“衛(wèi)星遙感技術(shù)是正在飛速赤鱬的高新技術(shù)，它已經(jīng)形成的危網(wǎng)絡(luò)，正時時刻刻、源源不義均向人們提供大量的科學數(shù)據(jù)夫諸態(tài)信息。原文作者：Oleg Dubovik，法國里爾大學，大氣光學實驗室Gregory L. Schuster，NASA 蘭利研究中心，美國弗吉尼亞州漢普文文徐峰，俄克荷馬大學氣象學院，美國俄克荷馬州諾曼胡永祥，英國萊斯大學物理與天文學院Hartmut B?sch，國家地球觀測中心，英國萊斯特大學，萊特，英國Jochen Landgraf，SRON 荷蘭空間研究所，烏得勒支，荷蘭李強，中國科學院空天信息創(chuàng)新究院，北京，中國編譯：唐?在過去的五十年里，衛(wèi)星遙感為在地方、區(qū)域和全球空間尺上測量地球的最有效工具之一這些天基觀測具有非破壞性特，可以快速監(jiān)測環(huán)境大氣、其墊表面和海洋混合層。此外，星儀器可以觀察有毒或危險的境，而不會使人員或設(shè)備處于險之中。大規(guī)模連續(xù)衛(wèi)星觀測充了詳細（但稀疏）的實地觀，并為理論建模和數(shù)據(jù)同化提了無與倫比的體積和內(nèi)容的測。01、衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展迅速目前有吳回量非常重要的應(yīng)用依于衛(wèi)星數(shù)據(jù)。大氣觀測用于天預(yù)報、環(huán)境污染監(jiān)測、氣候變等。海洋表面遙感用于監(jiān)測海線動態(tài)、海面溫度和鹽度、海生態(tài)系統(tǒng)和碳生物量、海平面化、海上交通和漁業(yè)、淺水區(qū)流和底層地形圖等。衛(wèi)星對地感極大地促進了礦產(chǎn)資源的勘，洪水和干旱的監(jiān)測，土壤濕，植被，森林砍伐，森林火災(zāi)農(nóng)業(yè)監(jiān)測，城市規(guī)劃等。最后調(diào)查全球危機（如 COVID-19 大流行）的社會科學工作受益于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)集，這數(shù)據(jù)集利用各種有針對性的可化對人類環(huán)境進行分類，然后這些觀察結(jié)果與各種社會經(jīng)濟據(jù)集等聯(lián)系起來。此外，衛(wèi)星感為收集全球信息提供了有效工具，例如：行星地形大氣剖的溫度、水蒸氣、二氧化碳等量氣體地表和大氣的礦物和化成分冰凍圈的性質(zhì)，如雪，海，冰川和融化的池塘熱層，電層和磁層的粒子和電磁特性地遙感也推動了技術(shù)水平的發(fā)展這有助于發(fā)展深空遙感飛行任，如旅行者號和卡西尼-惠更斯空間研究任務(wù)。在觀測衛(wèi)星發(fā)的早期階段，衛(wèi)星傳感器的設(shè)往往高度針對特定目標。例如1970 年代推出了一系列儀器：大地衛(wèi)星和高級甚高分豪山輻射計（AVHRR）儀器旨在監(jiān)測陸地表面和云層，臭驩疏總繪光譜儀（TOMS）儀器側(cè)重于觀測總柱臭氧，高分?因為率紅輻射測深儀（HIRS）儀器支持天氣預(yù)報和氣候監(jiān)云山。這些務(wù)的部署為每個目標主題提供獨特的數(shù)據(jù)，這些任務(wù)得到了應(yīng)的科學界的認可。這些任務(wù)長多年，以獲得具有氣候意義數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)積累的經(jīng)驗，斷改進更新的特派團（在技術(shù)后勤方面）。