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出版日期: 2016-09-25
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DOI: 10.11834/jrs.20166266
2016 | Volumn20 | Number 5





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论文
地球系统空间观测:从科学卫星到月基平台
expand article info 郭华东
中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100094
收稿日期: 2016-06-28; 修改日期: 2016-07-18; 优先数字出版日期: 2016-09-25
基金项目: 国家自然科学基金重大项目(编号: 41590850)
第一作者简介: 郭华东(1950-),男,研究员,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,研究方向为遥感科学与应用。E-mail:hdguo@radi.ac.cn
中图分类号: P/TP7
文献标识码: A
文章编号: 1007-4619(2016)05-0716-08

摘要

五十多年来，全球性对地观测已形成强大的技术能力和系统体系，在不同应用领域发挥了重要作用。随着对陆地、大气、海洋研究的深入，地球系统科学和全球变化研究正在向空间对地观测技术提出新的重大战略性需求。本文描述了面向全球变化应对、发展全球变化系列科学卫星的方案；提出面向宏观地球科学现象探测、构建月基对地观测系统的设想；同时，作为宏观地球科学现象研究的一个方向，论述了利用地球科学卫星和月基对地观测技术开展全球变化“三极”对比研究的思路。

关键词

地球系统科学 , 全球变化 , 科学卫星 , 月基对地观测 , "三极"对比

Earth system observation from space: From scientific satellite to Moonbased platform
expand article info GUO Huadong
Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China

Abstract

In the past 50 years, global Earth observation has formed strong technological abilities and comprehensive systems, and played a significant role in different fields. With in-depth research on land, atmosphere and oceans, a new strategic demand for Earth Observation from space is coming forth from Earth system science and global change research. In this paper, we have proposed a new series of satellites-scientific satellites for global change research, which includes the following six satellites:atmospheric carbon satellite, aerosol satellite, night-light satellite, forest biomass satellite, glacier satellite and ocean salinity satellite; and we have presented our new suggestion entitled of "Establishing a Moon-based Earth observation system", which focuses on the observation of large scale geoscientific phenomena for its several unique advantages. Meanwhile, we have introduced our idea of a "Earth observation for the three poles environment comparison research", which approaches to study global change with new Earth observation techniques including Moon-based platform and scientific satellites.

Key words

Earth system science , global change , scientific satellite , Moon-based Earth observation , three poles comparison

1 地球系统科学和全球变化的挑战

21世纪，挑战人类生存底线的一个重大问题就是全球变化，全球变化带来环境污染、土地退化、物种灭绝和资源匮乏等一系列重大问题(Foley等，2005)。全球变化正在对中国和全球人类生存与发展形成严峻挑战，威胁着人类的生活方式和生存环境，越来越成为包括中国在内的世界各国关注的重大命题，也正像IPCC主席R.Pachauri所言：“气候变化的影响已经在世界各地显现出来，在这颗星球上没有一个人会不受影响”(IPCC，2007)。

“未来地球”十年计划建议通过发挥科学和技术创新提供解决方案，帮助解决地球上3个“最紧迫问题”的挑战(ICSU，2013)。这3个“最紧迫问题”分别是：如何同时满足水和能源的需求；如何建立抗御重大自然灾害；如何在国家层次上准确地衡量温室气体排放，验证实现国家减排目标和国际减排承诺。为应对“地球最紧迫问题”，完善对地球观测与预测集成体系、利用空间综合信息为决策提供支持，提高全球范围的科学观测资源，成为应对和缓解地球系统正在发生的负面变化、保障人类生存发展的国际共识。

科学家利用空天地地球观测时空序列数据产品模拟预测取得新突破。针对导致全球变暖的温室气体、太阳活动、光散射的大气污染物以及陆地、海洋和空气之间的热传递、世界人口增加等因素，特别对气候模型中不确定性最大的CO2浓度变化的气候敏感性、海洋从大气中吸收热量的速度、光散射大气中气溶胶的制冷量效应等3个因素的模拟监测与评价，推断出全球平均气温持续上升的结论。

