出版日期: 2016-11-25
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DOI: 10.11834/jrs.20165248
2016 | Volumn20 | Number 6

国家重点研发计划专题

地球资源环境动态监测技术的现状与未来

张兵 , 黄文江 , 张浩 , 倪丽

中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室，北京 100094

收稿日期: 2016-09-22; 修改日期: 2016-09-29; 优先数字出版日期: 2016-11-25

基金项目: 国家重点研发计划(编号：2016YFB0501500)

第一作者简介: 张兵(1969—)，男，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向是高光谱遥感、遥感数据处理与应用。E-mail： zb@radi.ac.cn

中图分类号: TP753/S127

文献标识码: A

摘要

针对国家全球化战略和迫切需要解决的全球环境和资源问题，本文阐述了国内外地球资源环境动态监测技术主要研究进展，发现存在地球资源环境监测高精度产品缺乏、动态监测能力不完备、遥感信息服务及时性和便携不足等主要问题。在此基础上，提出中国迫切需要发展面向全球和重点区域的持续、动态观测能力，建立全球视野的资源环境动态监测产品和应用系统，突破全球资源环境研究的理论和关键技术，建立全球资源环境遥感监测指标和技术体系，形成全球立体协同观测、资源汇聚优化、信息智能处理、云平台业务应用的自主技术体系，完善支撑任务驱动的数据汇聚、模型调度、产品生成等在线遥感信息服务能力，发布全球、洲际和全国高质量空间要素遥感信息产品、专题应用系统、技术报告等成果。最终为全球资源环境研究提供知识发现的数据和服务，支撑中国在全球资源环境监测评估、重大灾害事件监测预警、应对国家安全与全球变化等领域的服务。

关键词

全球化 , 资源 , 环境 , 高精度监测 , 动态监测 , 云平台

The current and future situation of dynamic monitoring technology for the earth resource and environment

ZHANG Bing , HUANG Wenjiang , ZHANG Hao , NI Li

Laboratory of Digital Earth Sciences, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094

Abstract

In the period of “Twentieth five-year” Currently, although the earth observation technology has rapidly developed rapidly in our country; however, it still has the major issues, such as the lack insufficiency of products with high accuracy in the fields of earth resource and environment monitoring, incomplete ability incompetence in the dynamic monitoring, and deficiency in the timeliness of service and portability. This paper comprehensively reviews the status of related technologies comprehensively, and points out identifies the development direction of the development of dynamic monitoring technology of earth resource and environmental dynamic monitoring technology in the future.Comparisons and analysis were done conducted on the main research progress of the dynamic monitoring technology of earth resource and environmental dynamic monitoring technology at home locally and abroad internationally. Then Thereafter, the major research contents were proposed in the future to meet the urgent needs in developing the ability and technology system of the continuous dynamic observation in the globe world and in the key regions for of our country.Four major aspects should be paid attention considered in the future for the dynamic monitoring technology of earth resource and environmental dynamic monitoring technology: (1) Mmulti-source remote sensing stereo observation of remote sensing and universal data processing technology; (2) the remote sensing dynamic monitoring and simulation technology of remote sensing for the factors of earth resource and environment; (3) formulating formulation of the system and platform of the dynamic monitoring technology of earth resource and environment dynamic monitoring technology; (4) the integrated demonstration application of demonstration on dynamic monitoring of earth resource and environment dynamic monitoring.It is urgent to promote the ability of the continuous dynamic observation over the whole entire world and the key regions, to is urgent to accomplish the following: (1) establish the global product and application system on the resource and environment dynamic monitoring; to break through the (2) develop theories and key technologies related with the to global resource and environment research; (3) establish the system of remote sensing monitoring factors and technologies of remote sensing monitoring on the global resource and environment; (4) form an independent technological system, including the stereoscopic global cooperation observations; the optimization of (5) optimize resource aggregation, intelligent information processing, and cloud platform business applications; (6) improve the ability of online remote sensing information service of remote sensing, such as the task task-driven data gathering, the model scheduling, and the product generating generation; and to (7) deliver achievements, such as national and global, intercontinental and country’s remote sensing information products with high quality and high spatial resolution, thematic application system and, technical reports, etc. Finally, we will provide data and service for the knowledge discovery in the field of global resource and environment, and We will also support the services in the global resource and environment monitoring and evaluation of global resource and environment, major disasters monitoring and early warning of major disasters, and responses to national security and global changes in our country.

