“衛(wèi)星遙感技術(shù)是正在飛速發(fā)展的高新技術(shù)，它已經(jīng)形成的信息網(wǎng)絡(luò)，正時(shí)時(shí)刻刻、源源不斷地向人們提供大量的科學(xué)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)信息。
(資料圖)
原文作者：
Oleg Dubovik，法國(guó)里爾大學(xué)，大氣光學(xué)實(shí)驗(yàn)室
Gregory L. Schuster，NASA 蘭利研究中心，美國(guó)弗吉尼亞州漢普頓
徐峰，俄克拉荷馬大學(xué)氣象學(xué)院，美國(guó)俄克拉荷馬州諾曼
胡永祥，英國(guó)萊斯特大學(xué)物理與天文學(xué)院
Hartmut B?sch，國(guó)家地球觀測(cè)中心，英國(guó)萊斯特大學(xué)，萊斯特，英國(guó)
Jochen Landgraf，SRON 荷蘭空間研究所，烏得勒支，荷蘭
李正強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京，中國(guó)
編譯：唐詩(shī)
出新推出“產(chǎn)業(yè)洞察”欄目，聚焦各細(xì)分領(lǐng)域，解析各行業(yè)發(fā)展前沿等問(wèn)題。本周推出衛(wèi)星遙感系列，本篇重點(diǎn)介紹衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)及未來(lái)挑戰(zhàn)，歡迎大家關(guān)注、閱讀分享。
在過(guò)去的五十年里，衛(wèi)星遙感成為在地方、區(qū)域和全球空間尺度上測(cè)量地球的最有效工具之一。這些天基觀測(cè)具有非破壞性特性，可以快速監(jiān)測(cè)環(huán)境大氣、其下墊表面和海洋混合層。
此外，衛(wèi)星儀器可以觀察有毒或危險(xiǎn)的環(huán)境，而不會(huì)使人員或設(shè)備處于危險(xiǎn)之中。大規(guī)模連續(xù)衛(wèi)星觀測(cè)補(bǔ)充了詳細(xì)（但稀疏）的實(shí)地觀測(cè)，并為理論建模和數(shù)據(jù)同化提供了無(wú)與倫比的體積和內(nèi)容的測(cè)量。
01
衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展迅速
目前有大量非常重要的應(yīng)用依賴于衛(wèi)星數(shù)據(jù)。大氣觀測(cè)用于天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、氣候變化等。海洋表面遙感用于監(jiān)測(cè)海岸線動(dòng)態(tài)、海面溫度和鹽度、海洋生態(tài)系統(tǒng)和碳生物量、海平面變化、海上交通和漁業(yè)、淺水區(qū)水流和底層地形圖等。衛(wèi)星對(duì)地遙感極大地促進(jìn)了礦產(chǎn)資源的勘探，洪水和干旱的監(jiān)測(cè)，土壤濕度，植被，森林砍伐，森林火災(zāi)，農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)，城市規(guī)劃等。
最后，調(diào)查全球危機(jī)（如 COVID-19 大流行）的社會(huì)科學(xué)工作受益于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集利用各種有針對(duì)性的可視化對(duì)人類(lèi)環(huán)境進(jìn)行分類(lèi)，然后將這些觀察結(jié)果與各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集等聯(lián)系起來(lái)。
此外，衛(wèi)星遙感為收集全球信息提供了有效的工具，例如：
行星地形
大氣剖面的溫度、水蒸氣、二氧化碳等微量氣體
地表和大氣的礦物和化學(xué)成分
冰凍圈的性質(zhì)，如雪，海冰，冰川和融化的池塘
熱層，電離層和磁層的粒子和電磁特性
地球遙感也推動(dòng)了技術(shù)水平的發(fā)展，這有助于發(fā)展深空遙感飛行任務(wù)，如旅行者號(hào)和卡西尼-惠更斯空間研究任務(wù)。
在觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展的早期階段，衛(wèi)星傳感器的設(shè)計(jì)往往高度針對(duì)特定目標(biāo)。
