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木虫之王 (文学泰斗)

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[交流] 透视地球,新一代对地观测技术

岩性结构与地下河展布透视观测 图片由作者提供



水下三维动力场/生物场/地形透视观测 图片由作者提供

随着理念的演进和科技的发展,对地球系统的观测正从看清地球的样貌深入拓展到探测地球圈层的内在。“透视地球”基于多种对地观测手段对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间物理要素、内部结构及其演变过程进行精细、综合探测,而获取地球各圈层更“精确”、更“深层”的信息,成为新一代对地观测技术发展的积极探索和重要方向。

为何要“透视”地球

地球系统是由大气圈、生物圈、水圈(包括冰冻圈)和岩石圈等组成的复杂的巨系统。在地球系统科学理念不断演进和新技术加快发展的新时代,科学家们已不满足于只看清地球的样貌,而是希望深入拓展到探测、分析、认知地球圈层的内在。探索地球系统内部的奥秘,是解决人类资源、环境和可持续发展问题的必然选择。

然而,人类对地球自身的探测仍然非常初步。世界主要国家都已经将地球圈层内部探测列入推进可持续发展的国家科学发展战略,争相部署大深度、高性能的主被动探测载荷及相关应用研究计划。例如从20世纪70年代开始,美国率先实施的“大陆反射地震探测计划”,美国国家科学基金会、美国地质调查局和美国国家航空航天局联合发起的“地球透镜计划”,澳大利亚提出的“玻璃地球”计划等。我国也设立了《深部探测技术与实验研究》计划,用来研究并实验地壳与地幔深部探测的一系列技术方法。这些计划的实施多采取以发展固体地球深部探测技术与装备系统结合三维地质填图的方式,加速了人类对地球深部的认识和理解,但对地球系统各个圈层的精细探测和过程演变分析仍然不够系统和深入。

对地观测技术作为对现代社会最具影响的科技之一,呈现透明化、立体化、一体化、动态化、精细化的发展特征。随着大数据、人工智能、物联网、云计算和机器学习等加速技术变革,对地球系统的立体探测、持续观测、智能监测不断深入。比如,美国国家航空航天局于2021年5月正式公布建立地球系统观测平台计划;欧洲航天局发射了人类首个研究高层大气风的卫星“风神”,通过采用紫外激光器精确探测从地球表面到平流层的风速和风向等。近年来,我国在对地观测技术方面取得了重要进展,已通过“高分”专项和国家民用空间基础设施的建设实施,构建了从全色、多光谱到高光谱,从光学到微波雷达的天地一体化对地观测系统,初步形成高时间、高空间分辨率的宽幅观测能力。

整体而言,国内外对地观测系统已经具备相当规模,但现阶段获取的地球系统数据以平面化为主,在密度、维度、尺度上已难以满足当前地球系统科学重大前沿问题研究和社会经济发展对高质量数据的需求。通过一系列新型“透视技术”获取地球各圈层更精确、更深层的信息,可以更全面、更深入地了解地球系统的运行机制,从而推动地球系统重大科学问题的突破,提升人类进行资源探测、预测应对极端天气事件及全球环境变化的能力。

什么是“透视地球”?

“透视地球”瞄准地球系统圈层“看不见”的内部信息感知,利用电磁、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技术,基于天基、空基、陆基等观测平台,对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间物理要素、内部结构及其演变过程进行精细、综合探测,是新一代对地观测技术发展的重要方向,为经济社会发展、资源环境合理利用、粮食安全、海洋权益保护等提供基础性、战略性的信息资源保障。

当前,人类对地球系统的探索正在发生重大转移,从表层到内部,从局部走向整体,新时代的“地球系统”理论知识和方法技术体系对遥感观测提出了新的要求。透视地球的核心基础是发展穿透性、新体制的先进遥感技术,探测技术的观测维度从二维拓展到三维,探测通道涵盖紫外到毫米波,通过天—临—空—地—海多基协同、多谱段耦合、多数据集成,将实现圈层多物理量动态化、立体化、全息化的透视观测信息获取,促生新的地球系统科学知识,有望成为下一代对地观测技术体系的制高点。