Key words

globalization , resource , environment , high precision monitoring , dynamic monitoring , cloud platform

1 引言

随着全球化的发展，资源环境问题已不仅局限于局部区域，大区域乃至全球对环境资源问题的影响越来越强烈( 徐冠华等，2013)。作为一个正在崛起的发展中大国，应对全球环境问题，增强自主技术创新能力，保障国家安全，支撑森林资源、粮食、生态安全、能源、水资源、产业转型升级等重大应用需求，“十二五”期间，中国对地观测技术发展迅速，并通过国家高科技研究发展计划(863计划)等重大项目攻关和国际合作，初步形成了多种分辨率、多谱段、多模式的全球卫星遥感观测与应用能力，但是与卫星数据获取能力的大幅提升相比，中国在全球资源环境高精度动态监测技术发展及其推广应用、遥感数据获取与信息服务的便捷化，以及大规模遥感数据处理平台建设与共享等方面仍存在诸多瓶颈问题( 周成虎等，2008；任伏虎和王晋年，2012；戴芹等，2008)，亟需针对性地开展相关研究。倡导并践行“国家利益扩展到哪里，空间信息保障就延伸到哪里”的理念，迫切需要发展面向全球和重点区域的持续、动态观测能力，突破全球资源环境研究的理论和关键技术，建立全球资源环境遥感监测指标和技术体系，建立全球视野的资源环境动态监测产品和应用系统，发布全球、洲际和全国高质量空间要素遥感信息产品、专题应用系统、技术报告等成果，构建面向全球和重点区域的环境资源空间信息保障体系。

2 地球资源环境动态监测技术研究进展

2.1 国内外研究现状与存在问题

地球资源环境是人类生存和经济社会可持续发展的基础，是地球多圈层相互作用的综合体现，作为一个独特而复杂的层面，它与人类的生存和发展息息相关。在该层面上水、土、气、热、生、人等是最为活跃的因素，其综合作用塑造的资源环境也呈现出时空多变性( 蔡学林等，2000)。近年来全球范围内的资源环境变化引起了世界各国的高度关注。资源环境评价与保护是一个综合的问题，涉及面很广，如何准确、快速地获取多种时空尺度资源环境变化参数是关键。传统的基于地面台站测量的手段远远不能满足对区域乃至全球尺度资源环境监测的需求，遥感由于具有全球性和周期性的数据获取能力而被寄予厚望( 刘纪远，1997；冯筠和黄新宇，1999)。以美国、欧洲为代表的发达国家，陆续发射以资源环境和人类活动为主要监测目标的系列对地观测卫星，为开展各领域的遥感监测应用提供了大量、各式各样的数据源([2016-08] http://www.earth. nasa.gov；紫晓，2005)。中国也初步建立和正在建立气象、资源、海洋、环境减灾等系列对地观测卫星系统( 童庆禧，2005)。目前，国内外利用多源对地观测遥感数据以及地面网络台站观测数据，初步实现了对地球表层资源环境要素的监测，形成了不同尺度遥感数据产品，为掌握地表资源环境要素时空演变规律发挥了重要作用( 历华等，2007；罗敬宁等，2003；张正等，2016； Petit和Lambin，2001； Zhang，2010)。