例如，1970年代推出了一系列儀器：大地衛(wèi)星和高級(jí)甚高分辨率輻射計(jì)（AVHRR）儀器旨在監(jiān)測(cè)陸地表面和云層，臭氧總測(cè)繪光譜儀（TOMS）儀器側(cè)重于觀測(cè)總柱臭氧，高分辨率紅外輻射測(cè)深儀（HIRS）儀器支持天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)。
這些任務(wù)的部署為每個(gè)目標(biāo)主題提供了獨(dú)特的數(shù)據(jù)，這些任務(wù)得到了相應(yīng)的科學(xué)界的認(rèn)可。這些任務(wù)延長(zhǎng)多年，以獲得具有氣候意義的數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)更新的特派團(tuán)（在技術(shù)和后勤方面）。
這些任務(wù)的可喜成果鼓勵(lì)在1990年至2010年的二十年期間設(shè)計(jì)和發(fā)射觀測(cè)范圍更廣的日益先進(jìn)的儀器。
例如，部署了對(duì)流層污染測(cè)量（MOPITT）、軌道碳觀測(cè)站（OCO）和溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星（GOSAT）任務(wù)，以對(duì)二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）發(fā)射了幾種熱增強(qiáng)紅外探測(cè)儀，如AIRS，TES，IASI，IMG和CRIS，以監(jiān)測(cè)天氣預(yù)報(bào)和氣候變化的大氣狀態(tài)。
還部署了其他衛(wèi)星成像儀來(lái)觀測(cè)空中、陸地和海洋，并支持跨學(xué)科研究，例如單視角MODIS、MERIS和SGLI、雙視角ATSR和AATSR、多視角MISR輻射計(jì)和POLDER旋光儀。
除了這些更傳統(tǒng)的被動(dòng)觀測(cè)之外，還部署了CloudSat雷達(dá)和CALIPSO激光雷達(dá)等主動(dòng)測(cè)量，以監(jiān)測(cè)云和氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)，這對(duì)各種大氣應(yīng)用很重要。
所有這些先前的努力都提供了寶貴的見(jiàn)解，有助于建立對(duì)衛(wèi)星遙感的真正價(jià)值、局限性和潛力的理解。事實(shí)上，空間儀器技術(shù)的彈性發(fā)展和信息學(xué)的蓬勃發(fā)展創(chuàng)造了一種前所未有的局面，硬件、數(shù)據(jù)采集和處理方面的局限性大大削弱，可以開(kāi)發(fā)和部署更先進(jìn)的衛(wèi)星傳感器設(shè)計(jì)。
此外，科學(xué)界已經(jīng)獲得了相當(dāng)數(shù)量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，積累了管理和分析數(shù)據(jù)的大量經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)集可能取得的成就有著真正現(xiàn)實(shí)的設(shè)想，并了解今后提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)效用的必要步驟。
另一方面，社區(qū)也意識(shí)到遠(yuǎn)程觀測(cè)的基本挑戰(zhàn)永無(wú)止境。例如，將信號(hào)與噪聲分離以檢索一組特定的地球物理變量和準(zhǔn)確的儀器校準(zhǔn)是持續(xù)的挑戰(zhàn)。
技術(shù)進(jìn)步改進(jìn)了觀測(cè)的信息內(nèi)容，但數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不足以唯一地描述所有感興趣的地球物理參數(shù)；隨著科學(xué)的進(jìn)步，所需可觀察量的列表不斷增長(zhǎng)。
因此，遙感仍然是一個(gè)從根本上不適定的問(wèn)題，需要通過(guò)理論模型、先驗(yàn)知識(shí)和輔助觀測(cè)來(lái)適當(dāng)?shù)亟缍ê图s束。這些是設(shè)計(jì)新的科學(xué)目標(biāo)時(shí)的重要考慮因素。
