之間混雜疊掩，導(dǎo)致遙感像元立體混合、遙感信息呈現(xiàn)復(fù)雜病態(tài)，極易產(chǎn)生信號失真、數(shù)據(jù)失效、特征模糊、難以區(qū)分等問題，給亞熱帶遙感創(chuàng)新發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為，亞熱帶遙感面臨的科學(xué)問題包括5個方面，即：復(fù)雜場景的認(rèn)知解構(gòu)理論、輻射傳輸?shù)娜S耦合效應(yīng)、多相擴(kuò)散的時空反演模型、疊混像元的精細(xì)解混方法和云雨情景的輻散吸收變化。圍繞這些科學(xué)問題進(jìn)行基礎(chǔ)研究與攻關(guān)突破，方能為亞熱帶遙感理論與技術(shù)體系構(gòu)建奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

（3）攻克不同層面的關(guān)鍵難題。本文嘗試從遙感技術(shù)、信息處理和遙感應(yīng)用3個層面，分別對中國亞熱帶遙感面臨的關(guān)鍵難題進(jìn)行剖析。

1）遙感技術(shù)層面：雖然已有包括主被動星載、機(jī)載在內(nèi)的多模態(tài)遙感數(shù)據(jù)，但缺乏專門面向亞熱帶的遙感數(shù)據(jù)資源。針對中國亞熱帶的地理特點(diǎn)與遙感需求，應(yīng)創(chuàng)新遙感載荷與探測參數(shù)，發(fā)展針對中國亞熱帶地表監(jiān)測的新型衛(wèi)星與載荷體系，包括優(yōu)先發(fā)展長波段微波遙感衛(wèi)星。此外，需要聯(lián)合多平臺多載荷實(shí)現(xiàn)多星虛擬組網(wǎng)，構(gòu)建針對亞熱帶遙感的專用衛(wèi)星體系和觀測平臺，解決亞熱帶遙感連續(xù)觀測與數(shù)據(jù)缺失問題。

2）信息處理層面：針對亞熱帶遙感信息特點(diǎn)，應(yīng)大力發(fā)展多源遙感匹配和融合處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)亞熱帶多源遙感信息的互補(bǔ)增強(qiáng)。亞熱帶地區(qū)場景復(fù)雜，應(yīng)融合地學(xué)知識，研建典型要素—場景—知識圖譜模型，構(gòu)建亞熱帶地物遙感信息庫，實(shí)現(xiàn)亞熱帶區(qū)域典型地物的智能提取和自動分析。在處理方法上，需要發(fā)展空譜卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能提取技術(shù)，解決亞熱帶遙感信息處理面臨的瓶頸問題。

3）遙感應(yīng)用層面：遙感應(yīng)用涉及人類生產(chǎn)生活的方方面面，每一具體應(yīng)用都有其特定需求。比如：針對亞熱帶獨(dú)特的馬尾松、竹林、紅樹林、水稻、辣椒等物候特征的遙感識別，應(yīng)發(fā)展多尺度時間序列的物候監(jiān)測技術(shù)，服務(wù)生態(tài)質(zhì)量評估與碳中和目標(biāo)；針對亞熱帶地區(qū)的滑坡、泥石流、洪澇等災(zāi)害監(jiān)測需求，應(yīng)發(fā)展災(zāi)害智能感知認(rèn)知技術(shù)；針對亞熱帶自然資源調(diào)查監(jiān)測需求，應(yīng)發(fā)展大數(shù)據(jù)協(xié)同處理和共享服務(wù)技術(shù)。

總之，每個層面的問題不同，對亞熱帶遙感發(fā)展提出了不同要求。因此，要緊扣3個層面的需求與目標(biāo)，聚焦關(guān)鍵問題、典型要素和特定應(yīng)用，建立不同層面的亞熱帶遙感技術(shù)體系。

（4）結(jié)合應(yīng)用需求開展技術(shù)攻關(guān)與重點(diǎn)研發(fā)。在應(yīng)用層面，需要結(jié)合不同的應(yīng)用需求開展相應(yīng)的技術(shù)攻關(guān)與重點(diǎn)研發(fā)，具體對策包括：

1）融合多源時空譜數(shù)據(jù)，提升遙感總體分辨能力：光學(xué)、高光譜、SAR、InSAR、LiDAR、眾源等數(shù)據(jù)為亞熱帶對象識別提供了新的可能，多平臺、多時相、多角度、多參量和多極化數(shù)據(jù)的空譜融合與聯(lián)合運(yùn)用，可謂變化無窮。以亞熱帶耕地功能變更、撂荒與消退狀況調(diào)查為例，其精細(xì)識別依賴于輻射傳輸與物候信息模型；故可利用多源數(shù)據(jù)，綜合提取植物顏色、紋理、光譜、介電特性等隨物候變化的物理信息與關(guān)鍵參數(shù)。

