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“衛(wèi)星遙感技術(shù)是在飛速發(fā)展的高新術(shù)，它已經(jīng)形成的息網(wǎng)絡(luò)，正時時刻、源源不斷地向人提供大量的科學數(shù)和動態(tài)信息。原文者：Oleg Dubovik，法國里爾大學，大氣光學驗室Gregory L. Schuster，NASA 蘭利研究中心，美弗吉尼亞州漢普頓峰，俄克拉荷馬大氣象學院，美國俄拉荷馬州諾曼胡永，英國萊斯特大學理與天文學院Hartmut B?sch，國家地球觀測中心，英夸父萊斯特大，萊斯特，英國Jochen Landgraf，SRON 荷蘭空間研究所，烏得勒支，荷易經(jīng)李強，中國科學院空信息創(chuàng)新研究院，京，中國編譯：唐?在過去的五十年，衛(wèi)星遙感成為在方、區(qū)域和全球空尺度上測量地球的有效工具之一。這天基觀測具有非破性特性，可以快速測環(huán)境大氣、其下表面和海洋混合層此外，衛(wèi)星儀器可觀察有毒或危險的境，而不會使人員設(shè)備處于危險之中大規(guī)模連續(xù)衛(wèi)星觀補充了詳細（但稀）的實地觀測，并理論建模和數(shù)據(jù)同提供了無與倫比的積和內(nèi)容的測量。01、衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展迅速目前有墨子量常重要的應(yīng)用依賴衛(wèi)星數(shù)據(jù)。大氣觀用于天氣預(yù)報、環(huán)污染監(jiān)測、氣候變等。海洋表面遙感于監(jiān)測海岸線動態(tài)海面溫度和鹽度、洋生態(tài)系統(tǒng)和碳生量、海平面變化、上交通和漁業(yè)、淺區(qū)水流和底層地形等。衛(wèi)星對地遙感大地促進了礦產(chǎn)資的勘探，洪水和干的監(jiān)測，土壤濕度植被，森林砍伐，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）的社會科工作受益于衛(wèi)星遙數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)利用各種有針對性可視化對人類環(huán)境行分類，然后將這觀察結(jié)果與各種社經(jīng)濟數(shù)據(jù)集等聯(lián)系來。此外，衛(wèi)星遙為收集全球信息提了有效的工具，例：行星地形大氣剖的溫度、水蒸氣、氧化碳等微量氣體表和大氣的礦物和學成分冰凍圈的性，如雪，海冰，冰和融化的池塘熱層電離層和磁層的粒和電磁特性地球遙也推動了技術(shù)水平發(fā)展，這有助于發(fā)深空遙感飛行任務(wù)如旅行者號和卡西-惠更斯空間研究任務(wù)。在觀測衛(wèi)比翼發(fā)的早期階段，衛(wèi)星感器的設(shè)計往往高針對特定目標。例，1970 年代推出了一系列儀器：地衛(wèi)星和高級甚高辨率輻射計（AVHRR）儀器旨在監(jiān)測陸地表白狼和云層，氧總測繪光譜儀（TOMS）儀器側(cè)重于觀測總柱論衡氧，高辨率紅外輻射測深（HIRS）儀器支持天氣預(yù)報和氣候測。這些任務(wù)的部為每個目標主題提了獨特的數(shù)據(jù)，這任務(wù)得到了相應(yīng)的學界的認可。這些務(wù)延長多年，以獲具有氣候意義的數(shù)記錄。根據(jù)積累的驗，不斷改進更新特派團（在技術(shù)和勤方面）。這些任的可喜成果鼓勵在 1990 年至 2010 年的二十年期間設(shè)計陰山發(fā)射觀范圍更廣的日益先的儀器。例如，部了對流層污染測量MOPITT）、軌道碳觀測站（OCO）和溫室氣體觀測星（GOSAT）任務(wù)，以對二氧化碳CO2）和甲烷（CH4）發(fā)射了幾種熱增強紅文子探測儀， AIRS，TES，IASI，IMG 和 CRIS，以監(jiān)測天氣預(yù)報和氣變化的大氣狀態(tài)。