随着全球环境变化和全球经济一体化进程加速，地球资源环境正在以前所未有的速度和强度变化，迫切需要发展从地表到近地空间的高时空分辨率、高精度、动态和全球尺度监测能力。以美国宇航局和欧空局为主的国际机构建立了全天候、多尺度卫星遥感体系，并为全球资源环境监测和地球科学研究提供了系列陆表、大气、海洋等全球遥感产品。中国也初步建立了陆地、海洋、大气等对地观测技术体系，为国家资源环境决策提供了大量的遥感监测信息。

目前全球尺度地球资源环境要素遥感产品集中在公里级低分辨率尺度，包括中国自主知识产权的全球遥感产品全球陆表特征参量产品(GLASS)，这些低分辨率全球遥感产品为地球资源环境监测发挥了重大作用( 梁顺林等，2013)。但随着国家利益日益全球化和“一带一路”国家发展战略提出，国家应用和科学需求对遥感技术提出了新的挑战，低分辨率遥感产品已不能满足新形势下的国家需求。

当前，伴随中国高分、资源、吉林等系列卫星、及欧洲哨兵(Sentinel)系列卫星、美国陆地卫星(Landsat)的高质量在轨运行，全球10—30 m卫星影像的每日全覆盖已经成为可能，对地观测正迅速进入中、高分辨率时代。美国利用Landsat数据生成了全球2000年—2012年森林面积变化监测产品( Hansen 等，2013)；中国也基于Landsat数据生产和发布了全球第一套30 m分辨率的全球土地覆盖产品，但监测周期为5年—10年一次，尚未形成全球年度监测能力( Gong 等，2013)。

2.2 国外相关研究进展

欧美在地球资源环境监测方面起步较早，特别是低分辨率卫星对地观测系统已经比较完善，并且在全球资源环境监测领域发挥了不可替代的作用，近年来在中高分辨率资源环境监测方面也逐步构建和完善中，相关情况见表1。

表 1 国外从事相关研究的主要机构与研究进展
Table 1 Major institutions and research progress of related reasearch abroad

