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“衛(wèi)星遙感技術正在飛速發(fā)展的新技術，它已經成的信息網絡，時時刻刻、源源斷地向人們提供量的科學數據和態(tài)信息。原文作：Oleg Dubovik，法國里爾大學，大氣學實驗室Gregory L. Schuster，NASA 蘭利研究中心，美國弗尼亞州漢普頓徐，俄克拉荷馬大氣象學院，美國克拉荷馬州諾曼永祥，英國萊斯大學物理與天文院Hartmut B?sch，國家地球觀測中心英國萊斯特大學萊斯特，英國Jochen Landgraf，SRON 荷蘭空間研究所，烏得勒支荷蘭李正強，中科學院空天信息新研究院，北京中國編譯：唐?在過去的五十年，衛(wèi)星遙感成為地方、區(qū)域和全空間尺度上測量球的最有效工具一。這些天基觀具有非破壞性特，可以快速監(jiān)測境大氣、其下墊面和海洋混合層此外，衛(wèi)星儀器以觀察有毒或危的環(huán)境，而不會人員或設備處于險之中。大規(guī)模續(xù)衛(wèi)星觀測補充詳細（但稀疏）實地觀測，并為論建模和數據同提供了無與倫比體積和內容的測。01、衛(wèi)星遙感技術發(fā)展迅速目有大量非常重要應用依賴于衛(wèi)星據。大氣觀測用天氣預報、環(huán)境染監(jiān)測、氣候變等。海洋表面遙用于監(jiān)測海岸線態(tài)、海面溫度和度、海洋生態(tài)系和碳生物量、海面變化、海上交和漁業(yè)、淺水區(qū)流和底層地形圖。衛(wèi)星對地遙感大地促進了礦產源的勘探，洪水干旱的監(jiān)測，土濕度，植被，森砍伐，森林火災農業(yè)監(jiān)測，城市劃等。最后，調全球危機（如 COVID-19 大流行）的社會學工作受益于衛(wèi)遙感數據集，這數據集利用各種針對性的可視化人類環(huán)境進行分，然后將這些觀結果與各種社會濟數據集等聯系來。此外，衛(wèi)星感為收集全球信提供了有效的工，例如：行星地大氣剖面的溫度水蒸氣、二氧化等微量氣體地表大氣的礦物和化成分冰凍圈的性，如雪，海冰，川和融化的池塘層，電離層和磁的粒子和電磁特地球遙感也推動技術水平的發(fā)展這有助于發(fā)展深遙感飛行任務，旅行者號和卡西-惠更斯空間研究任務。在觀測衛(wèi)發(fā)展的早期階段衛(wèi)星傳感器的設往往高度針對特目標。例如，1970 年代推出了一系列儀器：大衛(wèi)星和高級甚高辨率輻射計（AVHRR）儀器旨在監(jiān)測陸地表面和層，臭氧總測繪譜儀（TOMS）儀器側重于觀測柱臭氧，高分辨紅外輻射測深儀HIRS）儀器支持天氣預報和氣監(jiān)測。這些任務部署為每個目標題提供了獨特的據，這些任務得了相應的科學界認可。這些任務長多年，以獲得有氣候意義的數記錄。根據積累經驗，不斷改進新的特派團（在術和后勤方面）這些任務的可喜果鼓勵在 1990 年至 2010 年的二十年期間設計和發(fā)射觀范圍更廣的日益進的儀器。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，以對二氧化碳CO2）和甲烷（CH4）發(fā)射了幾種熱增強紅外探儀，如 AIRS，TES，IASI，IMG 和 CRIS，以監(jiān)測天氣預報和氣候化的大氣狀態(tài)。部署了其他衛(wèi)星像儀來觀測空中陸地和海洋，并持跨學科研究，如單視角 MODIS、MERIS 和 SGLI、雙視角 ATSR 和 AATSR、多視角 MISR 輻射計和 POLDER 旋光儀。除了這些更統(tǒng)的被動觀測之，還部署了 CloudSat 雷達和 CALIPSO 激光雷達等主動測量，以監(jiān)云和氣溶膠的垂結構，這對各種氣應用很重要。有這些先前的努都提供了寶貴的解，有助于建立衛(wèi)星遙感的真正值、局限性和潛的理解。事實上空間儀器技術的性發(fā)展和信息學蓬勃發(fā)展創(chuàng)造了種前所未有的局，硬件、數據采和處理方面的局性大大削弱，可開發(fā)和部署更先的衛(wèi)星傳感器設。此外，科學界經獲得了相當數的衛(wèi)星數據，積了管理和分析數的大量經驗，對有衛(wèi)星數據集可取得的成就有著正現實的設想，了解今后提高衛(wèi)數據效用的必要驟。