针对大气、海洋、植被和固体地球观测等领域的任务和探测目标,以透视视角开展空间对地观测/探测新原理、地球系统参量反演新理论、定量应用新方法研究,构建精细分辨率、全天候、高可靠性的新一代地球系统空间观测技术体系,主要分为大气圈层透视、森林透视、固定地球透视和海洋透视4个重点领域。

大气圈层透视主要利用全谱段、主被动协同、星—机—地联合的观测手段,实现对大气中“气象—辐射—成分”关键要素的三维立体观测。目前国际上的大气透视技术实现了对晴空和云雨条件下大气的全球性、高时空分辨率的观测,为数值预报提供了大量可靠的观测信息。国际上已经发射了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应用方面也快速发展。但现有在轨运行的雷达频率较低,仅对尺度较大降水粒子比较敏感,难以同步获取准确的云垂直结构信息,无法为云、降雨演变过程机理的研究提供足够的精细观测资料,限制了云降雨研究的发展。

森林透视技术主要通过综合利用多种遥感技术手段,以获取森林的三维精细结构信息。目前美国和欧洲对地观测战略规划均将碳循环和生态系统观测作为主要观测目标之一,明确规划了激光雷达、合成孔径雷达、光学相结合的森林监测体系。如何实现复杂地形条件下森林三维结构的观测,是森林遥感的前沿与难点。综合利用多频雷达干涉、激光雷达和光学多角度立体观测等手段,从波段、极化、时相、基线等不同维度,探索多维度森林空间结构遥感探测机理模型,形成多波段一体化森林空间结构遥感理论与方法,以实现森林植被结构透视、森林组分透视和森林生化参数透视。

固体地球透视探测主要利用多场量、主被动协同、星—空—地联合观测方案,获取重力、磁力、电磁等地球物理场,对岩石圈进行穿透性、大深度、多场量特征综合分析,“揭开”地表覆盖层,研究与刻画地球内部的物理性质、岩性和构造特征,探测与识别地下目标体,对地质结构实现立体三维数据获取,为解决人类社会生存发展至关重要的资源、环境等问题提供出路。当前,在传统电磁装备技术及基于航空航天的地球物理探测装备技术方面,我国对岩石圈内部参数获取能力还存在一定的差距。未来,突破新型小型化、高灵敏度的地球物理核心传感器,开展大深度、高效率和高精度的固体地球透视技术系统研制,对观察、分析和捕捉岩石圈频繁的地质活动和地质现象,实现地质结构立体三维数据获取具有重大应用价值。

海洋遥感通常采用可见光—红外—微波等电磁波段对海洋表面开展遥感监测,如何综合利用遥感和水下现场观测,实现对海水内部信息的挖掘,从表层深度到次表层乃至中层和深层水体的透视探测,是当前国际海洋遥感发展的大趋势。我国海域辽阔,有丰富的海洋资源,亟须发展海洋内部观测技术,高精度描绘海洋生物量、海洋动力场、海底地形地貌、海底油气矿藏等各种水下环境,支撑内波、涡旋、锋面、洋流与潮汐等各种海洋水下现象的高分辨预测预报。

怎样“透视地球”

在地球系统科学理念持续深入和科技创新持续突破的大背景下,聚焦地球系统各圈层的内部探测,对地观测技术不断发展和创新,成为推动地球科学发展的核心驱动力。多频段雷达探测、多基线干涉雷达探测、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观测能力的提高,观测平台载荷集成能力的提升以及综合地球探测理论的发展,为地球系统多物理量的联合探测、关联建模与信息重构提供了理论和技术基础。

雷达降水探测技术。这是指通过发射雷达信号,并依据接收的降水的雷达回波强度,实现对降水强度的三维空间分布结构的探测。搭载降水雷达的平台可分为地基、空基和星基。通过多频段雷达组合,实现对云和降水的协同观测,能够提供更加精细的云和降水三维结构透视数据,有利于更加清楚地理解云降水的演变过程,为降水预报的改进提供支撑。