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序号	机构名称	相关研究内容	相关研究成果
1	美国宇航局NASA戈达德太空飞行中心GSFC([2016-08]http://www.nasa.gov/goddard)	(1)地球观测系统(EOS)，发射系列卫星，进行全球变化信息收集；(2)地球系统任务(ESM)，EOS后续任务，加深对气候系统和气候变化的认识；(3)联合极轨卫星系统(JPSS)，美国下一代极轨环境卫星，用于天气预报和环境监测。	(1)研发了针对不同传感器的地表和大气参数反演算法；(2)生产了基于不同传感器的全球产品，特别是2000年以来以MODIS数据为主的陆地、大气、海洋44个标准产品，空间分辨率0.25 km—0.25°。	数据及产品已广泛用于全球变化及区域生态环境监测，国内包括气象部门、环保部门、农业部门等也将MODIS数据纳入业务运行，进行中国生态环境监测、作物估产等。
2	美国地质调查局地球资源与科学中心(USGSEROS)([2016-08]http://eros.usgs.gov/)	(1)Landsat系列卫星，探测地球资源与环境；(2)收集航拍数据用以地图生产；(3)多分辨率数字高程数据集的生成；(4)森林过火区域探测及火灾预测；(5)地表遥感产品的收集、生成与分发。	(1)Landsat系列卫星30 m分辨率地表反射率及植被指数产品；(2)美国1∶250000及1∶100000比例尺土地利用/土地覆盖产品；(3)美国1∶250000比例尺矿产资源调查数据集；(4)提供森林过火区域的快速检测及火灾预测；(5)全球多分辨率地表高程数据集生成算法GMTED2010；(6)LIDAR三维点云数据集，包含美国3 m及更高分辨率的数据。	数据及产品广泛应用于调查地球资源，协助管理农、林和水利资源的合理使用，预报农作物的收成，考察和预报自然灾害等。
3	法国国家空间研究中心(CNES)([2016-08]https://cnes.fr/en)	(1)研发SPOT系列卫星，进行土地利用/覆盖制图、植被监测、自然灾害影响评估等；(2)海洋地形、动力、盐度等监测如Topex/Poseidon，Jason卫星等；(3)参与欧空局对地观测卫星计划、哥白尼(Copernicus)计划等，监测地表植被、水循环和能量平衡等。	(1)已生成SPOT数据库，存档自1986年以来的影像；(2)VEGETATION数据集包含每10天合成的四个波段的光谱反射率及NDVI，空间分辨率为1 km；(3)大气成分及海洋(如海表高度、浪场、风速等)监测产品；(4)参与哥白尼计划地表辐射平衡、植被生物物理参数产品生产，时间分辨率10天，空间分辨率1 km。	广泛应用于岩矿填图、水资源调查、植被调查、农作物估产、土地利用监测、城市规划、自然灾害监测及森林资源调查等。
4	德国DLR/EOC德国宇航局对地观测中心([2016-08]http://www.dlr.de/eoc/en/)	(1)RapidEye卫星研发，进行植被、水体监测；(2)TerraSAR-X和TanDEM-X，TerraSAR-X卫星为高分辨率雷达卫星，TanDEM-X用于绘制全球高分辨率DEM；(3)DeCover、DeMarine计划，进行灾害、海岸带水质等监测；(4)参与欧空局对地观测卫星计划、哥白尼(Copernicus)计划等。	(1)RapidEye产品：RapidEye空间分辨率5 m；(2)TerraSAR-X产品： High ResolutionSpotLight空间分辨率1 m，SpotLight空间分辨率2 m，StripMap空间分辨率3 m，ScanSAR空间分辨率18.5 m；(3)参与哥白尼计划地表辐射平衡、植被生物物理参数产品生产，时间分辨率10天，空间分辨率1 km。	RapidEye数据用于植被变化和水体的富营养程度监测。TerraSAR-X和TanDEM-X应用于城区DEM提取、森林制图、生物量估算、冰川地形提取及质量平衡估算、火山监测、洋流和河流流速提取等领域。
5	美国马里兰大学地理系([2016-08]http://www.geog.umd.edu/)	(1)全球土地覆盖分类研究；(2)全球植被动态监测，植被、碳循环与气候变化的关系；(3)人文因素对气候变化以及自然系统的影响。	(1)生产了不同分辨率(1°/8 km/1km)的全球土地覆盖数据产品；(2)生产了2000年—2010年全球30 m分辨率农业面积变化数据产品、森林覆盖以及变化数据产品、城市化监测数据产品等；(3)在全球土地覆盖变化，经济发展、城市化和森林退化之间的关系，土地变化的社会驱动因子等方面取得了大量成果。	已用于全球变化及区域生态环境监测研究，包括土地覆盖变化检测、土地覆盖与气候的关系研究等

2.3 国内相关研究进展

在地球资源环境动态监测方面，国内相关研究机构也构建了星机地立体组网观测技术体系、全球环境资源空间信息系统、重大自然灾害响应系统、全球陆表特征参量产品生产系统、全球农情遥感监测技术体系等，并在相关行业开展了广泛而深入的应用，产生重大社会经济效益。表2列举了主要的研究机构和相关成果。

表 2 国内从事相关研究的主要机构与研究进展
Table 2 Major institutions and research progress of domestic related reasearch