研究地球系统科学时，不仅要求观测系统能准确反演各个参数，而且在研究大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的宏观地球科学现象以及分析各个圈层之间相互联系和相互影响时，要求参数具有全球尺度上的时间一致性和空间连续性(Alonso和Valladares，2008)。虽然目前基于星载—机载—地面观测平台获取的大气、陆地和海洋参数精度越来越高，但是尚难以保证全球尺度上的时间一致性和空间连续性，因此还需提高大尺度对地观测能力，开拓新的对地观测平台，以大幅提升全球变化和日地复杂耦合系统科学研究水平。

全球变化和地球系统科学具有大尺度、长周期时空演变特点，是一个复杂的系统，需要用多种理论和技术开展研究。卫星对地观测技术的宏观、快速、动态、准确探测特点，使其在研究中具有独特优势，而科学目标更凝聚、观测能力更富特色的空间观测科学卫星和基于月球基地的对地观测，为我们认识地球开启了新的窗口。

目前，全球正在计划和规划至2030年的对地观测卫星将有200余颗。国际上不同国家和国际组织已规划了未来近20年的30颗全球变化科学卫星，超过了此前半个世纪的数量，显示出国际社会愈加重视全球变化的空间观测研究。30多年来中国已发射包括气象卫星、资源卫星、海洋卫星、环境卫星在内的一系列业务卫星，初步形成相对稳定的对地观测体系。但已有卫星主要为行业卫星，还没有面向全球变化研究的科学卫星，缺乏全球变化科学卫星规划，在全球变化研究中受到很大制约(Guo等，2012)。

2 全球变化科学卫星

目前已经构成了对陆地、海洋、大气等各个层面的立体观测体系，传感器工作波段覆盖了从可见光、红外到微波的全波段范围，多系统的综合组网观测，为全球变化现象精细观测提供了有效的手段。在对地观测卫星的行业卫星和科学卫星范畴内，我们将科学卫星中面向全球变化研究的称为全球变化科学卫星。全球变化科学卫星利用全波段电磁波“资源”，可提供丰富的全球变化因子观测数据。因之，开展全球变化科学卫星的研究具有重要的科学和社会意义，中国在大力发展行业卫星的同时，应开拓对人类生存带来重要影响的全球变化问题的科学卫星研究和发展，构建有特色的全球变化科学卫星观测系统。

近年来，笔者主持承担国家重点基础研究发展计划(973计划)“空间观测全球变化敏感因子的机理与方法”项目，该项目的总体目标是进行陆地、海洋和大气全球变化敏感因子的空间探测新理论、新技术和新方法的多学科综合研究，阐明敏感因子的最优电磁波谱、最优空间分辨率、最优时间分辨率，挖掘遥感监测全球变化敏感因子的电磁波谱资源，建立新的模型方法和探测全球变化现象的前沿技术模式，在此基础上提出全球变化系列科学卫星方案(郭华东，2010)。

2.1 空间观测全球变化敏感因子

研究表明在45个全球变化关键变量中，卫星对其27个变量具有观测能力。通过系统分析有关全球变化研究文献和数据资料，提出了大气、海洋和陆地3大类全球变化敏感因子的内容，分析了当前的遥感探测能力，为中国全球变化对地观测研究及其技术的需求与发展提供了借鉴(图 1)。


图 1 空间观测全球变化敏感因子机理研究框架(郭华东和朱岚巍，2013)
Fig. 1 Research framework of Earth observation for global change-sensitive variables from space(Guo and Zhu，2013)

在大气敏感因子遥感探测方面，通过对气候变化敏感因子典型光谱特征的分析，发展了对气候变化有重要贡献的辐射平衡、陆面温度、水汽、降水量和大气气溶胶等的关键性因子的空间观测技术和机理；通过对气候变化相关的现有传感器的观测窗口和分辨率的分析，探索了采用现有地基观测资料和空基观测手段对多传感器多尺度卫星遥感数据进行校验和反演的关键性技术。

