多国空间机构学者：卫星遥感面临的重大挑战

卫星遥感对地观测 空前繁荣发展       在过去的五十年间，卫星遥感逐渐发展为本地、区域和全球空间尺度上测量地球的最有效工具之一。   遥感卫星对地观测具有非破坏性特征，可以快速监测大气层、地表和海洋混合层。此外，卫星仪器可以观察有毒或危险环境，而不会使人员或设备处于危险中。大规模连续卫星观测补充了详实的实地观测数据，并为理论建模和数据同化提供了无与伦比的体积和内容要素定量监测。   目前，很多重要行业应用都依赖于卫星数据——   大气观测可用于天气预报、环境污染监测、气候变化等。 海洋表层遥感用于海岸线动态监测、海面温度和盐度、海洋生态系统和碳生物量、海平面变化、海洋交通和渔业、浅水水流和下垫地形测绘等。 卫星对陆地遥感应用在矿产资源勘探、水旱监测、土壤湿度、植被、森林砍伐、森林火灾、农业监测、城市规划等。 最后，全球危机调查（如新冠疫情）的社会科学工作也受益于遥感数据集，这些数据集可用于目标性的可视化，对人类环境进行分类，然后将这些观察结果与各种社会经济数据集联系起来，等等。   此外，卫星遥感为收集地球科学信息提供了一个有效的工具，例如： 1). 全球地形 2). 温度、水汽、二氧化碳等微量气体的大气廓线 3). 地表和大气的矿物和化学组成 4). 冰雪、海冰、冰川和融化池等冰冻圈的性质 5). 热层、电离层和磁层的粒子和电磁性质   地球遥感也推动了先进技术的探索，有助于深空遥感任务的发展，如旅行者号和卡西尼-惠更斯太空研究任务。   在观测卫星发展的早期阶段，卫星传感器的设计往往具有高度的目标特异性。例如，20世纪70年代发射了一系列仪器：陆地卫星和高级超高分辨率辐射计（AVHRR）仪器用于监测陆地表层和云，总臭氧测绘光谱仪（TOMS）仪器用于观测总柱臭氧，高分辨率红外辐射探测仪（HIRS）仪器用于天气预报和气候监测。这些卫星部署为每个目标课题提供了特定数据，受到了相应学科领域的肯定。由此，这些项目被延长数年，以获得具有重要气候意义的数据记录；并且根据积累的经验，专业机构在卫星部署新任务中不断改进技术和统筹运行。 1990 年至 2010 年这两个十年期间，这些任务的可喜成果鼓励了各国与机构组织设计和发射具有更广泛观测范围的日益先进的卫星和仪器。例如，部署了对流层污染测探测装置 (MOPITT)、轨道碳观测站 (OCO) 和温室气体观测卫星 (GOSAT) 任务，以对二氧化碳 (CO₂) 和甲烷（CH4）等温室气体进行高级监测；AIRS、TES、IASI、IMG 和 CRIS 等几款热增强型红外探测仪用于监测大气状态以进行天气预报和气候变化。   其他卫星成像仪被部署用于观测大气、陆地和海洋，并支持跨学科研究，例如单视 MODIS、MERIS 和 SGLI、双视 ATSR 和 AATSR、多视 MISR 辐射计和 POLDER 偏振计。   除了这些更传统的被动观测之外，还部署了CloudSat雷达和CALIPSO激光雷达等主动测量来监测云和气溶胶的垂直结构，这对各种大气应用很重要。   所有这些先前的努力都提供了宝贵常识，有助于建立对卫星遥感的真正价值、局限性和潜力的理解。事实上，空间遥感技术的弹性发展和空间信息学的繁荣创造了前所未有的局面，硬件、数据采集和处理的限制已大大削弱，并拥有开发和部署更先进的卫星传感器设计的能力。此外，科学界已经获得了大量的卫星数据，在管理和分析数据方面积累了丰富经验，对利用现有卫星数据集可能取得的成就抱有真正现实的看法，并掌握了未来提升卫星数据实用性的必须步骤。   另一方面，空间领域也意识到遥感观测的根本挑战永无止境。例如，将信号与噪音分离以检索一组特定的地球物理变量和准确的仪器校准是持续的挑战；技术进步改善了观测的信息内容，但数据永远不足以唯一地描述所有感兴趣的地球物理参数；随着科学的进步，所需的可观测物的清单不断增加。