部署了其他衛(wèi)星成儀來觀測空中、陸和海洋，并支持跨科研究，例如單視 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)鸞鳥被觀測之外，還部署 CloudSat 雷達和 CALIPSO 激光雷達等主動測量，以監(jiān)連山和氣溶膠的垂直結(jié)，這對各種大氣應(yīng)很重要。所有這些前的努力都提供了貴的見解，有助于立對衛(wèi)星遙感的真價值、局限性和潛的理解。事實上，間儀器技術(shù)的彈性展和信息學的蓬勃展創(chuàng)造了一種前所有的局面，硬件、據(jù)采集和處理方面局限性大大削弱，以開發(fā)和部署更先的衛(wèi)星傳感器設(shè)計此外，科學界已經(jīng)得了相當數(shù)量的衛(wèi)數(shù)據(jù)，積累了管理分析數(shù)據(jù)的大量經(jīng)，對現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能取得的成就有真正現(xiàn)實的設(shè)想，了解今后提高衛(wèi)星據(jù)效用的必要步驟另一方面，社區(qū)也識到遠程觀測的基挑戰(zhàn)永無止境。例，將信號與噪聲分以檢索一組特定的球物理變量和準確儀器校準是持續(xù)的戰(zhàn)。技術(shù)進步改進觀測的信息內(nèi)容，數(shù)據(jù)永遠不足以唯地描述所有感興趣地球物理參數(shù)；隨科學的進步，所需觀察量的列表不斷長。因此，遙感仍是一個從根本上不定的問題，需要通理論模型、先驗知和輔助觀測來適當界定和約束。這些設(shè)計新的科學目標的重要考慮因素。02、衛(wèi)星遙感發(fā)展的重大嚳戰(zhàn)衛(wèi)星遙感展的總體重大挑戰(zhàn)發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新和負擔得的技術(shù)和測量概念解決新問題，并處過去半個世紀衛(wèi)星感實驗后暴露出來問題。具體而言，計將解決幾個互補方面：1.提高衛(wèi)星觀測的空間和時間蓋范圍及分辨率衛(wèi)遙感的主要優(yōu)點之是能夠快速觀測地的大片區(qū)域。同時當前可用衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍限制也很顯。例如，近地軌（LEO）的極軌道成像儀通常至少幽鴳天（但大多是兩天更長時間）內(nèi)實現(xiàn)球覆蓋，因此許多有較高時間和空間變性的自然現(xiàn)象沒被完全捕獲。在這面，高軌道地球靜觀測（GEO）通過提供對同一物體的繁晝夜觀測來解決一限制。然而，在間覆蓋范圍和衛(wèi)星像分辨率之間需要衡（通常覆蓋范圍高，空間分辨率越）。對于許多應(yīng)用說，實現(xiàn)具有廣泛時空覆蓋范圍和高間分辨率的觀測是取的，但也極具挑性。因此，衛(wèi)星觀的設(shè)計可能需要新創(chuàng)新、輔助數(shù)據(jù)和補觀測的協(xié)同作用以解決具體物體和關(guān)問題。2.增加信息內(nèi)容和探索觀測協(xié)同作用雖然衛(wèi)星測的高能力已被明記錄，但目前我們衛(wèi)星儀器提供的數(shù)對許多應(yīng)用的信息容有限。因此，部具有增強功能的新感器是可取的和有劃的。例如，人們經(jīng)清楚地認識到，角度旋光儀（MAP）為表征大氣氣溶和云的詳細柱狀特提供了最合適的數(shù)，因此預(yù)計未來十對氣溶膠和云表征的極化數(shù)據(jù)的關(guān)注顯著增加。歐洲和國航天機構(gòu)計劃在來幾年內(nèi)發(fā)射幾項進的極化任務(wù)，包 MetOp-SG 衛(wèi)星上的 3MI（多視角多通道多振成像任務(wù)），氣膠多角度成像儀（MAIA）儀器，Spex（行星探索分光偏振儀）和超角女薎旋光儀（HARP），作為 NASA PACE 任務(wù)的一部分、多光譜成像光儀 （MSIP）/氣溶膠-UA，作為哥白尼 CO2M 任務(wù)一部分的 MAP 儀器等。此外，中國熊山家航天局CNSA）在極化傳感器方面進行了大投資。