在海洋敏感因子遥感探测方面，建立并完善了海洋—大气耦合系统固有模态提取的3D-HEM新方法，实现了对全球海平面高度、海洋降雨、海表温度等固有模态(全球、区域或局地显著的周期性振荡)的研究。发展了针对近海混浊水体的大气校正算法，将红外波段引入到传统的利用近红外波段的大气校正算法中，反演结果与实测数据比较表明，算法对中国近海二类水体具有较好的适用性。

在陆地敏感因子遥感探测方面，发展了基于全极化SAR数据的积雪分类方法、基于SAR干涉失相干冰川边界提取方法、基于雷达干涉测量和影像算法的冰川运动速度提取方法、基于雷达干涉冻土形变测量方法、基于高光谱遥感的植被光能利用率探测方法以及湖冰识别的反射率阈值法、温度阈值法、归一化差分积雪指数法和改进的归一化差分积雪指数法等。

2.2 全球变化科学卫星科学方案

基于以上研究，提出在中国布局新类型卫星—全球变化科学卫星(表 1)。建议按照观测需求缓急，分阶段科学安排，首批可包括大气碳卫星、森林碳卫星、雾霾卫星、冰川卫星、夜间灯光卫星、海洋盐度卫星等6颗卫星，然后依次布局(Guo等，2014a)。

表 1 全球变化科学卫星科学目标与技术参数
Table 1 Scientific objects and technical parameters of scientific satellites for global change research

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名称 探测因子 科学目标 技术参数
碳卫星 CO2、地表辐射参数 降低碳源汇时空分布不确定性；定量化CO2浓度增加对全球变暖的贡献；预测未来CO2浓度变化 幅宽：2 km×2 km；1—2 d全球覆盖一次；波段：1.61 μm/0.765 μm/2.06 μm
森林生物量卫星 森林生物量、森林高度 监测全球的森林生物量及分部和变化；为陆地碳源汇研究提供数据 P波段SAR；全极化；空间分辨率：30 m×30 m；幅宽：100 km
气溶胶卫星 气溶胶、水汽 提升气溶胶监测能力；增加区域气溶胶监测信息量；为全球气候变化模拟与预测提供数据支持 波长：0.47—11.2 μm；空间分辨率：1—2 km；观测范围：南北纬60°之间；重访时间：15 min/30 min
森林蓄积量卫星 森林碳 提高森林碳储量估算精度；正确理解森林在全球气候变化中的作用 波长：1064 nm；脉冲宽度：5 ns；光斑直径：10 m；重复周期：30 d
冰川卫星 冰川变化、数字地形 研究冰川对全球变化的响应理解；探索冰川对中国生态环境资源以及国民经济的影响 L波段SAR；重放周期：24 d；全极化和可选极化；空间分辨率：5—100 m；幅宽：30—300 km
海洋盐度卫星 海洋盐度 理解大气和海洋相互作用机理；掌握全球海洋循环过程 L波段(1.41 GHz)；空间分辨率：25 km×25 km；重访周期：1—2 d

2.2.1 大气碳卫星

利用碳卫星实时捕捉大气CO2浓度，其观测具有统一、连续、覆盖范围广的优势，比较于地面观测可以全面地覆盖全国和全球各区域。为了从CO2自然背景下甄别估算出人为活动产生的排放，同时满足全球模型模拟计算碳源与碳汇的要求，需要卫星观测反演的大气CO2混合比的精度达到1—4 ppm(Houweling等，2004；Hungershoefer等，2010；Bovensman等，2010)。

2.2.2 森林碳卫星

森林是陆地上最大的碳储库，约80%的地上碳储量和40%的地下碳储量存在于森林生态系统之中。在区域或者全球尺度上准确估算森林碳储量及其动态变化对区域乃至全球的碳循环和气候变化研究至关重要(FAO，2011)。利用星载激光雷达和合成孔径雷达系统，可以定量、连续获取区域至全球尺度高精度森林生物量，进而估算碳储量。