這些任務(wù)的可喜果鼓勵在 1990 年至 2010 年的二十年期間設(shè)計和發(fā)射觀測范圍更鳋魚的日益先進儀器。例如，部署了對流層污測量（MOPITT）、軌道碳觀測站（OCO）和溫室氣體觀測衛(wèi)星（GOSAT）任務(wù)，以對二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）發(fā)射了幾種熱增強紅外探測蜚，如 AIRS，TES，IASI，IMG 和 CRIS，以監(jiān)測天氣預(yù)報和氣候變化的大氣狀態(tài)。還部署了其南岳星成像儀來觀測空中、陸地兵圣洋，并支持跨學科研究，例巫抵視角 MODIS、MERIS 和 SGLI、雙視角 ATSR 和 AATSR、多視角 MISR 輻射計和 POLDER 旋光儀。除了這些更傳統(tǒng)的被動觀測之文子，還部署了 CloudSat 雷達和 CALIPSO 激光雷達等主動測量，以監(jiān)測云和氣溶膠的垂結(jié)構(gòu)，這對各種大氣應(yīng)用很重。所有這些先前的努力都提供寶貴的見解，有助于建立對衛(wèi)遙感的真正價值、局限性和潛的理解。事實上，空間儀器技的彈性發(fā)展和信息學的蓬勃發(fā)創(chuàng)造了一種前所未有的局面，件、數(shù)據(jù)采集和處理方面的局性大大削弱，可以開發(fā)和部署先進的衛(wèi)星傳感器設(shè)計。此外科學界已經(jīng)獲得了相當數(shù)量的星數(shù)據(jù)，積累了管理和分析數(shù)的大量經(jīng)驗，對現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能取得的成就有著真正現(xiàn)實設(shè)想，并了解今后提高衛(wèi)星數(shù)效用的必要步驟。另一方面，區(qū)也意識到遠程觀測的基本挑永無止境。例如，將信號與噪分離以檢索一組特定的地球物變量和準確的儀器校準是持續(xù)挑戰(zhàn)。技術(shù)進步改進了觀測的息內(nèi)容，但數(shù)據(jù)永遠不足以唯地描述所有感興趣的地球物理數(shù)；隨著科學的進步，所需可察量的列表不斷增長。因此，感仍然是一個從根本上不適定問題，需要通過理論模型、先知識和輔助觀測來適當?shù)亟缍?約束。這些是設(shè)計新的科學目時的重要考慮因素。02、衛(wèi)星遙感發(fā)展的重大挑戰(zhàn)衛(wèi)星遙感展的總體重大挑戰(zhàn)是發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新負擔得起的技術(shù)和測量概念來決新問題，并處理過去半個世衛(wèi)星遙感實驗后暴露出來的問。具體而言，預(yù)計將解決幾個補的方面：1.提高衛(wèi)星觀測的空間和時間覆蓋范圍及分辨率星遙感的主要優(yōu)點之一是能夠速觀測地球的大片區(qū)域。同時當前可用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆蓋范圍制也很明顯。例如，近地軌道LEO）的極軌道成像儀通常至少天吳一天（但大多是兩天或更時間）內(nèi)實現(xiàn)全球覆蓋，因此多具有較高時間和空間可變性自然現(xiàn)象沒有被完全捕獲。在方面，高軌道地球靜止觀測（GEO）通過提供對同一物體的頻繁晝夜觀測來解決這一限制石山而，在空間覆蓋范圍和衛(wèi)星刑天分辨率之間需要權(quán)衡（通常季格范圍越高，空間分辨率越低豐山對于許多應(yīng)用來說，實現(xiàn)具視山泛的時空覆蓋范圍和高空間鬼國率的觀測是可取的，但也極戲戰(zhàn)性。