2）協(xié)同主被動微波遙感，實(shí)現(xiàn)云霧及林下地物觀測：主被動遙感信息具有很好的互補(bǔ)性，考慮星載與機(jī)載結(jié)合、極化與干涉結(jié)合、輻射與散射聯(lián)合，可望解決多云多雨多霧條件下光學(xué)數(shù)據(jù)失效、可用性低的問題，有效提高云霧下地物觀測精度。長波段微波對茂密植被有較好的穿透性，對林下道路、地形及形變觀測也十分有益，是解決亞熱帶林下道路遙感制圖與地表形變監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)。

3）發(fā)展多模組網(wǎng)綜合觀測，提升遙感數(shù)據(jù)時空覆蓋能力：亞熱帶地區(qū)衛(wèi)星觀測有效數(shù)據(jù)少，時空覆蓋有限。顧及不同衛(wèi)星的遙感原理、技術(shù)特點(diǎn)與信息能力，從不同軌道和觀測角度對目標(biāo)場景進(jìn)行成像，可獲得不同模式、多種時相和不同分辨率的有用有效信息。因此，綜合利用極軌、靜止和視頻等衛(wèi)星資源，發(fā)展多模組網(wǎng)綜合觀測，是提升遙感數(shù)時空覆蓋能力的必由之路。

4）進(jìn)行天—空—地—網(wǎng)立體協(xié)同，實(shí)現(xiàn)參數(shù)互補(bǔ)增強(qiáng)及異常發(fā)現(xiàn)識別：亞熱帶區(qū)域的災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測需求大，但災(zāi)后常伴有陰雨天氣和次生災(zāi)害，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取困難，難以精準(zhǔn)把握災(zāi)情變化及災(zāi)害鏈演進(jìn)過程。這就需要開展天—空—地—網(wǎng)立體協(xié)同觀測，做到時、空、譜、參多種信息的互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取模式、獲取能力與時效性的增強(qiáng)，提升災(zāi)前異常信息的快速發(fā)現(xiàn)能力與災(zāi)變過程的跟蹤監(jiān)測能力。比如：亞熱帶區(qū)域的非法采礦活動與違章排污行為的遙感監(jiān)察、山體及礦山坡壩的滑坡隱患識別等，均對多模數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用與時效性有很高的技術(shù)要求。

6 結(jié) 語

目前，中國亞熱帶遙感應(yīng)用主要側(cè)重于特定問題、特定對象或特定區(qū)域，存在光學(xué)遙感信息少、遙感分析誤差大、災(zāi)害遙感應(yīng)急難、環(huán)境遙感任務(wù)重的共性問題。應(yīng)用實(shí)踐雖已取得不少成效，但這些應(yīng)用研究在很大程度上相互獨(dú)立、不成體系，研究成果缺乏整體性與普適性。要實(shí)現(xiàn)中國亞熱帶地區(qū)長時序、大范圍、高精度的智能化遙感監(jiān)測，還有很長的路要走。鑒于中國亞熱帶多云多雨、多山多林、多河多湖、多礦多污的地理特征，亟需面向亞熱帶遙感的國家需求與重點(diǎn)任務(wù)，基于亞熱帶地物對象復(fù)雜性與遙感信息病態(tài)性問題，研究構(gòu)建亞熱帶遙感理論、方法與技術(shù)體系。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。亞熱帶遙感的創(chuàng)新發(fā)展須著力抓住當(dāng)前多源遙感數(shù)據(jù)極大豐富、大數(shù)據(jù)地學(xué)應(yīng)用漸成范式、人地系統(tǒng)相互作用備受關(guān)注、生態(tài)文明與“雙碳”目標(biāo)明確的歷史機(jī)遇，立足重點(diǎn)任務(wù)落實(shí)亞熱帶遙感發(fā)展途徑，包括：厘清人地現(xiàn)象的動態(tài)特征，研發(fā)與之相適宜的遙感技術(shù)與觀測系統(tǒng)；聚焦亞熱帶遙感的科學(xué)問題，夯實(shí)遙感物理與模型方法的基礎(chǔ)研究；從遙感技術(shù)、信息處理與遙感應(yīng)用層面，攻克亞熱帶遙感關(guān)鍵難題；結(jié)合特定應(yīng)用需求、開展多方位的技術(shù)攻關(guān)與重點(diǎn)研發(fā)。