2.2.3 雾霾卫星

雾霾已成为严重损害人类健康、制约可持续发展的杀手。其时空分布受其排放源和大气活动等多因素影响。利用卫星遥感数据反演与雾霾关系密切的大气气溶胶空间分布是可信可行的技术手段，配置适用的卫星传感器，可反演气溶胶光学厚度，进而观测、预测雾霾发生范围与趋势。

2.2.4 冰川卫星

冰川变化是全球变化研究中的一个独特而重要的领域，是全球气候变化科学的代用指标和依据(Yao等，2012)。冰川过程以其独有的方式记录或反馈全球环境气候变化，气温、降水与冰川进退、物质平衡密切相关，利用卫星观测冰川特征对研究全球变化有重大价值。

2.2.5 夜间灯光卫星

人类活动越来越被认为是影响全球变化的重要因素。夜间灯光卫星数据可用以研究全球或区域尺度的城市土地覆盖、人口估算、经济活动等城市化关键要素的快速评估与空间综合分析(Zhang和Seto，2011)。全球及区域夜间灯光城市化的多维、多尺度研究，有助于全球环境变化与人类环境耦合规律的认识和理解。

2.2.6 海洋盐度卫星

盐度是海洋环境动力学重要参数，对其进行卫星精确观测，对研究海洋学、海洋环境和全球气候等均十分重要。盐度的变化与海洋环境及全球气候变化息息相关，是研究环流、全球海平面变化等海洋现象中必不可少的环境变量，而且也为水团分析以及全球海洋模式等研究提供参数依据(Reynolds等，1998)。

3 月基对地观测平台的构建

对地观测科学卫星获取的空间信息正在加深人们对地球的认识。但把地球作为一个整体研究时，从科学角度我们面临全球尺度上时间一致性和空间连续性观测的难题(Rignot等，2011)，这对经典对地观测技术能力提出了挑战。

月球是地球唯一的自然卫星，也是人类目前唯一能到达的星球。我们提出把月球作为平台开展对地观测的思路。一方面，月球实施对地观测是具有覆盖范围大、平台寿命长、多圈层立体探测等优势；另一方面，月球围绕者地球运动，有一面总是面向地球，是难得的“大卫星”资源，是观测地球宏观科学现象的理想平台。

面向未来，可以建立月基对地观测系统平台为目标，开展月基对地观测基础理论，宏观地球科学现象月基观测机理，月基对地观测方法等方面的研究。通过分析月地物质与电磁波相互作用，研究远距离作用及大尺度观测条件下观测特点；基于宏观尺度目标的观测要求，探究月基对地观测模型和方法；以日地月关系为基础，研究建立月基传感器参数设定及优化理论；通过大跨度学科交叉研究，提出月基对地观测平台科学构架与构建模式(郭华东等，2014)。

3.1 月基对地观测的独特优势

月球是一个长期存在的稳定平台。与人造地球卫星相比，月基对地观测具有以下优点：(1)月表处于超高真空状态，有一面总是朝向地球，可以对地球上的同一地区进行长时段、可变视角的快速观测，可同时观测到地球半球的全景。这些优势可为观测宏观地球科学及全球变化现象提供支持，甚至可能发现尚未预料到的地球科学现象。(2)覆盖范围大，可观测整个地球半球，而且观测方位角和入射角可变。(3)可布设多传感器组成基线观测，也可以使用多传感器对地球各个圈层进行统一观测。(4)平台寿命长，可提供长期稳定的连续观测数据。在月球上布设传感器开展对地观测具有独特的优势，将能够全面提升对地观测能力，大力推动某些地球科学问题的深入研究，具体包括：(1)加深对整个地球固体潮汐运动、板块运动的理解；(2)增进对全球能量平衡的认识；(3)为理解宏观地球科学现象的空间相关性提供观测依据；(4)观测全球物质循环的某些关键过程，如全球植被动态、南极冰盖运动；(5)加深对海洋内波形成与发展过程的认识；(6)地球灾害与近地空间连续监测；(7)人造地球卫星高精度定轨等。把月球作为平台实现对地球观测的思路，形成对地球宏观科学现象的动态、长周期观测能力，可获取其他对地观测技术难以得到的地球科学信息，开辟了全新的对地观测科学与技术方向，是空间对地观测的一场革命。