02
衛(wèi)星遙感發(fā)展的重大挑戰(zhàn)
衛(wèi)星遙感發(fā)展的總體重大挑戰(zhàn)是發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新和負(fù)擔(dān)得起的技術(shù)和測(cè)量概念來(lái)解決新問(wèn)題，并處理過(guò)去半個(gè)世紀(jì)衛(wèi)星遙感實(shí)驗(yàn)后暴露出來(lái)的問(wèn)題。具體而言，預(yù)計(jì)將解決幾個(gè)互補(bǔ)的方面：
1.提高衛(wèi)星觀測(cè)的空間和時(shí)間覆蓋范圍及分辨率
衛(wèi)星遙感的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠快速觀測(cè)地球的大片區(qū)域。同時(shí)，當(dāng)前可用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆蓋范圍限制也很明顯。
例如，近地軌道（LEO）的極軌道成像儀通常至少在一天（但大多是兩天或更長(zhǎng)時(shí)間）內(nèi)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，因此許多具有較高時(shí)間和空間可變性的自然現(xiàn)象沒(méi)有被完全捕獲。
在這方面，高軌道地球靜止觀測(cè)（GEO）通過(guò)提供對(duì)同一物體的頻繁晝夜觀測(cè)來(lái)解決這一限制。
然而，在空間覆蓋范圍和衛(wèi)星圖像分辨率之間需要權(quán)衡（通常覆蓋范圍越高，空間分辨率越低）。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)具有廣泛的時(shí)空覆蓋范圍和高空間分辨率的觀測(cè)是可取的，但也極具挑戰(zhàn)性。
因此，衛(wèi)星觀測(cè)的設(shè)計(jì)可能需要新的創(chuàng)新、輔助數(shù)據(jù)和互補(bǔ)觀測(cè)的協(xié)同作用，以解決具體物體和相關(guān)問(wèn)題。
2.增加信息內(nèi)容和探索觀測(cè)的協(xié)同作用
雖然衛(wèi)星觀測(cè)的高能力已被明確記錄，但目前我們的衛(wèi)星儀器提供的數(shù)據(jù)對(duì)許多應(yīng)用的信息內(nèi)容有限。因此，部署具有增強(qiáng)功能的新傳感器是可取的和有計(jì)劃的。
例如，人們已經(jīng)清楚地認(rèn)識(shí)到，多角度旋光儀（MAP）為表征大氣氣溶膠和云的詳細(xì)柱狀特性提供了最合適的數(shù)據(jù)，因此預(yù)計(jì)未來(lái)十年對(duì)氣溶膠和云表征中的極化數(shù)據(jù)的關(guān)注將顯著增加。
歐洲和美國(guó)航天機(jī)構(gòu)計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)發(fā)射幾項(xiàng)先進(jìn)的極化任務(wù)，包括MetOp-SG衛(wèi)星上的3MI（多視角多通道多偏振成像任務(wù)），氣溶膠多角度成像儀（MAIA）儀器，Spex（行星探索分光偏振儀）和超角彩虹旋光儀（HARP），作為NASA PACE任務(wù)的一部分、多光譜成像旋光儀 （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(guó)國(guó)家航天局（CNSA）在極化傳感器方面進(jìn)行了大量投資。CNSA最近推出了幾種極化遙感儀器，包括MAI/TG-2、CAPI/TanSat、DPC/GF-5和SMAC/GFDM，并計(jì)劃在未來(lái)幾年推出POSP、PCF、DPC-Lidar。
這些儀器的概念、它們的技術(shù)設(shè)計(jì)和算法開(kāi)發(fā)已經(jīng)使用機(jī)載原型進(jìn)行了深入討論和測(cè)試，Duibovik 等人詳細(xì)討論了這些儀器的概念。
同樣，衛(wèi)星激光雷達(dá)和雷達(dá)的數(shù)量預(yù)計(jì)也會(huì)增加，因?yàn)橹鲃?dòng)遙感儀器提供了關(guān)于大氣垂直變化的詳細(xì)信息。事實(shí)上，大多數(shù)主要的航天機(jī)構(gòu)都在推行天基激光雷達(dá)計(jì)劃。