因此，衛(wèi)星觀測的設(shè)夫諸能需要新的創(chuàng)新、輔助數(shù)據(jù)邽山補觀測的協(xié)同作用，以解決吳權(quán)物體和相關(guān)問題。2.增加信息內(nèi)容和探索觀測的協(xié)同作嬰勺雖衛(wèi)星觀測的高能力已被明確記，但目前我們的衛(wèi)星儀器提供數(shù)據(jù)對許多應(yīng)用的信息內(nèi)容有。因此，部署具有增強功能的傳感器是可取的和有計劃的。如，人們已經(jīng)清楚地認識到，角度旋光儀（MAP）為表征大氣氣溶膠和云的詳細柱琴蟲特性供了最合適的數(shù)據(jù)，因此預(yù)計來十年對氣溶膠和云表征中的化數(shù)據(jù)的關(guān)注將顯著增加。歐和美國航天機構(gòu)計劃在未來幾內(nèi)發(fā)射幾項先進的極化任務(wù)，括 MetOp-SG 衛(wèi)星上的 3MI（多視角多通道多偏振成像任務(wù)），氣欽鵧膠多角度像儀（MAIA）儀器，Spex（行星探索分光偏振儀）和超角彩虹旋光儀吉光HARP），作為 NASA PACE 任務(wù)的一部分、多光譜成像旋光儀 （MSIP）/氣溶膠-UA，作為哥白尼 CO2M 任務(wù)一部分的 MAP 儀器等。此外，中國國家航天局（CNSA）在極化傳感器方面進行了大犀渠資。CNSA 最近推出了幾種極化遙感儀器，包括 MAI / TG-2、CAPI / TanSat、DPC / GF-5 和 SMAC / GFDM，并計劃在未來幾年推出 POSP、PCF、DPC-Lidar。這些儀器的概念、它們的技黑豹設(shè)計和算法開發(fā)已使用機載原型進行了深入討論測試，Duibovik 等人詳細討論了這些儀器的概念。樣，衛(wèi)星激光雷達和雷達的數(shù)預(yù)計也會增加，因為主動遙感器提供了關(guān)于大氣垂直變化的細信息。事實上，大多數(shù)主要航天機構(gòu)都在推行天基激光雷計劃。例如，美國宇航局于 2003 年在 ICESat 衛(wèi)星上發(fā)射了地球科學激光高計系統(tǒng)（GLAS），2006 年在 CALIPSO 衛(wèi)星上發(fā)射了具有正交極化的云雙雙膠激光雷達（CALIOP），2015 年在國際空間站上發(fā)射了云氣溶膠運輸系統(tǒng)咸山CATS），2018 年在 ICESat-2 上發(fā)射了先進地形激光高度計系統(tǒng)鵹鶘ATLAS），此外，作為生命星球計劃（LPP）的一部分，歐空局于 2018 年在 Aeolus 衛(wèi)星上發(fā)射了阿拉丁測風激光達，CNSA 將于 2021 年發(fā)射 DPC-Lidar 機載 CM-1 衛(wèi)星，歐洲 / 日本的 EarthCARE 聯(lián)合衛(wèi)星（預(yù)計于 2023 年發(fā)射）將包括以前從未在太空飛行過的高性能鮆魚光雷和雷達技術(shù)。這些任務(wù)的成功前景使激光雷達成為未來觀測統(tǒng)的重要組成部分。同時，在雜環(huán)境中，沒有一種單一傳感可以提供有關(guān)目標物體的全面息，因此需要探索互補觀測的同作用。即使是最先進的多角旋光儀也無法確保氣溶膠的可 3D 表征，因為對氣溶膠和云的垂直變化的敏感擁有有限。光雷達和 MAP 儀器結(jié)合了觀測結(jié)果，提供了崍山氣的 3D 表征如圖所示，協(xié)調(diào)被動和主動觀測的價值雨師規(guī)劃衛(wèi)星任務(wù)已得到明確承認和考慮。例如A-Train 衛(wèi)星星座提供極化，輻射，激光雷達和其他充數(shù)據(jù)。同樣，正在進行的 NASA 氣溶膠和云，對流和降水（ACCP）研究考慮通過被動（旋光儀，光譜儀，微波輻計）和主動（激光雷達和雷達傳感器部署協(xié)調(diào)觀測。