另一方面，區(qū)也意識到遠程測的基本挑戰(zhàn)永止境。例如，將號與噪聲分離以索一組特定的地物理變量和準確儀器校準是持續(xù)挑戰(zhàn)。技術進步進了觀測的信息容，但數據永遠足以唯一地描述有感興趣的地球理參數；隨著科的進步，所需可察量的列表不斷長。因此，遙感然是一個從根本不適定的問題，要通過理論模型先驗知識和輔助測來適當地界定約束。這些是設新的科學目標時重要考慮因素。02、衛(wèi)星遙感發(fā)展的重大挑戰(zhàn)衛(wèi)星感發(fā)展的總體重挑戰(zhàn)是發(fā)現創(chuàng)新負擔得起的技術測量概念來解決問題，并處理過半個世紀衛(wèi)星遙實驗后暴露出來問題。具體而言預計將解決幾個補的方面：1.提高衛(wèi)星觀測的空和時間覆蓋范圍分辨率衛(wèi)星遙感主要優(yōu)點之一是夠快速觀測地球大片區(qū)域。同時當前可用衛(wèi)星數的覆蓋范圍限制很明顯。例如，地軌道（LEO）的極軌道成像儀常至少在一天（大多是兩天或更時間）內實現全覆蓋，因此許多有較高時間和空可變性的自然現沒有被完全捕獲在這方面，高軌地球靜止觀測（GEO）通過提供對同一物體的頻繁夜觀測來解決這限制。然而，在間覆蓋范圍和衛(wèi)圖像分辨率之間要權衡（通常覆范圍越高，空間辨率越低）。對許多應用來說，現具有廣泛的時覆蓋范圍和高空分辨率的觀測是取的，但也極具戰(zhàn)性。因此，衛(wèi)觀測的設計可能要新的創(chuàng)新、輔數據和互補觀測協(xié)同作用，以解具體物體和相關題。2.增加信息內容和探索觀測協(xié)同作用雖然衛(wèi)觀測的高能力已明確記錄，但目我們的衛(wèi)星儀器供的數據對許多用的信息內容有。因此，部署具增強功能的新傳器是可取的和有劃的。例如，人已經清楚地認識，多角度旋光儀MAP）為表征大氣氣溶膠和云的細柱狀特性提供最合適的數據，此預計未來十年氣溶膠和云表征的極化數據的關將顯著增加。歐和美國航天機構劃在未來幾年內射幾項先進的極任務，包括 MetOp-SG 衛(wèi)星上的 3MI（多視角多通道多振成像任務），溶膠多角度成像（MAIA）儀器，Spex（行星探索分光偏振儀和超角彩虹旋光（HARP），作為 NASA PACE 任務的一部分、多光譜成旋光儀 （MSIP）/氣溶膠-UA，作為哥白尼 CO2M 任務一部分的 MAP 儀器等。此外，國國家航天局（CNSA）在極化傳感器方面進行了量投資。CNSA 最近推出了幾種極化遙感儀器，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、它們的技術計和算法開發(fā)已使用機載原型進了深入討論和測，Duibovik 等人詳細討論了這些儀器的概。同樣，衛(wèi)星激雷達和雷達的數預計也會增加，為主動遙感儀器供了關于大氣垂變化的詳細信息事實上，大多數要的航天機構都推行天基激光雷計劃。例如，美宇航局于 2003 年在 ICESat 衛(wèi)星上發(fā)射了地球科學激高度計系統(tǒng)（GLAS），2006 年在 CALIPSO 衛(wèi)星上發(fā)射了具有正交極的云氣溶膠激光達（CALIOP），2015 年在國際空間站上射了云氣溶膠運系統(tǒng)（CATS），2018 年在 ICESat-2 上發(fā)射了先進地形激光高度計統(tǒng)（ATLAS），此外，作為生星球計劃（LPP）的一部分，歐局于 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 聯合衛(wèi)星（預計于 2023 年發(fā)射）將包括以前從未在太空行過的高性能激雷達和雷達技術這些任務的成功前景使激光雷達為未來觀測系統(tǒng)重要組成部分。時，在復雜環(huán)境，沒有一種單一感器可以提供有目標物體的全面息，因此需要探互補觀測的協(xié)同用。即使是最先的多角度旋光儀無法確保氣溶膠可靠 3D 表征，因為對氣溶膠云的垂直變化的感性有限。激光達和 MAP 儀器結合了觀測結，提供了大氣的 3D 表征如圖所示，協(xié)調被動和動觀測的價值在劃衛(wèi)星任務時已到明確承認和考。例如，A-Train 衛(wèi)星星座提供極化，輻射激光雷達和其他充數據。