2013对地观测技术的最新进展

对地观测技术的最新进展对地观测指的是利用航天航空飞行器和地面各类平台所携载的光电仪器对人类生存所及的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动[1]。对地观测技术主要指卫星通信技术、空间定位技术、遥感技术和地理信息系统等技术，这些技术的集成将使人类源源不断地、快速地获取地球表面地物随时间变化的几何和物理信息，了解地球上各种现象及其变化，从而指导人们合理地利用和开发资源，有效地保护和改善环境，积极地防治和抵御各种自然灾害，不断地改善人类生存和生活的环境质量，以达到经济腾飞和社会可持续发展的双重目的[2]。对地观测是以地球为研究对象，依托卫星、飞船、航天飞机、飞机以及近空间飞行器等空间平台，利用可见光、红外、高光谱和微波等多种探测手段，获取信息并进行处理和形成产品[3]。通过进行对地观测活动，可以研究人类所生存的地球空间环境及其运动变化的规律，为人类开发地球资源保护环境，防灾减灾及经济社会发展的宏观决策提供科学依据；为国防建设、战略部署、现代武器精确打击、反恐维稳等军事行为提供地理空间信息支持；支持各类土木工程的规划、设计、施工质量监理和运行管理，以及矿业、电力、林业、农业等生产过程的定量检测与精确定位实施；为民众生活提供各种基于位置的服务。在对地观测活动中，以航空航天技术为基础的对地观测技术主要有：卫星导航定位技术、航天航空遥感技术、航天航空地球物理探测计算、对地观测数据的加工处理与服务技术等。卫星导航定位技术是利用运行在轨道上的卫星与地面接收站之间通过无线电信号所组成的基于全球统一时空基准中的空间网络解算出观测点的三维大地坐标并进行准确授时的技术。目前，在卫星导航定位技术领域中，正在进行和计划实施的全球导航卫星系统有四个，分别为美国的全球定位系统、俄罗斯的全球导航卫星系统、欧盟的伽利略系统以及中国的北斗导航系统，其他系统仅允许作为区域系统或广域增强系统加入。例如，日本的QZSS(准天顶卫星系统)、MSAS(多功能卫星增强系统)，印度的IRNSS(印度无线电导航卫星系统)、GAGAN(静地增强导航)等。目前，全球卫星定位系统技术已经深入到导航定位应用的各个方面。据《自然-物理学》杂志，美国量子物理学家考虑采用全球定位系统作为直接探测暗物质的工具，利用全球卫星定位系统同步的原子钟网络对暗物质进行探测。2012年底，北斗导航卫星系统正式向亚太大部分地区提供连续无源定位、导航、授时等服务，完成了发展战略的第二步。2013年被称为北斗规模化和产业化应用元年，以北斗系统为核心应用的中国卫星导航与位置服务产业逐步形成，“北斗特色”为卫星导航与位置服务产业注入了强大的创新和发展动力，在地面系统的支持下，北斗导航系统定位精度可达到厘米级，与GPS精度相近。如今，中国自主研发的北斗卫星导航系统BDS，也将为中国及周边国家，提供较为成熟的定位、导航和授时服务。俄罗斯的格洛纳斯系统目前由于受到美国GPS技术制裁，正寻求与北斗系统合作，试图通过联合更多的卫星，提升定位精度。欧盟“伽利略”卫星导航系统准备工作进展顺利，预计2014年底即可投入使用。项目组瑞典科学家波尔桑德表示，“伽利略”对欧洲提供更精确的导航服务，同时降低欧盟对美国GPS系统的依赖。目前的伽利略GPS系统卫星均沿赤道轨道运转，对高纬度地区的定位有一定误差。“伽利略”系统的一颗同步卫星正处于瑞典上空，将大大提高北欧地区的定位精度。航天航空遥感技术指的是利用人造卫星、宇宙飞船、有人驾驶飞机、无人驾驶飞机、飞艇等航天航空飞行器，携载各类成像传感器，获取地球表面自然与社会各类景观所辐射的电磁波信号，经图像处理，从而提取几何、物理与人文信息的技术[1]。根据所携载的传感器及其所获取的影像信号类型的不同，可分为：可见光全色遥感、红外遥感、多光谱遥感、高光谱遥感、微波(雷达)遥感等，还可根据成像的几何特性分成：双视(立体)成像、单视(非立体)成像、框幅式成像、扫描式成像、激光扫描成像等[1]。