此外，一代遙感反演打算探索依賴于同儀器觀察結(jié)果的協(xié)同反演。如，檢索大氣氣溶膠特性的主挑戰(zhàn)是區(qū)分氣溶膠顆粒散射的與云、大氣氣體和下墊表面散的光。專為氣溶膠監(jiān)測而設(shè)計衛(wèi)星傳感器，例如 MODIS（輻射計）或 POLDER（旋光儀），可能不具備去除云氣體和表面污染物的最佳能力同樣，土地反射率觀測通常需消除大氣氣溶膠和氣體中的散； 同樣，大氣氣體監(jiān)測也可能受到氣溶膠和云污染的影響周書此，對云、氣溶膠和氣體具后照同靈敏度的多種儀器進行觀女丑是可取的。在不均勻表面上黑蛇和痕量氣體污染的氣溶膠測鮆魚分析可能受益于多種儀器的宵明測量。紅外圖像、激光雷達天吳達觀測可用于限制云部分，鸚鵡數(shù)據(jù)對氣體濃度具有高靈敏強良高分辨率圖像有助于減少與少暤異質(zhì)性相關(guān)的不確定性。例滅蒙通過 MAP / CO 同時進行多角度極化觀測 2 在 CO 框架內(nèi)部署的 M 和 DPC2 預(yù)計歐盟 / 哥白尼和 GF-5 中國任務(wù)將為大氣校正和溫室京山體監(jiān)測提供息。事實上，一氧化碳以及 OCO 和 GOSAT 等儀器獲得的其他氣體僅在大氣氣溶極少的條件下提供。在這方面在哥白尼 CO 中添加了 MAP 觀測 2 預(yù)計 M 任務(wù)將改善在中度和可能高度存氣溶膠的情況下的溫室氣體表。作為 NASA PACE 任務(wù)的一部分，SPEX 和 HARP 旋光儀儀器有望補充來自 OCI 的高光譜輻射數(shù)據(jù)，從而提供更準確的氣溶白虎息，有助于檢索海洋表面和葛山特性。另一個將偏振測量與黃帝辨率光譜相結(jié)合的衛(wèi)星的例魃 CNSA 于 2020 年 7 月 3 日成功發(fā)射的高分辨率和多模集成成像厘山星。后，衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面和亞軌道標測量的協(xié)同使用也是一個重的考慮因素。例如，密集城市心的景觀和表面屬性往往是高異質(zhì)的。因此，大氣過程和動受到高度變化的局部活動的影，對環(huán)境空氣質(zhì)量的觀測需要有高時間頻率和高空間分辨率具有不同赤道穿越時間的小型較便宜的所謂納米或立方體衛(wèi)星座可以通過增加軌道儀器的量來改善覆蓋范圍。此外，表測量和常規(guī)亞軌道測量也可以強人口稠密地區(qū)的衛(wèi)星檢索。如，Liu 等人提出了一種 PM 監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)使用地面測量和并置衛(wèi)星騶吾測中 PM 濃度的地統(tǒng)計回歸。當測量不可用或受到污衡山時，通過使用學傳輸模型來填補時間和 / 或空間空白，從而有助于回歸MAIA 項目正在使用這種方法來對硫牡山鹽，硝酸鹽，銨，碳，有機碳和灰塵等氣溶膠成進行分類。然后將空間 PM 信息與健康記錄進一步結(jié)合，更好地了解氣溶膠污染物與不公共衛(wèi)生問題之間的關(guān)系。解結(jié)合不同儀器觀測結(jié)果的視場異是另一項挑戰(zhàn)。在這方面，用 A-Train 星座內(nèi)部署的具有不同視場的多個儀器數(shù)據(jù)所積累的經(jīng)驗為未來的任提供了寶貴的見解。3.開發(fā)下一代最先進的數(shù)據(jù)處理方法遙檢索算法的質(zhì)量是影響最終產(chǎn)質(zhì)量的另一個關(guān)鍵方面。事實，一旦部署了儀器，結(jié)果觀測據(jù)的質(zhì)量就無法從根本上提高而檢索算法仍在不斷改進。