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发布日期：2024-07-27 作者：开云
跟着理念的演进和科技的成长，对地球系统的不雅测正从看清地球的样貌深切拓展到探测地球圈层的内涵。“透视地球”基在多种对地不雅测手段对年夜气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间物理要素、内部布局和其演化进程进行邃密、综合探测，而获得地球各圈层更“切确”、更“深层”的信息，成为新一代对地不雅测手艺成长的积极摸索和主要标的目的。
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岩性布局与地下河展布透视不雅测 图片由作者供给
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水下三维动力场/生物场/地形透视不雅测 图片由作者供给
为什么要“透视”地球
地球系统是由年夜气圈、生物圈、水圈（包罗冰冻圈）和岩石圈等构成的复杂的巨系统。在地球系统科学理念不竭演进和新手艺加速成长的新时期，科学家们已不知足在只看清地球的样貌，而是但愿深切拓展到探测、阐发、认知地球圈层的内涵。摸索地球系统内部的奥秘，是解决人类资本、情况和可延续成长问题的必定选择。
但是，人类对地球本身的探测依然很是初步。世界首要国度都已将地球圈层内部探测列入推动可延续成长的国度科学成长计谋，争相摆设年夜深度、高机能的主被动探测载荷和相干利用研究打算。例如从20世纪70年月最先，美国率先实行的“年夜陆反射地动探测打算”，美国国度科学基金会、美国地质查询拜访局和美国国度航空航天局结合倡议的“地球透镜打算”，Australia提出的“玻璃地球”打算等。我国也设立了《深部探测手艺与尝试研究》打算，用来研究并尝试地壳与地幔深部探测的一系列手艺方式。这些打算的实行多采纳以成长固体地球深部探测手艺与设备系统连系三维地质填图的体例，加快了人类对地球深部的熟悉和理解，但对地球系统各个圈层的邃密探测和进程演化阐发依然不敷系统和深切。
对地不雅测手艺作为对现代社会最具影响的科技之一，显现透明化、立体化、一体化、动态化、邃密化的成长特点。跟着年夜数据、人工智能、物联网、云计较和机械进修等加快手艺变化，对地球系统的立体探测、延续不雅测、智能监测不竭深切。好比，美国国度航空航天局在2021年5月正式发布成立地球系统不雅测平台打算；欧洲航天局发射了人类首个研究高层年夜气风的卫星“风神”，经由过程采取紫外激光器切确探测从地球概况到平流层的风速和风向等。最近几年来，我国在对地不雅测手艺方面获得了主要进展，已经由过程“高分”专项和国度平易近用空间根本举措措施的扶植实行，构建了从全色、多光谱到高光谱，从光学到微波雷达的六合一体化对地不雅测系统，初步构成高时候、高空间分辩率的宽幅不雅测能力。
整体而言，国表里对地不雅测系统已具有相当范围，但现阶段获得的地球系统数据以平面化为主，在密度、维度、标准上已难以知足当前地球系统科学重年夜前沿问题研究和社会经济成长对高质量数据的需求。经由过程一系列新型“透视手艺”获得地球各圈层更切确、更深层的信息，可以更周全、更深切地领会地球系统的运行机制，从而鞭策地球系统重年夜科学问题的冲破，晋升人类进行资本探测、猜测应对极端气候事务和全球情况转变的能力。
甚么是“透视地球”？
“透视地球”对准地球系统圈层“看不见”的内部信息感知，操纵电磁、微波、激光和重力等穿透性、多维度、高密度的新型透视遥感探测前沿手艺，基在天基、空基、陆基等不雅测平台，对年夜气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间物理要素、内部布局和其演化进程进行邃密、综合探测，是新一代对地不雅测手艺成长的主要标的目的，为经济社会成长、资本情况公道操纵、食粮平安、海洋权益庇护等供给根本性、计谋性的信息资本保障。