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序号	机构名称	相关研究内容	相关研究成果	成果应用情况
1	中国科学院遥感与数字地球研究所	(1)陆表生态环境要素主被动遥感协同反演；(2)多平台遥感观测科学实验与环境信息模拟；(3)多尺度遥感数据按需快速处理与定量遥感产品生成；(4)高分地球表层系统科学研究应用；(5)全球环境资源空间信息系统。	(1)全波段多尺度观测和模拟平台，形成了“星-机-地”一体化多尺度的遥感综合观测能力和遥感基础理论与关键技术研发能力；(2)首创国际上第一个“数字地球科学平台”，基于此平台初步建成了”全球资源环境空间信息系统”；(3)形成以国产卫星为主的多尺度多源遥感参数反演及产品生成系统，具有40余种产品生产能力；实现了全球、洲际和区域环境资源空间信息产品持续性生成与网络化服务；(4)实现了全球重大灾害应急监测与灾情评估、全球农情遥感监测、全球海洋与内陆水环境监测、全球文化遗产地环境监测评估等；(5)相关成果获中央领导人6次批示，中办、国办采纳25次；先后入选国内十大科技新闻，获联合国“全球脉动”奖等奖项。	(1)支撑科技部国家遥感中心发布了《全球生态环境监测年度报告》，完成了报告内10个专题中的7个；(2)科学院一三五评估验收意见：建立了世界上功能最齐全的数字地球系统；拓展了全球变化空间观测方法；完善了全球农情遥感监测技术系统和全球灾害遥感监测系统，成果得到广泛应用，评估为“院优秀”(3)为国土、环保、农业、林业、应急等行业应用提供了有力支撑，并广泛应用于国土资源调查、生态环境监测、汶川地震灾害评估等领域。(4)在汶川、玉树、芦山、鲁甸等地震、澳大利亚森林火灾、渤海溢油事故等多次重大自然灾害应急处置中发挥了重要作用。
2	北京师范大学	(1)陆表生态环境要素主被动遥感协同反演；(2)全球陆表特征参量产品生产系统研发；(3)区域生态水文过程监测及模拟。	(1)基于多角度、多平台遥感数据的地表参数反演模型及算法；(2)中国自主产权的第一套长时间序列GLASS产品(分辨率1 km—5 km，时间跨度1982—2014年)；(3)基于环境卫星(HJ)数据的全国植被覆盖度产品(空间分辨率30 m，时间分辨率半个月)；(4)中国典型地物标准波谱数据库；(5)基于遥感数据的生态水文评价系统(EcoHAT)。	(1)GLASS数据已用于全球变化研究和分析；(2)30 m分辨率植被覆盖度产品应用于第一次全国水利普查；(3)EcoHAT应用于中国不同流域生态水文过程研究。
3	武汉大学	(1)国产卫星数据几何定标和处理；(2)资源三号卫星高级产品生产系统；(2)自然灾害监测预警；(3)航空航天遥感数据的自动快速处理和空间信息的快速获取。	(1)资源三号卫星高级产品生产系统，实现了资源三号卫星数据的全自动化处理；(2)水利灾害遥感监测模型及基于多源遥感信息的水文监测模式；(3)高分辨率气溶胶反演、沙尘暴预警系统；(4)航空航天数字摄影测量处理平台DPGrid。	(1)为国家基础地理信息数据生产提供了大量高质量影像数据；(2)研究成果应用于水资源监测及洪涝、冰凌等灾害的监测与分析。
4	中国科学院地理科学与资源研究所	(1)基于遥感和陆面模式的土地利用变化研究；(2)多源遥感数据融合及陆表生态环境要素遥感反演；(3)区域时空演变遥感信息精确提取与分析；(4)定量遥感产品真实性检验；(5)遥感信息模型与方法研究；(6)基于环境一号卫星的数据资源整合、数据库建设。	(1)开发了国家地球系统科学数据共享平台、全球变化科学研究数据出版系统；(2)中国5年间隔1∶1∶100000土地覆被数据集；(3)中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据相关软件及数据处理系统；(4)构建了环境遥感卫星基础空间地理数据查询系统；(5)中国不同区域多尺度遥感影像数据库(1990年—2013年)。	(1)多数数据已在“地球系统科学数据共享平台”共享；(2)用于洪水、林火、干旱、森林病虫害、地震和沙漠化等突发自然灾害的遥感监测；(3)应用于气候研究和气候变迁的研究；(4)应用于森林资源调查和经营管理。
5	中国土地勘测规划院	(1)第二次全国土地调查及年度变更调查监测与核查；(2)耕地后备资源调查；(3)全国城镇地籍调查；(4)土地资源承载力评价预警；(5)全国土地生态状况调查监测与评估	(1)构建了全国土地调查、监测、评价、规划、利用等领域的标准体系；(2)构建了全国土地基础数据库。是目前全国跨度时间最长、精度最高、覆盖最广、数据量最大的土地数据库。包括全国土地详查及年度土地利用变更、第二次全国土地调查、全国土地利用变更调查监测与核查、城乡土地价格、耕地后备资源、1∶10000主比例尺数字国土、全国土地利用总体规划、全国城镇地籍调查等成果。目前总数据量达到300 TB。每年变更调查基础遥感影像数据量达25TB，矢量数据库更新量达3 TB。	目前中国行业卫星数据的最大用户，2009年以来，年度更新、成时间序列的土地调查数据成果，在发改、农业、林业、环保、建设、规划、交通、电信、电力、石油等多个行业广泛使用，已成为中国空间数据基础设施的重要组成部分。