例如，美國(guó)宇航局于2003年在ICESat衛(wèi)星上發(fā)射了地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)（GLAS），2006年在CALIPSO衛(wèi)星上發(fā)射了具有正交極化的云氣溶膠激光雷達(dá)（CALIOP），2015年在國(guó)際空間站上發(fā)射了云氣溶膠運(yùn)輸系統(tǒng)（CATS），2018年在ICESat-2上發(fā)射了先進(jìn)地形激光高度計(jì)系統(tǒng)（ATLAS）， 此外，作為生命星球計(jì)劃（LPP）的一部分，歐空局于2018年在Aeolus衛(wèi)星上發(fā)射了阿拉丁測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，CNSA將于2021年發(fā)射DPC-Lidar機(jī)載CM-1衛(wèi)星，歐洲/日本的EarthCARE聯(lián)合衛(wèi)星（預(yù)計(jì)于2023年發(fā)射）將包括以前從未在太空飛行過(guò)的高性能激光雷達(dá)和雷達(dá)技術(shù)。
這些任務(wù)的成功和前景使激光雷達(dá)成為未來(lái)觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。
同時(shí)，在復(fù)雜環(huán)境中，沒(méi)有一種單一傳感器可以提供有關(guān)目標(biāo)物體的全面信息，因此需要探索互補(bǔ)觀測(cè)的協(xié)同作用。
即使是最先進(jìn)的多角度旋光儀也無(wú)法確保氣溶膠的可靠3D表征，因?yàn)閷?duì)氣溶膠和云的垂直變化的敏感性有限。
激光雷達(dá)和MAP儀器結(jié)合了觀測(cè)結(jié)果，提供了大氣的3D表征
如圖所示，協(xié)調(diào)被動(dòng)和主動(dòng)觀測(cè)的價(jià)值在規(guī)劃衛(wèi)星任務(wù)時(shí)已得到明確承認(rèn)和考慮。例如，A-Train衛(wèi)星星座提供極化，輻射，激光雷達(dá)和其他補(bǔ)充數(shù)據(jù)。同樣，正在進(jìn)行的NASA氣溶膠和云，對(duì)流和降水（ACCP）研究考慮通過(guò)被動(dòng)（旋光儀，光譜儀，微波輻射計(jì)）和主動(dòng)（激光雷達(dá)和雷達(dá)）傳感器部署協(xié)調(diào)觀測(cè)。
此外，下一代遙感反演打算探索依賴于不同儀器觀察結(jié)果的協(xié)同反演。
例如，檢索大氣氣溶膠特性的主要挑戰(zhàn)是區(qū)分氣溶膠顆粒散射的光與云、大氣氣體和下墊表面散射的光。專(zhuān)為氣溶膠監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的衛(wèi)星傳感器，例如 MODIS（輻射計(jì)）或 POLDER（旋光儀），可能不具備去除云、氣體和表面污染物的最佳能力。
同樣，土地反射率觀測(cè)通常需要消除大氣氣溶膠和氣體中的散射;同樣，大氣氣體監(jiān)測(cè)也可能受到氣溶膠和云污染的影響。
因此，對(duì)云、氣溶膠和氣體具有不同靈敏度的多種儀器進(jìn)行觀測(cè)總是可取的。在不均勻表面上被云和痕量氣體污染的氣溶膠測(cè)量的分析可能受益于多種儀器的協(xié)同測(cè)量。紅外圖像、激光雷達(dá)和雷達(dá)觀測(cè)可用于限制云部分，光譜數(shù)據(jù)對(duì)氣體濃度具有高靈敏度，高分辨率圖像有助于減少與地表異質(zhì)性相關(guān)的不確定性。
例如，通過(guò) MAP/CO 同時(shí)進(jìn)行多角度極化觀測(cè)2在CO框架內(nèi)部署的M和DPC2預(yù)計(jì)歐盟/哥白尼和GF-5中國(guó)任務(wù)將為大氣校正和溫室氣體監(jiān)測(cè)提供信息。
事實(shí)上，一氧化碳以及OCO和GOSAT等儀器獲得的其他氣體僅在大氣氣溶膠極少的條件下提供。
在這方面，在哥白尼CO中添加了MAP觀測(cè)2預(yù)計(jì)M任務(wù)將改善在中度和可能高度存在氣溶膠的情況下的溫室氣體表征。作為 NASA PACE 任務(wù)的一部分，SPEX 和 HARP 旋光儀儀器有望補(bǔ)充來(lái)自 OCI 的高光譜輻射數(shù)據(jù)，從而提供更準(zhǔn)確的氣溶膠信息，有助于檢索海洋表面和地下特性。