当前，人类对地球系统的摸索正在产生重年夜转移，从表层到内部，从局部走向整体，新时期的“地球系统”理论常识和方式手艺系统对遥感不雅测提出了新的要求。透视地球的焦点根本是成长穿透性、新体系体例的进步前辈遥感手艺，探测手艺的不雅测维度从二维拓展到三维，探测通道涵盖紫外到毫米波，经由过程天—临—空—地—海多基协同、多谱段耦合、大都据集成，将实现圈层多物理量动态化、立体化、全息化的透视不雅测信息获得，促生新的地球系统科学常识，有望成为下一代对地不雅测手艺系统的制高点。
针对年夜气、海洋、植被和固体地球不雅测等范畴的使命和探测方针，以透视视角展开空间对地不雅测/探测新道理、地球系统参量反演新理论、定量利用新方式研究，构建邃密分辩率、全天候、高靠得住性的新一代地球系统空间不雅测手艺系统，首要分为年夜气圈层透视、丛林透视、固定地球透视和海洋透视4个重点范畴。
年夜气圈层透视首要操纵全谱段、主被动协同、星—机—地结合的不雅测手段，实现对年夜气中“景象形象—辐射—成份”要害要素的三维立体不雅测。今朝国际上的年夜气透视手艺实现了对晴空和云雨前提下年夜气的全球性、高时空分辩率的不雅测，为数值预告供给了年夜量靠得住的不雅测信息。国际上已发射了TRMM-PR单频降水雷达、Cloudsat-CPR单频云廓线雷达以双频降水雷达，中国在星载云、降雨透视探测雷达研制和利用方面也快速成长。但现有在轨运行的雷达频率较低，仅对标准较年夜降水粒子比力敏感，难以同步获得正确的云垂直布局信息，没法为云、降雨演化进程机理的研究供给足够的邃密不雅测资料，限制了云降雨研究的成长。
丛林透视手艺首要经由过程综合操纵多种遥感手艺手段，以获得丛林的三维邃密布局信息。今朝美国和欧洲对地不雅测计谋计划均将碳轮回和生态系统不雅测作为首要不雅测方针之一，明白计划了激光雷达、合成孔径雷达、光学相连系的丛林监测系统。若何实现复杂地形前提下丛林三维布局的不雅测，是丛林遥感的前沿与难点。综合操纵多频雷达干与、激光雷达和光学多角度立体不雅测等手段，从波段、极化、时相、基线等分歧维度，摸索多维度丛林空间布局遥感探测机理模子，构成多波段一体化丛林空间布局遥感理论与方式，以实现丛林植被布局透视、丛林组分透视和丛林生化参数透视。
固体地球透视探测首要操纵多场量、主被动协同、星—空—地结合不雅测方案，获得重力、磁力、电磁等地球物理场，对岩石圈进行穿透性、年夜深度、多场量特点综合阐发，“揭开”地表笼盖层，研究与描绘地球内部的物理性质、岩性和组织特点，探测与辨认地下方针体，对地质布局实现立体三维数据获得，为解决人类社会保存成长相当主要的资本、情况等问题供给前途。当前，在传统电磁设备手艺和基在航空航天的地球物理探测设备手艺方面，我国对岩石圈内部参数获得能力还存在必然的差距。将来，冲破新型小型化、高活络度的地球物理焦点传感器，展开年夜深度、高效力和高精度的固体地球透视手艺系统研制，对不雅察、阐发和捕获岩石圈频仍的地质勾当和地质现象，实现地质布局立体三维数据获得具有重年夜利用价值。
海洋遥感凡是采取可见光—红外—微波等电磁波段对海洋概况展开遥感监测，若何综合操纵遥感和水下现场不雅测，实现对海水内部信息的发掘，从表层深度到次表层甚至中层和深层水体的透视探测，是当前国际海洋遥感成长的年夜趋向。我国海域广宽，有丰硕的海洋资本，亟须成长海洋内部不雅测手艺，高精度描画海洋生物量、海洋动力场、海底地形地貌、海底油气矿藏等各类水下情况，支持内波、涡旋、锋面、洋流与潮汐等各类海洋水下现象的高分辩猜测预告。
如何“透视地球”
在地球系统科学理念延续深切和科技立异延续冲破的年夜布景下，聚焦地球系统各圈层的内部探测，对地不雅测手艺不竭成长和立异，成为鞭策地球科学成长的焦点驱动力。多频段雷达探测、多基线干与雷达探测、磁力探测、重力探测、电磁探测、甚高频微波探测、主被动微波探测、激光探测等新型载荷不雅测能力的提高，不雅测平台载荷集成能力的晋升和综合地球探测理论的成长，为地球系统多物理量的结合探测、联系关系建模与信息重构供给了理论和手艺根本。