航空重力探测技术。这是通过航空平台搭载重力仪和定位传感器组合系统进行连续重力测量,获取地下目标体密度差异引起的微弱重力异常信号。这些异常信号可以揭示地壳厚度变化、断裂带位置和延伸情况,探测密度差异显著的隐伏岩体或岩层。新的航空重力矢量测量系统可以获取水平重力分量信息,进一步确定目标体形状走向,用于精细的地质构造研究和高精度资源勘探。

电磁探测技术。航空电磁探测是一种利用航空平台搭载电磁探测设备进行地下介质探测的技术。通过剔除噪声,获取地下目标体引起的电磁场异常响应,从而建立地下由浅至深电阻率透视模型。目前,航空电磁探测广泛应用于矿产勘查、油气资源评价、海洋地质调查、地下水勘查、工程地质和环境调查、海洋地形与极地海冰探测、军事与国防等领域。这种技术在快速获取大范围地下信息和探测复杂地质条件下具有明显的优势,对资源开发和环境保护具有重要的应用价值。

冰冻圈主被动微波探测技术。这是根据不同波长微波对冰川、积雪、冻土的穿透差异性原理,基于星载或航空平台搭载主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结构、温度/密度廓线、冰下基岩和水系、积雪雪水当量、次表层土壤含水量等冰冻圈关键参数的高分辨率透视探测。

海洋水体剖面激光探测技术。激光作为一种高功率主动遥感器,是穿透水体最有效的探测手段之一。面向全球海洋的跃层时空结构及其变化规律、初级生产力与碳循环和生命系统探测、海气能量与物质通量3大科学问题,利用蓝绿波段强穿透能力,开展海洋剖面激光探测技术攻关,突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关键技术,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。

如今,我国科研人员依托国家重点研发计划“航空协同透视探测技术系统”“透视地球集成与应用验证技术”项目等,结合现有空基飞行平台特点以及各圈层透视载荷能力,建立多型载荷与航空平台矩阵关系,突破任务载荷一体化集成设计与测试,多机协同任务建模与飞行管控等技术,构建透视地球原型系统,实现多谱特征耦合与多维数据协同的航空透视探测系统集成。

云雨三维结构精细透视的试验、景观尺度森林生物量估算试验、戈壁荒漠覆盖区岩性和构造透视的试验、岩溶地下河空间展布的探测试验……为了评估透视地球原型系统的应用效能,科研人员以云雨结构、海洋动力与生物场、森林结构、岩性构造等为透视目标,依托由中国科学院空天信息创新研究院建设运行的新舟60航空遥感平台,有/无人多平台及多载荷协同组网,构建全谱系、多波段的“透视地球”空中实验室,选择典型示范区并顾及航空试验飞行与地基参考真值测量条件约束,组织开展空基透视探测试验,建立技术体系可用性分析和效能评估的指标体系,验证各圈层透视目标的满足程度。今年5月,项目团队将召开专题技术方案研讨会,深化透视探测集成验证方案,为岩溶区的水资源规划和生态保护提供技术支持。

“透视地球”是对地观测技术新体系的尝试和探索,在关键技术、应用创新和发展路径等方面还有待不断发展和持续完善。依靠探测机理、先进载荷和数据应用上的技术突破和加速变革,“透视地球”有望实现对地球圈层多物理量的动态、立体探测,生成全空间、高可信的透视数据资源,引领以圈层透视信息为核心的新一代地球科学知识体系的发展,并推动空天科技、深地深海等基础核心领域的前沿创新,为人类的生产和生活提供智能化服务。

(作者:周翔、潘洁、吴一戎,分别系中国科学院空天信息创新研究院研究员;正高级工程师;中国科学院空天信息创新研究院院长、中国科学院院士)

(原载于《光明日报》 2024-05-23 16版)
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