另一個(gè)將偏振測(cè)量與高分辨率光譜相結(jié)合的衛(wèi)星的例子是CNSA于2020年7月3日成功發(fā)射的高分辨率和多模集成成像衛(wèi)星。
最后，衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面和亞軌道目標(biāo)測(cè)量的協(xié)同使用也是一個(gè)重要的考慮因素。
例如，密集城市中心的景觀和表面屬性往往是高度異質(zhì)的。因此，大氣過(guò)程和動(dòng)態(tài)受到高度變化的局部活動(dòng)的影響，對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的觀測(cè)需要具有高時(shí)間頻率和高空間分辨率。具有不同赤道穿越時(shí)間的小型和較便宜的所謂納米或立方體衛(wèi)星星座可以通過(guò)增加軌道儀器的數(shù)量來(lái)改善覆蓋范圍。
此外，表面測(cè)量和常規(guī)亞軌道測(cè)量也可以增強(qiáng)人口稠密地區(qū)的衛(wèi)星檢索。
例如，Liu等人提出了一種PM監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)使用地面測(cè)量和并置衛(wèi)星觀測(cè)中PM濃度的地統(tǒng)計(jì)回歸。當(dāng)測(cè)量不可用或受到污染時(shí)，通過(guò)使用化學(xué)傳輸模型來(lái)填補(bǔ)時(shí)間和/或空間空白，從而有助于回歸。MAIA項(xiàng)目正在使用這種方法來(lái)對(duì)硫酸鹽，硝酸鹽，銨，黑碳，有機(jī)碳和灰塵等氣溶膠成分進(jìn)行分類(lèi)。然后將空間PM信息與健康記錄進(jìn)一步結(jié)合，以更好地了解氣溶膠污染物與不良公共衛(wèi)生問(wèn)題之間的關(guān)系。
解決結(jié)合不同儀器觀測(cè)結(jié)果的視場(chǎng)差異是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在這方面，使用A-Train星座內(nèi)部署的具有不同視場(chǎng)的多個(gè)儀器的數(shù)據(jù)所積累的經(jīng)驗(yàn)為未來(lái)的任務(wù)提供了寶貴的見(jiàn)解。
3.開(kāi)發(fā)下一代最先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法
遙感檢索算法的質(zhì)量是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵方面。事實(shí)上，一旦部署了儀器，結(jié)果觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量就無(wú)法從根本上提高，而檢索算法仍在不斷改進(jìn)。
最終的遙感產(chǎn)品可能明顯不同，這不僅是因?yàn)閺牟煌瑑x器攝取數(shù)據(jù)，而且由于檢索概念的改進(jìn)。在這方面，新一代遙感檢索算法在過(guò)去十年中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
例如，新算法往往依賴于快速準(zhǔn)確的大氣建模（而不是使用預(yù)先計(jì)算的查找表或LUT），并且能夠檢索大量參數(shù)。此外，還實(shí)施了同時(shí)檢索氣溶膠特性以及地表特性和/或云特性。
最后，在上述歐盟/哥白尼的框架內(nèi)，聯(lián)合反演二氧化碳和氣溶膠特性是降低氣溶膠污染對(duì)衍生二氧化碳產(chǎn)物影響的一種有前景的方法。
檢索算法進(jìn)化本身的基本邏輯表明，利用不同觀察的協(xié)同作用來(lái)提高檢索的準(zhǔn)確性的潛力很高。
此外，開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于不同觀測(cè)或其組合的多功能儀器獨(dú)立算法的想法越來(lái)越流行。氣溶膠和表面特性的廣義檢索（GRASP）是這種算法的一個(gè)例子。該算法可用于各種衛(wèi)星和地面無(wú)源和主動(dòng)測(cè)量。它還已成功應(yīng)用于激光雷達(dá)剖面和柱狀輻射測(cè)量的同時(shí)協(xié)同反演。