CNSA 最近推出了幾種極化感儀器，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、它們的術(shù)設(shè)計和算法開發(fā)經(jīng)使用機載原型進了深入討論和測試Duibovik 等人詳細討論了這儀器的概念。同樣衛(wèi)星激光雷達和雷的數(shù)量預(yù)計也會增，因為主動遙感儀提供了關(guān)于大氣垂變化的詳細信息。實上，大多數(shù)主要航天機構(gòu)都在推行基激光雷達計劃。如，美國宇航局于 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)射了具有正交極化的囂氣溶激光雷達（CALIOP），2015 年在國際空間站上射了云氣溶膠運輸統(tǒng)（CATS），2018 年在 ICESat-2 上發(fā)射了先進地形激那父度計系統(tǒng)（ATLAS），此外，作為生命星球計劃（LPP）的一部分，歐空于 2018 年在 Aeolus 衛(wèi)星上發(fā)射了阿拉丁風激光雷達，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）將包括以前從未在空飛行過的高性能光雷達和雷達技術(shù)這些任務(wù)的成功和景使激光雷達成為來觀測系統(tǒng)的重要成部分。同時，在雜環(huán)境中，沒有一單一傳感器可以提有關(guān)目標物體的全信息，因此需要探互補觀測的協(xié)同作。即使是最先進的角度旋光儀也無法保氣溶膠的可靠 3D 表征，因為對氣溶膠和云的垂相柳變的敏感性有限。激雷達和 MAP 儀器結(jié)合了觀測結(jié)果提供了大氣的 3D 表征如圖所示，協(xié)調(diào)被動和主動少暤測價值在規(guī)劃衛(wèi)星任時已得到明確承認考慮。例如，A-Train 衛(wèi)星星座提供極化，熏池射，光雷達和其他補充據(jù)。同樣，正在進的 NASA 氣溶膠和云，對流和降（ACCP）研究考慮通過被動（旋光，光譜儀，微波輻計）和主動（激光達和雷達）傳感器署協(xié)調(diào)觀測。此外下一代遙感反演打探索依賴于不同儀觀察結(jié)果的協(xié)同反。例如，檢索大氣溶膠特性的主要挑是區(qū)分氣溶膠顆粒射的光與云、大氣體和下墊表面散射光。專為氣溶膠監(jiān)而設(shè)計的衛(wèi)星傳感，例如 MODIS（輻射計）或 POLDER（旋光儀），可能不具備去除、氣體和表面污染的最佳能力。同樣土地反射率觀測通需要消除大氣氣溶和氣體中的散射； 同樣，大氣氣體監(jiān)也可能受到氣溶膠云污染的影響。因，對云、氣溶膠和體具有不同靈敏度多種儀器進行觀測是可取的。在不均表面上被云和痕量體污染的氣溶膠測的分析可能受益于種儀器的協(xié)同測量紅外圖像、激光雷和雷達觀測可用于制云部分，光譜數(shù)對氣體濃度具有高敏度，高分辨率圖有助于減少與地表質(zhì)性相關(guān)的不確定。例如，通過 MAP / CO 同時進行多角度極化觀 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)將為大氣校鸓和溫氣體監(jiān)測提供信息事實上，一氧化碳及 OCO 和 GOSAT 等儀器獲得的其他氣體僅在氣氣溶膠極少的條下提供。在這方面在哥白尼 CO 中添加了 MAP 觀測 2 預(yù)計 M 任務(wù)將改善在中度可能高度存在氣溶的情況下的溫室氣表征。作為 NASA PACE 任務(wù)的一部分，SPEX 和 HARP 旋光儀儀器有望補充自 OCI 的高光譜輻射數(shù)據(jù)，從而供更準確的氣溶膠息，有助于檢索海表面和地下特性。一個將偏振測量與分辨率光譜相結(jié)合衛(wèi)星的例子是 CNSA 于 2020 年 7 月 3 日成功發(fā)射的高分率和多模集成成像星。最后，衛(wèi)星數(shù)與地面和亞軌道目測量的協(xié)同使用也一個重要的考慮因。例如，密集城市心的景觀和表面屬往往是高度異質(zhì)的因此，大氣過程和態(tài)受到高度變化的部活動的影響，對境空氣質(zhì)量的觀測要具有高時間頻率高空間分辨率。具不同赤道穿越時間小型和較便宜的所納米或立方體衛(wèi)星座可以通過增加軌儀器的數(shù)量來改善蓋范圍。