值得一提的是，中华人民共和国科学技术部在十二五期间资助的3项国家高技术研究发展计划(863计划)分别在数据高效获取和遥感产品高精度定量生产方面奠定了技术基础，分别是“星机地立体组网协同观测关键技术”、“全球陆表特征参量产品生产与应用”和“全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究”。通过以上项目的实施，形成了面向任务驱动的卫星、航空以及地面数据协同观测关键技术，打通了从应用需求出发的数据获取、产品生产与服务的完整链条；整理、汇编了全球近10颗卫星数据，通过模型算法研发，产生了服务全球监测低分辨率产品集GLASS和30 m分辨率的全球地表覆盖数据产品，具体体现如下：

中国科学院遥感与数字地球研究所承担的“星机地立体组网协同观测关键技术”在多星协同观测规划以及地面成像模拟仿真推演技术、事件驱动的多源遥感数据主动式服务、遥感小卫星星座地面服务技术、以及星机地协同观测实验控制与管理技术方面取得系列创新性的成果。面向遥感应用，通过时·空·谱·角等数据需求转换，建立应用需求导向的多星组网协同观测规划技术，为遥感产品生产计划、“星-机-地”协同观测提供重要依据，并已经构建了涵盖52颗卫星的地面成像仿真推演系统( 韩琼和章文毅，2013；曹平等，2014；杨中等，2014)；以遥感应用为驱动，建立了遥感数据主动式快速服务技术，为用户提供一种新型遥感数据服务模式，将传统以卫星检索为中心的数据服务模式转变为应用需求为中心的服务模式，减小应用用户数据查询难度；构建了星机地综合实验管理和控制点最新技术方法和新型软件系统，实现对卫星、航空和地面同步实验的统一规划管理，极大地提高星机地协同实验的实验效果和效率，并在关键技术基础上，形成了卫星协同组网地面成像模拟仿真推演、主动式多源遥感数据汇聚服务和星机地系统观测实验控制等原型系统，积累了丰富的卫星数据源、地面成像光谱数据和全国航空资源数据库( 张志杰等，2015； Zhang和Zheng，2012；张永军等，2014； Peng 等，2012； Ni 等，2013)。北京师范大学承担的“全球陆表特征参量产品生产与应用”项目建立了全球陆表特征参量产品生产系统，支持全球变化与地球系统模型研究。通过收集、整理、汇编了全球近10颗卫星的遥感数据及多种再分析数据，系统研发了陆表特征参量的遥感反演方法，生产了长时间序列、高质量、高精度全球陆表特征参量产品GLASS (Global LAnd Surface Satellite)。其中叶面积指数、地表反照率、地表宽波段发射率、下行短波辐射、光合有效辐射产品已经向全球发布( Li 等，2014；杜克平和薛坤，2016； Yan 等，2012)。国家测绘地理信息局承担的“全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究”项目研制完成了2010基准年的30 m全球地表覆盖遥感制图数据产品(GlobeLand30-2010)，该数据覆盖南北纬80°的陆地范围，包括耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪等10种地表覆盖类型。