在精確的云衛(wèi)星遙感方面仍然存在一些算法挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確高效的輻射傳遞模型是先決條件。雖然獨(dú)立柱近似法廣泛用于檢索云滴尺寸和光學(xué)深度，但由云水平不均勻性（云頂粗糙度）引起的三維輻射轉(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互作用（例如，在云邊緣）時(shí)變得更加關(guān)注，從將它們的檢索耦合到一個(gè)聯(lián)合框架開(kāi)始。在此背景下，迫切需要為幾何和光學(xué)復(fù)雜介質(zhì)開(kāi)發(fā)反演目標(biāo)快速而準(zhǔn)確的3D RT模型，并結(jié)合氣體吸收的光譜特征并正確采用云粒子散射模型。還需要開(kāi)發(fā)可靠的三維輻射模型，以說(shuō)明地表的水平異質(zhì)性，以便充分解釋所有衛(wèi)星圖像。
另一個(gè)相關(guān)的懸而未決的問(wèn)題是構(gòu)建3D云場(chǎng)來(lái)模擬3D輻射場(chǎng)，這可以使用主動(dòng)和被動(dòng)傳感器的組合來(lái)解決。
許多建模和觀測(cè)研究表明，卷云在促進(jìn)天氣和氣候過(guò)程方面發(fā)揮著重要作用。雖然光學(xué)很薄，卷云具有全球存在并調(diào)節(jié)地球的輻射，并在氣候系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。卷云粒子具有高度不規(guī)則的形狀，其單散射特性（例如單散射反照率和散射相位函數(shù)）與球形粒子顯著不同。
如果算法不能識(shí)別這些不規(guī)則的形狀，它們可能會(huì)導(dǎo)致氣溶膠和云檢索中的重大偏差。因此，識(shí)別具有代表性的卷云顆粒模型并將其納入氣溶膠檢索是一個(gè)非常有前途的方向。
此外，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用與全球氣候和化學(xué)品遷移模型（CTM）的進(jìn)展高度一致。例如，可靠的氣溶膠檢索可以吸收到化學(xué)運(yùn)輸模型（CTM）中，以便在無(wú)法獲得觀測(cè)時(shí)提供準(zhǔn)確的氣溶膠負(fù)荷。
同時(shí)，光譜和極化信息對(duì)約束氣溶膠類(lèi)型具有很高的敏感性，衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能為改善化學(xué)運(yùn)輸模型中大氣成分的全球排放提供額外的限制。
因此，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與現(xiàn)有模型信息協(xié)同是推進(jìn)衛(wèi)星遙感的另一個(gè)極具前景的研究領(lǐng)域。
最后，目前，機(jī)器學(xué)習(xí)方法越來(lái)越多地用于從遙感和地理空間數(shù)據(jù)中提取模式和見(jiàn)解。人工智能的這一分支非常適合分析和解釋地球觀測(cè)數(shù)據(jù)并具有吸引力，因?yàn)樗岢隽丝梢詮臄?shù)據(jù)中“學(xué)習(xí)”、識(shí)別模式并以最少的人為干預(yù)做出決策的方法。
特別是深度學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新興技術(shù)最近被用于遙感研究，特別是用于處理和分析大量數(shù)據(jù)。這些技術(shù)揭示了自動(dòng)提取時(shí)空關(guān)系的潛力，并獲得有助于改進(jìn)在多個(gè)時(shí)間尺度上觀測(cè)到的物理現(xiàn)象的預(yù)測(cè)和建模的進(jìn)一步知識(shí)。
這些方法對(duì)于衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析非常有吸引力，特別是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)的多功能性與物理過(guò)程模型相結(jié)合。
4.實(shí)現(xiàn)一致的衛(wèi)星觀測(cè)和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性