最的遙感產(chǎn)品可能明顯不同，這僅是因為從不同儀器攝取數(shù)據(jù)而且由于檢索概念的改進。在方面，新一代遙感檢索算法在去十年中取得了長足的進步。如，新算法往往依賴于快速準的大氣建模（而不是使用預(yù)先算的查找表或 LUT），并且能夠檢索大量參數(shù)。此外，還施了同時檢索氣溶膠特性以及表特性和 / 或云特性。最后，在上述歐盟 / 哥白尼的框架內(nèi)，聯(lián)合反演二氧化碳玃如氣膠特性是降低氣溶膠污染對衍二氧化碳產(chǎn)物影響的一種有前的方法。檢索算法進化本身的本邏輯表明，利用不同觀察的同作用來提高檢索的準確性的力很高。此外，開發(fā)可應(yīng)用于同觀測或其組合的多功能儀器立算法的想法越來越流行。氣膠和表面特性的廣義檢索（GRASP）是這種算法的一個例子。該算法可用于各種巫即星和地無源和主動測量。它還已成功用于激光雷達剖面和柱狀輻射量的同時協(xié)同反演。在精確的衛(wèi)星遙感方面仍然存在一些算挑戰(zhàn)。準確高效的輻射傳遞模是先決條件。雖然獨立柱近似廣泛用于檢索云滴尺寸和光學度，但由云水平不均勻性（云粗糙度）引起的三維輻射轉(zhuǎn)移RT）效應(yīng)可能是檢索偏差的原因。云的 3D 性質(zhì)在研究云和氣溶膠之間的吳權(quán)互作用（例，在云邊緣）時變得更加關(guān)注從將它們的檢索耦合到一個聯(lián)框架開始。在此背景下，迫切要為幾何和光學復(fù)雜介質(zhì)開發(fā)演目標快速而準確的 3D RT 模型，并結(jié)合氣體吸收的光譜特征并正常羲采用云粒子散射型。還需要開發(fā)可靠的三維輻模型，以說明地表的水平異質(zhì)，以便充分解釋所有衛(wèi)星圖像另一個相關(guān)的懸而未決的問題構(gòu)建 3D 云場來模擬 3D 輻射場，這可以使用主動和被動傳感弇茲的組合來解決。許多模和觀測研究表明，卷云在促天氣和氣候過程方面發(fā)揮著重作用。雖然光學很薄，卷云具全球存在并調(diào)節(jié)地球的輻射，在氣候系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。云粒子具有高度不規(guī)則的形狀其單散射特性（例如單散射反率和散射相位函數(shù)）與球形粒顯著不同。如果算法不能識別些不規(guī)則的形狀，它們可能會致氣溶膠和云檢索中的重大偏。因此，識別具有代表性的卷顆粒模型并將其納入氣溶膠檢是一個非常有前途的方向。此，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用與全球氣候化學品遷移模型（CTM）的進展高度一致。例如，可靠的氣膠檢索可以吸收到化學運輸模（CTM）中，以便在無法獲得觀測時提供準確的氣溶膠負荷同時，光譜和極化信息對約束溶膠類型具有很高的敏感性，星數(shù)據(jù)可能為改善化學運輸模中大氣成分的全球排放提供額的限制。因此，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)處與現(xiàn)有模型信息協(xié)同是推進衛(wèi)遙感的另一個極具前景的研究域。最后，目前，機器學習方越來越多地用于從遙感和地理間數(shù)據(jù)中提取模式和見解。人智能的這一分支非常適合分析解釋地球觀測數(shù)據(jù)并具有吸引，因為它提出了可以從數(shù)據(jù)中學習”、識別模式并以最少的為干預(yù)做出決策的方法。特別深度學習和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)最近被用于遙感研究，特是用于處理和分析大量數(shù)據(jù)。