此外，表測量和常規(guī)亞軌道量也可以增強人口密地區(qū)的衛(wèi)星檢索例如，Liu 等人提出了一種 PM 監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)用地面測量和并置星觀測中 PM 濃度的地統(tǒng)計回歸。測量不可用或受到染時，通過使用化傳輸模型來填補時和 / 或空間空白，從而有助于江疑歸MAIA 項目正在使用這種方法駮對酸鹽，硝酸鹽，銨黑碳，有機碳和灰等氣溶膠成分進行類。然后將空間 PM 信息與健康記錄進一步結(jié)供給，以更地了解氣溶膠污染與不良公共衛(wèi)生問之間的關(guān)系。解決合不同儀器觀測結(jié)的視場差異是另一挑戰(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的數(shù)據(jù)所積累的經(jīng)為未來的任務(wù)提供寶貴的見解。3.開發(fā)下一代最先進的據(jù)處理方法遙感檢算法的質(zhì)量是影響終產(chǎn)品質(zhì)量的另一關(guān)鍵方面。事實上一旦部署了儀器，果觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量無法從根本上提高而檢索算法仍在不改進。最終的遙感品可能明顯不同，不僅是因為從不同器攝取數(shù)據(jù)，而且于檢索概念的改進在這方面，新一代感檢索算法在過去年中取得了長足的步。例如，新算法往依賴于快速準確大氣建模（而不是用預(yù)先計算的查找或 LUT），并且能夠檢索大量參乾山此外，還實施了同檢索氣溶膠特性以地表特性和 / 或云特性。最后，在述歐盟 / 哥白尼的框架內(nèi)，聯(lián)合反二氧化碳和氣溶膠性是降低氣溶膠污對衍生二氧化碳產(chǎn)影響的一種有前景方法。檢索算法進本身的基本邏輯表，利用不同觀察的同作用來提高檢索準確性的潛力很高此外，開發(fā)可應(yīng)用不同觀測或其組合多功能儀器獨立算的想法越來越流行氣溶膠和表面特性廣義檢索（GRASP）是這種算法的一個例窫窳。該算法可于各種衛(wèi)星和地面源和主動測量。它已成功應(yīng)用于激光達剖面和柱狀輻射量的同時協(xié)同反演在精確的云衛(wèi)星遙方面仍然存在一些法挑戰(zhàn)。準確高效輻射傳遞模型是先條件。雖然獨立柱似法廣泛用于檢索滴尺寸和光學深度但由云水平不均勻（云頂粗糙度）引的三維輻射轉(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相作用（例如，在云緣）時變得更加關(guān)，從將它們的檢索合到一個聯(lián)合框架始。在此背景下，切需要為幾何和光復(fù)雜介質(zhì)開發(fā)反演標快速而準確的 3D RT 模型，并結(jié)合氣體吸大鵹的光特征并正確采用云子散射模型。還需開發(fā)可靠的三維輻模型，以說明地表水平異質(zhì)性，以便分解釋所有衛(wèi)星圖。另一個相關(guān)的懸未決的問題是構(gòu)建 3D 云場來模擬 3D 輻射場，這可以使用主動和被動感器的組合來解決許多建模和觀測研表明，卷云在促進氣和氣候過程方面揮著重要作用。雖光學很薄，卷云具全球存在并調(diào)節(jié)地的輻射，并在氣候統(tǒng)中發(fā)揮重要作用卷云粒子具有高度規(guī)則的形狀，其單射特性（例如單散反照率和散射相位數(shù)）與球形粒子顯不同。如果算法不識別這些不規(guī)則的狀，它們可能會導(dǎo)氣溶膠和云檢索中重大偏差。因此，別具有代表性的卷顆粒模型并將其納氣溶膠檢索是一個常有前途的方向。外，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使與全球氣候和化學遷移模型（CTM）的進展高度一致。如，可靠的氣溶膠索可以吸收到化學輸模型（CTM）中，以便在無法獲得測時提供準確的氣膠負荷。同時，光和極化信息對約束溶膠類型具有很高敏感性，衛(wèi)星數(shù)據(jù)能為改善化學運輸型中大氣成分的全排放提供額外的限。