因此，遥感仍然是一个根本不适定的问题，需要通过理论模型、先验常识和辅助观察来适当地定义和约束。 在设计新的科学目标时，这些都是重要的考虑因素。 若干重大挑战       卫星遥感发展面临的总体重大挑战是：以负担得起的创新技术和测量概念解决新问题，以及处理在过去半个世纪的卫星遥感实验中积累的旧问题。具体来说，计划解决和补足的有以下几个重点方面：   挑战1：增加卫星观测的空间和时间覆盖范围和分辨率   卫星遥感的主要优点之一是可以快速观测地球上的大片区域。与此同时，目前可用的卫星数据的覆盖范围局限性也很明显。例如，在近地轨道（LEO）上的极地轨道成像仪通常在至少一天（但大多数是两天或两天以上）内实现全球覆盖，因此许多具有较高时间和空间变异性的自然现象没有完全捕捉到。   在这方面，高轨道对地静止观测（GEO）通过提供对同一天体的频繁日观测解决了这一限制。然而，在卫星图像的空间覆盖和分辨率之间存在一个权衡（通常为较高的覆盖造成较低的空间分辨率）。实现广泛的时空覆盖和高空间分辨率的观测对许多行业应用都是有价值的，但也具有很高的挑战性。因此，卫星观测的设计可能需要新的创新、辅助数据和互补观测的协同作用，以解决特定物体和相关问题。这在下一节中我们进一步讨论。   挑战2：部署能力增强的卫星仪器并探索观测的协同作用   尽管卫星的观测能力已经被证实，但是，目前卫星提供的数据对于很多行业应用来说，信息内容还是有限的。因此，部署具有增强能力的卫星传感器是可行的并亟待提上议程。   例如，人们已经清楚地认识到，多角度偏振仪(MAPs)为描述大气气溶胶和云的详细柱状特性提供了最为精准适合的数据，因此，未来十年，气溶胶和云表征中的偏振数据预计将显著增加。   欧洲和美国航天机构计划在未来几年发射一些先进的偏振仪任务，包括MetOp-SG卫星上的3MI (多视图多通道多偏振成像任务)，气溶胶多角度成像仪 (MAIA) 仪器，Spex (行星探测光谱偏振仪) 和超角彩虹偏振仪(HARP)作为NASA PACE任务的一部分，多光谱成像偏振仪(MSIP) / Aerosol-UA，MAP作为哥白尼CO2M任务的一部分等。   此外，中国国家航天局在极化传感器方面投入巨大，2021年发射了几台偏振遥感仪器，包括MAI/TG-2、CAPI/TanSat、DPC/高分5号和SMAC/GFDM，并计划在未来几年发射POSP、PCF、DPC-激光雷达。正如Duibovik等人(2019)所详细讨论的那样，这些仪器的概念、技术设计和算法开发已经通过机载原型进行了深入讨论和测试。 同样，基于卫星的激光雷达和雷达的数量预计也会增加，因为主动遥感仪器可以提供关于大气垂直变化的详细资料。事实上，大多数主流空间机构都在追求天基激光雷达项目。例如，NASA于2003年在ICESat卫星上发射了地球科学激光高度计系统（GLAS），2006年在CALIPSO卫星上发射了正交偏振云-气溶胶激光雷达(CALIOP)，2015年在国际空间站上发射了云-气溶胶传输系统(CATS)，2018年在ICESat-2卫星上发射了先进地形激光高度计系统(ATLAS) 。   此外，欧空局（ESA）于2018年在风神卫星上发射了“Aladin风激光雷达”，作为“生命星球计划”（LPP）的一部分；中国国家航天局（CNSA）于2021年在CM-1卫星上发射DPC -激光雷达；欧洲/日本联合地球CARE卫星（预计于2023年发射）将包括此前从未在太空飞行的高性能激光雷达和雷达技术，这些发射任务的成功将让激光雷达成为未来观测系统的重要组成部分。   与此同时，在复杂的环境中，没有一种单一传感器可以提供目标物体的全面信息，因此需要探索互补观测的协同效应。例如，由于对气溶胶和云的垂直变异性的敏感度有限，即使是最先进的多角度偏振仪也不可保证可靠的气溶胶的3D表征。 文章来自：https://mp.weixin.qq.com/s/rMOf-J8C2rJcCNK1x0bTDw