目前,航空航天遥感正向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多极化、多角度的方向迅猛发展，例如：国际商业遥感卫星GeoEye的空间分辨率已达到0.41m，美国光学侦察卫星KH-12空间分辨率达0.1m；美国NASA发射的EO-1对地观测卫星搭载HYPERION超光谱成像仪共有220个谱段，光谱分辨率为10nm，Proba小卫星携带的CHRIS超光谱成像仪光谱分辨率最高达1.2nm；微波遥感实现了全天时、全天候的对地观测，星载SAR的分辨率也达到1m的水平，差分雷达干涉测量测定相对位移量的精度可达厘米至毫米级；先进的卫星系统都具备大角度侧摆观测的能力，使得重访周期大幅缩短[4]。我国已成功发射了近百颗卫星，初步形成了资源环境、气象、海洋三个系列的遥感卫星体系，正在运行的资源卫星，如中巴地球资源卫星系列、“北京一号”卫星、环境与灾害监测预报小卫星星座等，2012年1月，我国又成功发射了首颗民用立体测绘卫星“资源三号”，在气象卫星方面,发射了太阳同步轨道FY卫星系列，最新发射的FY-3卫星的气象监测能力已达到世界先进水平,我国计划发射的下一代极轨气象卫星，将具备全球、全天候大气探测的能力，海洋卫星方面,已发射了海洋探测卫星系列HY-1A,HY-1B等，正在实施的国家重大专项“高分辨率对地观测系统”提出，要建立天基、临近空间、空基对地观测系统，具备准实时、全天候获取各种空间数据的能力，形成集高空间、高光谱、高时间分辨率和宽地面覆盖于一体的对地观测系统[4]。2013年4月，“高分一号”在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭成功发射，作为高分辨率对地观测系统国家科技重大专项的首发星，配置了2台2米分辨率全色/8米分辨率多光谱相机，4台16米分辨率多光谱宽幅相机。2014年8月，“高分二号”卫星在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭成功发射，空间分辨率优于1米，同时还具有高辐射精度、高定位精度和快速姿态机动能力等特点，标志着中国遥感卫星进入亚米级的“高分时代”。航天航空地球物理探测技术指利用航天航空飞行器平台所携载的物探仪器在航行过程中探测地球重力、磁场等物理量，研究和寻找地下地质构造和矿产的技术。我国航天航空地球物理探测技术向着高效率、高精度快速移动联合探测装备技术，测量重、磁、电磁等空间地球物理场数据；研发海量数据处理、综合信息解译和地质建模方法软件，提高复杂条件下开展大面积和大深度勘探技术能力的大方向发展。对于航空重力梯度仪方面，目前该领域的研究热点是超导重力梯度仪，未来要加大重力梯度仪中的冷原子干涉速度计和旋转重力梯度仪中的MENS加速度计两个前沿方向研究，研发的重点方向是突破传感器的研究，包括基于机械电子、纳米和微电机技术的传感器，基于高、低温超导原理的传感器以及基于冷原子干涉原理和光纤技术的传感器研究等。对地观测数据的加工处理与服务技术是指把各种对地观测数据累积在一起，连同来自社会其他领域的各种空间化了的经济社会数据，统一建成数据库，并开发各类软件，对数据进行深加工处理，制作适应社会需求的各类信息产品，以及为社会提供广泛服务，使对地观测所获取的数据进一步增值[1]。由于上游技术快速发展提供了海量的资源，以及经济社会发展对地理空间信息需求的急剧增长，此技术领域发展飞快，已成为举世公认的很具发展潜力的新兴产业，随着政府和产业界的宣传，相继出现了空间数据基础设施、数字地球、空间地理信息网络、基于位置的服务、智慧地球等一系列在本质内容上相近的概念[1]。目前市场活跃的技术包括数据融合与数据挖掘技术、政府地理信息系统、地理网络服务、基于位置的服务与物联网等。2014年9月，我国政府向联合国捐赠了首套30米空间分辨率的全球地表覆盖数据。地表覆盖及变化信息作为气候、资源、环境、生态等诸多领域的基础数据源，在认知和监测全球自然资源环境、分析应对全球变化、制定可持续发展规划等方面具有重要价值。参考文献[1]林宗坚,李德仁,胥燕婴.对地观测技术最新进展评述[J].测绘科学,2011,36(4).[2]李德仁.对地观测与地理信息系统［J］.地球科学进展，2001，16（5）.[3]周志鑫，吴志刚，季艳.空间对地观测技术发展及应用［J］.中国工程科学，2008，10（6）.[4]李德仁,童庆禧,李荣兴等.高分辨率对地观测的若干前沿科学问题[J].中国科学：地球科学,2012.