基本氣候變量的長(zhǎng)期和高質(zhì)量記錄對(duì)于監(jiān)測(cè)和研究地球氣候變化至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)必要條件是觀測(cè)的連續(xù)性，只有當(dāng)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)收集繼續(xù)下去而不被破壞時(shí)，才能確保這一點(diǎn)。否則，多儀器數(shù)據(jù)記錄中的空白就無(wú)法正確解釋?zhuān)l(wèi)星記錄的價(jià)值幾乎消失。
因此，每臺(tái)儀器的絕對(duì)校準(zhǔn)和多個(gè)相關(guān)傳感器的相互校準(zhǔn)對(duì)于衛(wèi)星遙感幾乎所有目標(biāo)的成功仍然至關(guān)重要。校準(zhǔn)許多儀器具有挑戰(zhàn)性，特別是對(duì)于小型衛(wèi)星星座。
美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院強(qiáng)調(diào)了保持長(zhǎng)期觀測(cè)的要求；CLARREO（氣候絕對(duì)輻射和折射率觀測(cè)站）任務(wù)是首次嘗試定義致力于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的衛(wèi)星任務(wù)。與直接觀測(cè)的校準(zhǔn)類(lèi)似，下一代衛(wèi)星產(chǎn)品對(duì)當(dāng)今儀器套件的可追溯性和一致性至關(guān)重要。
03
結(jié)論
因此，在第一顆衛(wèi)星發(fā)射半個(gè)多世紀(jì)之后，從太空對(duì)地球的遙感已經(jīng)發(fā)展成為一種高度復(fù)雜的工具，為基礎(chǔ)科學(xué)提供動(dòng)力，并支持對(duì)人類(lèi)至關(guān)重要的日常活動(dòng)。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)和發(fā)射了大量的衛(wèi)星儀器，它們?yōu)楦鞣N需求提供了大量數(shù)據(jù)。衛(wèi)星儀器的數(shù)量以及衛(wèi)星收集的信息的質(zhì)量和范圍正在不斷提高。
同時(shí)，衛(wèi)星遙感界積累的經(jīng)驗(yàn)揭示了未來(lái)發(fā)展需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。雖然對(duì)大氣、陸地或海洋表面（以及其他遙感領(lǐng)域）的每次觀測(cè)都可能具有具體和完全不同的問(wèn)題，但許多衛(wèi)星遙感學(xué)科在概念上存在一些共同的挑戰(zhàn)。
具體而言，數(shù)據(jù)價(jià)值和衛(wèi)星遙感方法效率的提高可能與以下方面的成功有關(guān)：
? 提高觀測(cè)空間和時(shí)間記錄的覆蓋面和分辨率;
? 增加觀測(cè)的信息內(nèi)容，辦法是部署具有增強(qiáng)能力的衛(wèi)星儀器，并探討互補(bǔ)觀測(cè)的協(xié)同作用，例如，被動(dòng)圖像與主動(dòng)垂直大氣剖面和高光譜光譜法的協(xié)同作用，將在不同光譜范圍內(nèi)或在不同時(shí)間或空間尺度上獲得的不同靈敏度的觀測(cè)結(jié)合起來(lái)，以及將衛(wèi)星觀測(cè)與亞軌道觀測(cè)和化學(xué)觀測(cè)結(jié)合起來(lái) 傳輸模型結(jié)果;
? 開(kāi)發(fā)下一代最先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，這些方法依賴于嚴(yán)格的正向建模和數(shù)值反演方法，考慮廣泛的狀態(tài)參數(shù)集（例如，聯(lián)合檢索表征不同大氣成分（如氣體、氣溶膠、云和下墊面）的參數(shù)），并使用新的解決方案技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);
? 通過(guò)確保積累氣候記錄所需的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)數(shù)據(jù)集具有足夠的兼容性和一致性，實(shí)現(xiàn)一致的衛(wèi)星觀測(cè)和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)集的連續(xù)性。
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