雷达降水探测手艺。这是指经由过程发射雷达旌旗灯号，并根据领受的降水的雷达回波强度，实现对降水强度的三维空间散布布局的探测。搭载降水雷达的平台可分为地基、空基和星基。经由过程多频段雷达组合，实现对云和降水的协同不雅测，可以或许供给加倍邃密的云和降水三维布局透视数据，有益在加倍清晰地舆解云降水的演化进程，为降水预告的改良供给支持。
航空重力探测手艺。这是经由过程航空平台搭载重力仪和定位传感器组合系统进行持续重力丈量，获得地下方针体密度差别引发的微弱重力异常旌旗灯号。这些异常旌旗灯号可以揭露地壳厚度转变、断裂带位置和延长环境，探测密度差别显著的隐伏岩体或岩层。新的航空重力矢量丈量系统可以获得程度重力份量信息，进一步肯定方针体外形走向，用在邃密的地质组织研究和高精度资本勘察。
电磁探测手艺。航空电磁探测是一种操纵航空平台搭载电磁探测装备进行地下介质探测的手艺。经由过程剔除噪声，获得地下方针体引发的电磁场异常响应，从而成立地下由浅至深电阻率透视模子。今朝，航空电磁探测普遍利用在矿产勘查、油气资本评价、海洋地质查询拜访、地下水勘查、工程地质和情况查询拜访、海洋地形与极地海冰探测、军事与国防等范畴。这类手艺在快速获得年夜规模地下信息和探测复杂地质前提下具有较着的优势，对资本开辟和情况庇护具有主要的利用价值。
冰冻圈主被动微波探测手艺。这是按照分歧波长微波对冰川、积雪、冻土的穿透差别性道理，基在星载或航空平台搭载自动微波探冰雷达和被动微波辐射计，实现对南极或山地冰川内部布局、温度/密度廓线、冰下基岩和水系、积雪雪水当量、次表层泥土含水量等冰冻圈要害参数的高分辩率透视探测。
海洋水体剖面激光探测手艺。激光作为一种高功率自动遥感器，是穿透水体最有用的探测手段之一。面向全球海洋的跃层时空布局和其转变纪律、低级出产力与碳轮回和生命系统探测、海气能量与物资通量3年夜科学问题，操纵蓝绿波段强穿透能力，展开海洋剖面激光探测手艺攻关，冲破海洋动力热力剖面激光探测、上层海洋生物光学剖面探测、激光高光谱多波长偏振颗粒物散射、海—气界面复杂参数激光探测等要害手艺，有望实现全球海洋百米深度内的生物光学参数的立体探测与高精度反演。
现在，我国科研人员依托国度重点研发打算“航空协同透视探测手艺系统”“透视地球集成与利用验证手艺”项目等，连系现有空基飞翔平台特点和各圈层透视载荷能力，成立多型载荷与航空平台矩阵关系，冲破使命载荷一体化集成设计与测试，多机协同使命建模与飞翔管控等手艺，构建透视地球原型系统，实现多谱特点耦合与多维数据协同的航空透视探测系统集成。
云雨三维布局邃密透视的实验、景不雅标准丛林生物量估算实验、沙漠荒凉笼盖区岩性和组织透视的实验、岩溶地下河空间展布的探测实验……为了评估透视地球原型系统的利用效能，科研人员以云雨布局、海洋动力与生物场、丛林布局、岩性组织等为透视方针，依托由中国科学院空天信息立异研究院扶植运行的新舟60航空遥感平台，有/无人多平台和多载荷协同组网，构建全谱系、多波段的“透视地球”空中尝试室，选择典型示范区并顾和航空实验飞翔与地基参考真值丈量前提束缚，组织展开空基开云体育app透视探测实验，成立手艺系统可用性阐发和效能评估的指标系统，验证各圈层透视方针的知足水平。本年5月，项目团队将召开专题手艺方案钻研会，深化透视探测集成验证方案，为岩溶区的水资本计划和生态庇护供给手艺撑持。
“透视地球”是对地不雅测手艺新系统的测验考试和摸索，在要害手艺、利用立异和成长路径等方面还待不竭成长和延续完美。依托探测机理、进步前辈载荷和数据利用上的手艺冲破和加快变化，“透视地球”有望实现对地球圈层多物理量的动态、立体探测，生玉成空间、高可托的透视数据资本，引领以圈层透视信息为焦点的新一代地球科学常识系统的成长，并鞭策空天科技、深地深海等根本焦点范畴的前沿立异，为人类的出产和糊口供给智能化办事。
（作者：周翔 潘洁 吴一戎，别离系中国科学院空天信息立异研究院研究员；正高级工程师；中国科学院空天信息立异研究院院长、中国科学院院士）
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