尽管低分辨率全球资源信息动态监测数据和产品服务相对完善，中高分辨率遥感数据获取能力也不断增强，但全球高时空分辨率的资源环境动态监测产品和信息服务能力远远滞后，国产卫星的利用效率还很低，成为我国进行全球高精度资源环境遥感动态监测的瓶颈。主要体现在以下方面：

(1) 虽然多卫星的综合数据获取能力大幅提高，但是多卫星的立体协同观测、融合处理技术和反演技术相对滞后，监测时空分辨率与精度不足，不能满足高时空分辨率精细动态监测需求。

(2) 时间序列卫星遥感为地表变化要素探测提供了新的机遇，但动态变化要素时序监测技术薄弱，难以满足全球资源环境高可信变化检测、分析评价、模拟预测等需求。

(3) 天地联合多尺度监测数据的高效汇聚与在线融合处理技术和能力不足，地基观测和卫星观测在观测精度、时空观测频率、覆盖程度方面的互补优势未能有效利用。

(4) 大规模遥感数据处理平台建设与共享等方面仍存在诸多瓶颈，遥感产品与信息服务能力不够。

因此，迫切需要针对以上问题开展技术攻关，建立中国自主的地球资源环境动态监测技术体系，提高国产卫星数据的应用水平和产业发展，提升中国的全球资源环境遥感监测技术和服务水平，服务于中国“一带一路”等全球战略。

3 中高分辨率地球资源环境动态监测研究内容与关键技术

中高分辨率地球资源环境动态监测技术针对全球及典型区域资源、能源、生态与健康、自然灾害等，涵盖遥感数据协同观测与处理、动态监测与模拟技术、服务平台与行业应用等，重点研究内容包括以下4个方面：

(1) 多源遥感立体协同观测与数据处理共性技术。研究全球及典型区域资源、能源、生态与健康环境、自然灾害要素等地球资源环境监测指标体系，满足地球资源环境要素的高精度、高分辨率监测要求；建立全球资源、能源、生态环境、自然灾害的监测指标体系，攻克多源卫星协同观测、融合处理、应急监测等关键技术，构建高效动态监测知识库。

(2) 地球资源环境要素遥感动态监测与模拟技术。面向全球典型区域资源、环境和生态等敏感因子的多时空尺度遥感监测、变化检测、分析评价与模拟预测，研究地表高可信变化检测与高精度模拟预测等关键技术，研发多种分辨率动态监测时序产品，形成基于多源多时相卫星影像的全球尺度及典型区域地表覆盖、自然灾害、资源能源、生态环境等标志性特征的高可信变化检测、分析评价、模拟预测技术。

(3) 建立地球资源环境动态监测技术体系与平台。基于目前先进的分布式计算、云计算和大数据管理技术，设计分布式遥感大数据按需服务的体系结构，突破大区域多源遥感数据云剖分和管理技术、面向应用领域的遥感算法模型统一描述技术、复杂场景下的智能调度技术、动态监测云服务的行业应用门户引擎等关键技术，建立动态监测算法模型库、环境要素监测流程库、模型运行配置参数库等知识库，研制包含多源异构分布式海量遥感监测数据汇聚系统、云存储系统、云计算系统在内的多源监测数据在线融合及协同分析云平台和行业应用门户快速构建平台，支撑全流程规模化的行业动态监测典型应用系统建设，为多源监测数据在线融合及协同分析提供分布式大数据管理与分析方面的基础技术平台。

(4) 地球资源环境动态监测综合应用示范。在全球资源、能源、生态环境、自然灾害等领域开展全球性与区域性示范应用，开展任务驱动的多源国产卫星协同立体监测技术、面向环境要素应急与监测耦合遥感观测技术、高可信变化检测分析技术、动态遥感数据驱动的地表变化模拟预测技术的应用示范。