同樣，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（激雷達和雷達）傳器部署協(xié)調觀測此外，下一代遙反演打算探索依于不同儀器觀察果的協(xié)同反演。如，檢索大氣氣膠特性的主要挑是區(qū)分氣溶膠顆散射的光與云、氣氣體和下墊表散射的光。專為溶膠監(jiān)測而設計衛(wèi)星傳感器，例 MODIS（輻射計）或 POLDER（旋光儀），可能不具備去云、氣體和表面染物的最佳能力同樣，土地反射觀測通常需要消大氣氣溶膠和氣中的散射； 同樣，大氣氣體監(jiān)測可能受到氣溶膠云污染的影響。此，對云、氣溶和氣體具有不同敏度的多種儀器行觀測總是可取。在不均勻表面被云和痕量氣體染的氣溶膠測量分析可能受益于種儀器的協(xié)同測。紅外圖像、激雷達和雷達觀測用于限制云部分光譜數據對氣體度具有高靈敏度高分辨率圖像有于減少與地表異性相關的不確定。例如，通過 MAP / CO 同時進行多角度化觀測 2 在 CO 框架內部署的 M 和 DPC2 預計歐盟 / 哥白尼和 GF-5 中國任務將為大氣校正和室氣體監(jiān)測提供息。事實上，一化碳以及 OCO 和 GOSAT 等儀器獲得的其他氣體僅在大氣溶膠極少的條件提供。在這方面在哥白尼 CO 中添加了 MAP 觀測 2 預計 M 任務將改善在中度和可能高存在氣溶膠的情下的溫室氣體表。作為 NASA PACE 任務的一部分，SPEX 和 HARP 旋光儀儀器有望補充來自 OCI 的高光譜輻射數據，從而提供更確的氣溶膠信息有助于檢索海洋面和地下特性。一個將偏振測量高分辨率光譜相合的衛(wèi)星的例子 CNSA 于 2020 年 7 月 3 日成功發(fā)射的高分辨率多模集成成像衛(wèi)。最后，衛(wèi)星數與地面和亞軌道標測量的協(xié)同使也是一個重要的慮因素。例如，集城市中心的景和表面屬性往往高度異質的。因，大氣過程和動受到高度變化的部活動的影響，環(huán)境空氣質量的測需要具有高時頻率和高空間分率。具有不同赤穿越時間的小型較便宜的所謂納或立方體衛(wèi)星星可以通過增加軌儀器的數量來改覆蓋范圍。此外表面測量和常規(guī)軌道測量也可以強人口稠密地區(qū)衛(wèi)星檢索。例如Liu 等人提出了一種 PM 監(jiān)測技術，該技術用地面測量和并衛(wèi)星觀測中 PM 濃度的地統(tǒng)計回歸。當測量不可或受到污染時，過使用化學傳輸型來填補時間和 / 或空間空白，從而有助于回歸MAIA 項目正在使用這種方法對硫酸鹽，硝酸，銨，黑碳，有碳和灰塵等氣溶成分進行分類。后將空間 PM 信息與健康記錄一步結合，以更地了解氣溶膠污物與不良公共衛(wèi)問題之間的關系解決結合不同儀觀測結果的視場異是另一項挑戰(zhàn)在這方面，使用 A-Train 星座內部署的具不同視場的多個器的數據所積累經驗為未來的任提供了寶貴的見。3.開發(fā)下一代最先進的數據處方法遙感檢索算的質量是影響最產品質量的另一關鍵方面。事實，一旦部署了儀，結果觀測數據質量就無法從根上提高，而檢索法仍在不斷改進最終的遙感產品能明顯不同，這僅是因為從不同器攝取數據，而由于檢索概念的進。在這方面，一代遙感檢索算在過去十年中取了長足的進步。如，新算法往往賴于快速準確的氣建模（而不是用預先計算的查表或 LUT），并且能夠檢索大參數。此外，還施了同時檢索氣膠特性以及地表性和 / 或云特性。最后，在上歐盟 / 哥白尼的框架內，聯合演二氧化碳和氣膠特性是降低氣膠污染對衍生二化碳產物影響的種有前景的方法檢索算法進化本的基本邏輯表明利用不同觀察的同作用來提高檢的準確性的潛力高。此外，開發(fā)應用于不同觀測其組合的多功能器獨立算法的想越來越流行。氣膠和表面特性的義檢索（GRASP）是這種算法的一個例子。該呰鼠可用于各種衛(wèi)星地面無源和主動量。它還已成功用于激光雷達剖和柱狀輻射測量同時協(xié)同反演。精確的云衛(wèi)星遙方面仍然存在一算法挑戰(zhàn)。準確效的輻射傳遞模是先決條件。雖獨立柱近似法廣用于檢索云滴尺和光學深度，但云水平不均勻性云頂粗糙度）引的三維輻射轉移RT）效應可能是檢索偏差的原因云的 3D 性質在研究云和氣溶之間的相互作用例如，在云邊緣時變得更加關注從將它們的檢索合到一個聯合框開始。