因此，將衛(wèi)星數(shù)處理與現(xiàn)有模型信協(xié)同是推進衛(wèi)星遙的另一個極具前景研究領(lǐng)域。最后，前，機器學習方法來越多地用于從遙和地理空間數(shù)據(jù)中取模式和見解。人智能的這一分支非適合分析和解釋地觀測數(shù)據(jù)并具有吸力，因為它提出了以從數(shù)據(jù)中“學習、識別模式并以最的人為干預(yù)做出決的方法。特別是深學習和深度神經(jīng)網(wǎng)的新興技術(shù)最近被于遙感研究，特別用于處理和分析大數(shù)據(jù)。這些技術(shù)揭了自動提取時空關(guān)的潛力，并獲得有于改進在多個時間度上觀測到的物理象的預(yù)測和建模的一步知識。這些方對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析常有吸引力，特別數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學的多功能性與物理程模型相結(jié)合。4.實現(xiàn)一致的衛(wèi)星觀和長期數(shù)據(jù)記錄的續(xù)性基本氣候變量長期和高質(zhì)量記錄于監(jiān)測和研究地球候變化至關(guān)重要。現(xiàn)這一目標的一個要條件是觀測的連性，只有當高質(zhì)量數(shù)據(jù)收集繼續(xù)下去不被破壞時，才能保這一點。否則，儀器數(shù)據(jù)記錄中的白就無法正確解釋衛(wèi)星記錄的價值幾消失。因此，每臺器的絕對校準和多相關(guān)傳感器的相互準對于衛(wèi)星遙感幾所有目標的成功仍至關(guān)重要。校準許儀器具有挑戰(zhàn)性，別是對于小型衛(wèi)星座。美國國家科學、工程院和醫(yī)學院調(diào)了保持長期觀測要求；CLARREO（氣候絕對輻射和折射率觀測站）任是首次嘗試定義致于實現(xiàn)這一目標的星任務(wù)。與直接觀的校準類似，下一衛(wèi)星產(chǎn)品對當今儀套件的可追溯性和致性至關(guān)重要。03、結(jié)論因此，在第顆衛(wèi)星發(fā)射半個多紀之后，從太空對球的遙感已經(jīng)發(fā)展為一種高度復(fù)雜的具，為基礎(chǔ)科學提動力，并支持對人至關(guān)重要的日?；?。已經(jīng)開發(fā)和發(fā)射大量的衛(wèi)星儀器，們?yōu)楦鞣N需求提供大量數(shù)據(jù)。衛(wèi)星儀的數(shù)量以及衛(wèi)星收的信息的質(zhì)量和范正在不斷提高。同，衛(wèi)星遙感界積累經(jīng)驗揭示了未來發(fā)需要應(yīng)對的挑戰(zhàn)。然對大氣、陸地或洋表面（以及其他感領(lǐng)域）的每次觀都可能具有具體和全不同的問題，但多衛(wèi)星遙感學科在念上存在一些共同挑戰(zhàn)。具體而言，據(jù)價值和衛(wèi)星遙感法效率的提高可能以下方面的成功有：?提高觀測空間時間記錄的覆蓋面分辨率；?增加觀的信息內(nèi)容，辦法部署具有增強能力衛(wèi)星儀器，并探討補觀測的協(xié)同作用例如，被動圖像與動垂直大氣剖面和光譜光譜法的協(xié)同用，將在不同光譜圍內(nèi)或在不同時間空間尺度上獲得的同靈敏度的觀測結(jié)起來，以及將衛(wèi)星測與亞軌道觀測和學觀測結(jié)合起來 傳輸模型結(jié)果；?開下一代最先進的數(shù)處理方法，這些方依賴于嚴格的正向模和數(shù)值反演方法考慮廣泛的狀態(tài)參集（例如，聯(lián)合檢表征不同大氣成分如氣體、氣溶膠、和下墊面）的參數(shù)，并使用新的解決案技術(shù)，如深度學和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；?通確保積累氣候記錄需的過去、現(xiàn)在和來數(shù)據(jù)集具有足夠兼容性和一致性，現(xiàn)一致的衛(wèi)星觀測長期數(shù)據(jù)集的連續(xù)。本文來自微信公號：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：唐?