为此，需要重点攻克如下四方面关键技术：

(1) 地球资源环境要素的高分辨率、高精度遥感监测。当前，中国初步形成了多种分辨率、多谱段、多模式的全球卫星遥感观测与应用能力。但是与卫星数据获取能力的大幅提升相比，中国在全球资源环境高分辨率、高精度监测方面仍存在诸多瓶颈问题，迫切需要发展面向全球和重点区域的高精度、立体化、全覆盖监测能力，突破全球资源环境高分辨率、高精度监测系列关键技术，需要针对国内外多源遥感数据开展立体协同观测、数据融合和归一化处理技术研究，形成光学、微波、激光雷达、高时频等国内外多源卫星协同的立体监测、预警、应急调查技术，建立地球资源环境要素监测指标体系与方法体系，形成全球尺度产品空间分辨率不低于30 m、重点区域产品空间分辨率不低于10 m的地球资源环境要素监测能力。

(2) 全球资源环境要素的长时间序列遥感时序产品。目前，全球资源环境遥感监测产品难以满足长时间序列动态监测需求，现有产品在空间上不完整，时间序列上不连续，产品时间跨度短，且现有同一参量产品不同尺度之间不自恰，需要发展普适性的尺度转换方法，研究基于多尺度时空过程统计建模方法的遥感产品融合与时空尺度扩展技术，生成地球资源环境要素和自然灾害要素的动态与应急监测产品，满足全球资源环境高可信变化检测、分析评价、模拟预测等需求。

(3) 多尺度监测数据的高效汇聚与在线融合空间信息处理。针对全球资源环境监测带来的“大数据问题”，如何实现多源异构海量数据网络组织、地学时空过程计算集成、地球系统模拟与多维表现等高效汇聚与在线融合分析是实现全球资源环境高效、动态监测的关键。将地球空间数据、地学高性能计算、地球系统模拟与表达呈现等系统进行有机集成，构建面向全球环境资源空间信息服务的空间信息处理平台，解决多尺度监测跨地域、跨机构、跨类型的观测数据高效汇聚问题和在线融合处理等关键性技术问题。

(4) 任务驱动的全流程规模化遥感应用云服务。实现全球资源、能源、生态环境、自然灾害动态监测技术推广应用，在多源遥感数据共享与信息服务的便捷化等方面仍存在诸多瓶颈问题，需要集成多源遥感数据立体协同监测、资源环境快速变化检测、高时空遥感数据融合等各项关键技术，并需要按照不同业务部门的任务需求，构建可业务运行的涵盖数据库、模型库、知识库为一体的综合云服务平台，支撑任务驱动的数据汇聚、模型调度、产品生成等在线遥感信息服务，形成公益性和商业化结合的全流程规模化遥感应用云服务。

4 展望

未来，地球资源环境动态监测技术将在技术、行业和社会经济三方面产生显著影响。在技术层面，地球资源环境监测研发的模型算法全部集成到全流程规模化遥感应用云服务平台上，实现国内外遥感数据汇聚与便捷化服务、模型算法程序的公开公用、遥感大数据云计算环境的开放共享，成为国家“国家大数据战略”、“一带一路”等经济发展规划提供资源、能源、生态与健康环境、自然灾害等空间动态信息的获取门户，为国家宏观决策提供重要的科学数据和技术支撑。

在行业方面，提高国产卫星数据产品的生产能力，提升国产卫星的应用水平，服务于资源、能源、生态与健康环境、自然灾害等监测与预警等行业领域，搭建起科学研究和行业应用之间的桥梁，为行业部门业务运行提供切实可行的技术支撑，诸如土地资源信息、农业生产基础信息的高效获取、环境保护和林业遥感监测和重大自然灾害动态模拟与监测等。

在社会经济方面，形成以政府客户、行业客户、遥感专业工作者、大众用户及其他潜在用户为目标客户群，通过任务驱动的全流程遥感应用云服务平台凭借丰富的数据源、先进的模型库和大规模协同处理优势，以互联网或移动终端的方式为大众用户提供空间信息服务，所形成的相关技术将很大程度推动中国互联网+动态监测服务市场的形成和扩展。

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摘要

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