3.2 月基对地观测内涵

我们认为围绕月球有3个方面应用领域：(1)研究月球本身；(2)作为深空探测的平台；(3)成为对地观测的平台。其中第1项内容，一些国家在开展研究，第2项内容应是一种必然，我们提出的把月球作为综合对地观测平台的设想，是一种全新的概念，开辟了新的对地观测方向。不仅可以与中国已有的月球探测计划相辅相成，还可以为这个领域的发展做出重要国际贡献。

笔者等近年来围绕该方向开展了一些研究，提出面向全球变化的月基对地观测的科学目标，在此基础上研究了月基对地观测原理；开展基于月基光学、微波传感器的深入研究，研究月基对地观测平台的轨道特性，探讨了日地月系统仿真技术；构建月基SAR对地观测几何模型及系统参数分析(图 2)，确定适合月基SAR观测的全球变化现象，针对不同的观测对象提出相应的月基SAR系统参数(郭华东等，2013b)，并分析月基SAR实现过程中可能遇到的困难。


图 2 月基对地观测可有超稳定的空间基线
Fig. 2 A stable observing baseline at the surface of the Moon

研究中注重分析月基观测地球宏观现象的独特性，借鉴和对比已有的星载对地观测技术，厘清月基观测地表和地球外部圈层具有宏观尺度的优势目标，理解月基对地观测与星载、机载对地观测的不同特征；建立开展月基对地观测研究的系统性构架，包括建立、完善月基对地观测研究的基本概念；在月基远距离对地观测情况下，研究宏观科学目标的自身特性，包括方向性、尺度效应以及敏感度及其与电磁波的相互作用；研究长观测时段内月基观测大尺度现象的变化特征，建立地球宏观科学现象的月基观测模型。

通过月基对地观测探索性研究，建立月基对地观测基础理论，获取月基对地观测模拟图像，设计月基对地观测载荷参数，形成月基对地观测科学与技术方案，为中国联合有关国家共同建立月基对地观测平台奠定基础，为加深人类对地球的系统理解做出贡献。

4 基于空间观测的全球变化“三极”对比研究

全球变化科学卫星的目标是观测全球变化参量，月基对地观测的优势之一是宏观观测能力，“三极”在空间上分布在地球的三端点，在科学意义上是全球变化研究的理想区域。利用对地观测科学卫星和月基对地观测平台，开展“三极”对比研究意义重要，本节将全球变化“三极”对比研究作为一个科学案例进行分析。

4.1 “三极”空间对比研究意义与优势

北极、南极和青藏高原被称为地球“三极”，是全球最大的冷库和重要的碳库(Qiu，2008)。“三极”是全球变化的敏感区，是全球变化指示器，全球变化的效应在“三极”表现得尤为明显(Larson，2011)。“三极”对全球变化的反馈存在差异，其科学机理关联性理解尚不清晰。针对地球“三极”全球变化现象的方向、幅度和速率等开展对比研究；把“三极”作为统一体，从地球系统科学全局考虑全球变化敏感因子及其变化的时空多样性和相互关联性研究；从地球系统模型角度，对比分析和理解“三极”在全球气候和环境变化的作用、反馈的同步性和异步性机制研究，可以认为是未来新型空间对地观测技术进行地球探测的重要方向。基于此我们提出“全球变化‘三极’对比遥感研究”的思路*(图 3)。

*郭华东，2015，“全球变化三极对比遥感研究”科学计划建议书。


图 3 从月球对地观测平台上可直接观测“三极”环境同步变化
Fig. 3 Moon-based Earth observation for environmental change synchronously at the “three poles”