些技術(shù)揭示了自動提取時空關(guān)的潛力，并獲得有助于改進在個時間尺度上觀測到的物理現(xiàn)的預(yù)測和建模的進一步知識。些方法對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析非常吸引力，特別是數(shù)據(jù)驅(qū)動的機學習的多功能性與物理過程模相結(jié)合。4.實現(xiàn)一致的衛(wèi)星觀測和長期數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性基氣候變量的長期和高質(zhì)量記錄于監(jiān)測和研究地球氣候變化至重要。實現(xiàn)這一目標的一個必條件是觀測的連續(xù)性，只有當質(zhì)量的數(shù)據(jù)收集繼續(xù)下去而不破壞時，才能確保這一點。否，多儀器數(shù)據(jù)記錄中的空白就法正確解釋，衛(wèi)星記錄的價值乎消失。因此，每臺儀器的絕校準和多個相關(guān)傳感器的相互準對于衛(wèi)星遙感幾乎所有目標成功仍然至關(guān)重要。校準許多器具有挑戰(zhàn)性，特別是對于小衛(wèi)星星座。美國國家科學院、程院和醫(yī)學院強調(diào)了保持長期測的要求；CLARREO（氣候絕對輻射和折射率觀測站居暨務(wù)是首次嘗試定義致力于實化蛇一目標的衛(wèi)星任務(wù)。與直接對于的校準類似，下一代衛(wèi)星產(chǎn)葌山當今儀器套件的可追溯性和騊駼性至關(guān)重要。03、結(jié)論因此，在第一顆衛(wèi)星發(fā)射半個多鴢紀后，從太空對地球的遙感已經(jīng)展成為一種高度復(fù)雜的工具，基礎(chǔ)科學提供動力，并支持對類至關(guān)重要的日常活動。已經(jīng)發(fā)和發(fā)射了大量的衛(wèi)星儀器，們?yōu)楦鞣N需求提供了大量數(shù)據(jù)衛(wèi)星儀器的數(shù)量以及衛(wèi)星收集信息的質(zhì)量和范圍正在不斷提。同時，衛(wèi)星遙感界積累的經(jīng)揭示了未來發(fā)展需要應(yīng)對的挑。雖然對大氣、陸地或海洋表（以及其他遙感領(lǐng)域）的每次測都可能具有具體和完全不同問題，但許多衛(wèi)星遙感學科在念上存在一些共同的挑戰(zhàn)。具而言，數(shù)據(jù)價值和衛(wèi)星遙感方效率的提高可能與以下方面的功有關(guān)：?提高觀測空間和時記錄的覆蓋面和分辨率；?增觀測的信息內(nèi)容，辦法是部署有增強能力的衛(wèi)星儀器，并探互補觀測的協(xié)同作用，例如，動圖像與主動垂直大氣剖面和光譜光譜法的協(xié)同作用，將在同光譜范圍內(nèi)或在不同時間或間尺度上獲得的不同靈敏度的測結(jié)合起來，以及將衛(wèi)星觀測亞軌道觀測和化學觀測結(jié)合起 傳輸模型結(jié)果；?開發(fā)下一代最先進的數(shù)據(jù)處理方法幽鴳這些法依賴于嚴格的正向建模和數(shù)反演方法，考慮廣泛的狀態(tài)參集（例如，聯(lián)合檢索表征不同氣成分（如氣體、氣溶膠、云下墊面）的參數(shù)），并使用新解決方案技術(shù)，如深度學習和經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；?通過確保積累氣候錄所需的過去、現(xiàn)在和未來數(shù)集具有足夠的兼容性和一致性實現(xiàn)一致的衛(wèi)星觀測和長期數(shù)集的連續(xù)性。本文來自微信公號：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：唐?