在此背景，迫切需要為幾和光學復雜介質發(fā)反演目標快速準確的 3D RT 模型，并結合氣體吸收的光譜征并正確采用云子散射模型。還要開發(fā)可靠的三輻射模型，以說地表的水平異質，以便充分解釋有衛(wèi)星圖像。另個相關的懸而未的問題是構建 3D 云場來模擬 3D 輻射場，這可以使用主動和動傳感器的組合解決。許多建模觀測研究表明，云在促進天氣和候過程方面發(fā)揮重要作用。雖然學很薄，卷云具全球存在并調節(jié)球的輻射，并在候系統(tǒng)中發(fā)揮重作用。卷云粒子有高度不規(guī)則的狀，其單散射特（例如單散射反率和散射相位函）與球形粒子顯不同。如果算法能識別這些不規(guī)的形狀，它們可會導致氣溶膠和檢索中的重大偏。因此，識別具代表性的卷云顆模型并將其納入溶膠檢索是一個常有前途的方向此外，衛(wèi)星數據使用與全球氣候化學品遷移模型CTM）的進展高度一致。例如，靠的氣溶膠檢索以吸收到化學運模型（CTM）中，以便在無法獲觀測時提供準確氣溶膠負荷。同，光譜和極化信對約束氣溶膠類具有很高的敏感，衛(wèi)星數據可能改善化學運輸模中大氣成分的全排放提供額外的制。因此，將衛(wèi)數據處理與現有型信息協(xié)同是推衛(wèi)星遙感的另一極具前景的研究域。最后，目前機器學習方法越越多地用于從遙和地理空間數據提取模式和見解人工智能的這一支非常適合分析解釋地球觀測數并具有吸引力，為它提出了可以數據中“學習”識別模式并以最的人為干預做出策的方法。特別深度學習和深度經網絡的新興技最近被用于遙感究，特別是用于理和分析大量數。這些技術揭示自動提取時空關的潛力，并獲得助于改進在多個間尺度上觀測到物理現象的預測建模的進一步知。這些方法對于星數據分析非常吸引力，特別是據驅動的機器學的多功能性與物過程模型相結合4.實現一致的衛(wèi)星觀測和長期數記錄的連續(xù)性基氣候變量的長期高質量記錄對于測和研究地球氣變化至關重要。現這一目標的一必要條件是觀測連續(xù)性，只有當質量的數據收集續(xù)下去而不被破時，才能確保這點。否則，多儀數據記錄中的空就無法正確解釋衛(wèi)星記錄的價值乎消失。因此，臺儀器的絕對校和多個相關傳感的相互校準對于星遙感幾乎所有標的成功仍然至重要。校準許多器具有挑戰(zhàn)性，別是對于小型衛(wèi)星座。美國國家學院、工程院和學院強調了保持期觀測的要求；CLARREO（氣候絕對輻射和折率觀測站）任務首次嘗試定義致于實現這一目標衛(wèi)星任務。與直觀測的校準類似下一代衛(wèi)星產品當今儀器套件的追溯性和一致性關重要。03、結論因此，在第一衛(wèi)星發(fā)射半個多紀之后，從太空地球的遙感已經展成為一種高度雜的工具，為基科學提供動力，支持對人類至關要的日常活動。經開發(fā)和發(fā)射了量的衛(wèi)星儀器，們?yōu)楦鞣N需求提了大量數據。衛(wèi)儀器的數量以及星收集的信息的量和范圍正在不提高。同時，衛(wèi)遙感界積累的經揭示了未來發(fā)展要應對的挑戰(zhàn)。然對大氣、陸地海洋表面（以及他遙感領域）的次觀測都可能具具體和完全不同問題，但許多衛(wèi)遙感學科在概念存在一些共同的戰(zhàn)。具體而言，據價值和衛(wèi)星遙方法效率的提高能與以下方面的功有關：?提高測空間和時間記的覆蓋面和分辨；?增加觀測的息內容，辦法是署具有增強能力衛(wèi)星儀器，并探互補觀測的協(xié)同用，例如，被動像與主動垂直大剖面和高光譜光法的協(xié)同作用，在不同光譜范圍或在不同時間或間尺度上獲得的同靈敏度的觀測合起來，以及將星觀測與亞軌道測和化學觀測結起來 傳輸模型結果；?開發(fā)下一最先進的數據處方法，這些方法賴于嚴格的正向模和數值反演方，考慮廣泛的狀參數集（例如，合檢索表征不同氣成分（如氣體氣溶膠、云和下面）的參數），使用新的解決方技術，如深度學和神經網絡；?過確保積累氣候錄所需的過去、在和未來數據集有足夠的兼容性一致性，實現一的衛(wèi)星觀測和長數據集的連續(xù)性本文來自微信公號：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：唐?