“三极”气候和环境变化不尽相同，局部地区具有波动，但相互关联和响应(Sun等，2016)。“三极”冷源在地球系统过程中具有重要的反馈和调节作用(Bokhorst等，2016)。正是由于地球系统中“三极”变化的时空多样性和相互关联特点，需要把“三极”冷源作为统一体，将局部区域单时相全球变化敏感因子从地球系统科学角度加以考虑；采用“三极”对比研究的新科学模式，开展“三极”全球变化的响应和反馈异同研究。这对于理解“三极”在全球气候和环境变化的作用、反馈的同步性和异步性，阐明人类活动与全球变化的关系及影响程度具有重要意义。

通过对地观测科学卫星和月基对地观测平台，可获取全球变化具有“三极”可比的关键要素(如冰雪、极地先锋植被、大气气溶胶等)，理解“三极”全球变化敏感要素的长期时空动态变化特征。从独特的视角阐明“三极”对全球变化的响应，认知“三极”冰雪变化对海平面上升的影响和响应异同，揭示冻土消融及极地植被变化对碳源汇的贡献，阐明人类活动对“三极”大气气溶胶贡献及气溶胶直接气候效应，为人类的生存和可持续发展提供科学依据。

“三极”遥感对比研究是一个崭新的富有生命力的方向。“三极”具有独特的地域特征，在地球科学各圈层相互作用中，“三极”具备多圈层相互作用的时空多维性和对全球变化响应的高度复杂性，是全球变化国际科学研究计划的“天然实验室”。

4.2 “三极”对比优先领域

4.2.1 “三极”冰雪变化对比

针对“三极”冰川、积雪、冻土、河湖冰、海冰等全球变化敏感要素变化的同步性和异步性，集合“三极”冰雪变化机理过程—区域气候模型，重点开展“三极”冰川进退、冻土和冰盖冻融、积雪、河湖及海冰分布研究，进行年、季、月时间尺度的变化对比及关联分析，探明冰雪相变过程中的动力响应与时空差异性，理解“三极”冰雪变化对海平面上升的影响，与气候相互作用的适应和反馈过程异同，阐明“三极”冰雪要素与全球变化的相互影响机理和适应机制的异同。

4.2.2 “三极”植被变化对比

针对北极苔原、南极半岛先锋植被、青藏高寒草地，开展地球“三极”植被年际显著变动及冻土消融导致的新生植被演进和大范围急速扩张的空间对比研究；集合遥感—冻融过程—植被生物量—碳循环模型，模拟对比南极、北极和青藏高原冻土消融—森林/草地/苔原—大气碳交换及甲烷释放大爆发过程，对比全球变暖对“三极”冻土消融导致的有机物碳释放和植被生物量积累异常变化的差异性，阐明“三极”冻土带消融和极地植被带推移对全球碳循环影响及其气候效应。

4.2.3 “三极”气溶胶变化对比研究

针对“三极”干洁大气、地表和区域特点，获取并分析“三极”大气气溶胶的多时空尺度分布特征。通过对比分析“三极”气溶胶传输效应，揭示南亚区域大气污染对青藏高原气溶胶变化，中纬度大气污染对北极地区气溶胶的变化，大洋洲及亚洲大陆对南极气溶胶变化的归因及气溶胶来源差异性，研究“三极”气溶胶辐射强迫的年/月季变化及气溶胶的直接辐射强迫气候效应，揭示人类活动对“三极”气溶胶来源的影响。

5 结 语

空间对地观测技术可以帮助人类更全面地认识地球的物理、化学和生物系统的变化规律。研究空间对地观测技术的发展历程，分析对空间地观测技术的能力，可以帮助我们更好地认识未来空间对地观测发展的科学目标和社会应用需求，最大程度地让空间对地观测服务于人类社会；把握空间对地观测的发展现状和趋势，有助于中国建立可系统观测、可连续发展、可协调合作、可有效服务的空间对地观测任务和计划体系；面向地球系统科学和全球变化研究的需求，开展全球变化科学卫星的设计，进行月基对地观测系统的研究，开辟对地观测技术与应用的新方向，无疑是有重要意义的。

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