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加强遥感科学基础研究,提升我国遥感技术应用水平

中华英才 作者:李增元 2017-01-17 14:39

核心提示: 遥感是从人造卫星、飞机或其他飞行器上获取地物目标的电磁辐散射信息,并进行提取、判定、加工处理、分析与应用、结合多学科基础理论与手段的一门科学和技术。

国家主席习近平于2015年11月30日,在巴黎出席气候变化巴黎大会开幕式发表题为《携手构建合作共赢、公平合理的气候变化治理机制》的重要讲话中指出:“巴黎大会要加强《联合国气候变化框架公约》的实施,协议应该有利于实现公约目标,有效控制大气温室气体浓度上升,引领绿色发展;应该有利于凝聚全球力量,鼓励广泛参与,提高公众意识”、“中国一直是全球应对气候变化事业的积极参与者,中国是世界节能和利用新能源、可再生能源第一大国。中国将落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,形成人和自然和谐发展现代化建设新格局”。因此,提高陆表植被生态系统动态监测能力,加强固碳减排、环境净化等生态功能分析评估,是我国保护生态环境、履行国际环境公约的战略需求。

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复杂地表遥感信息动态分析与建模项目启动会

任何地物都有不同的电磁波反射辐射、散射特征。遥感是从人造卫星、飞机或其他飞行器上获取地物目标的电磁辐散射信息,并进行提取、判定、加工处理、分析与应用、结合多学科基础理论与手段的一门科学和技术。因此,遥感具有宏观动态的优势,是生态环境、全球变化动态监测不可替代的技术手段。

遥感基础理论研究是推动我国成为卫星遥感应用世界强国的必要内容,是实现国家中长期规划目标的重要保障

目前,我国已形成气象、海洋、资源、环境与减灾、测绘等五大民用卫星系列,已开展的国家对地观测系统重大科技专项和国家民用空间基础设施中长期发展规划,到2025年,将发射不少于70颗的民用遥感卫星,成为卫星大国已成必然。遥感基础理论研究将为从遥感数据到信息的转换提供方法,从而有效推动卫星遥感应用的发展,促进各行业遥感业务运行体系的建设,推动遥感科学深入发展,是实现国家中长期规划目标的重要保障,使我国从遥感应用大国走向世界强国。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》相关主题明确提出发展地球综合观测技术,要“开发生态和环境监测与预警技术”,“大幅度提高改善环境质量的科技支撑能力”,要“重点研究开发大尺度环境变化准确监测技术”、“重点开发区域环境质量监测预警技术”。因此,发展生态环境遥感监测技术,从地面到天空地一体化监测,从局地到大尺度监测,从定点到空间连续监测,从依赖特定卫星重复周期到时间连续监测是国家的重大需求。

“复杂地表”是我国国土的基本国情,复杂地表的遥感基础研究是提高定量遥感产品精度、有效满足我国遥感应用需求的根本保障

“复杂地表”,即地形复杂、地块破碎、类型多样、属性多变等,是我国国土的基本国情。复杂地表遥感基础研究建模是遥感科学研究的国际前沿,是提高定量遥感产品精度、有效满足我国遥感应用需求的根本保障。我国地形复杂,山区占全国总面积的2/3,地表覆盖类型多样,地块破碎,以简单地表为条件的遥感模型,用于复杂地表参数反演必然产生较大误差。简单地表的假设极大地降低了陆地遥感的反演精度,造成对植被、土壤等陆表生态环境参量及其动态变化特征的掌握极不精确,使农业、林业、水文、气象、测绘、减灾、环境、国土和全球变化等部门的遥感监测、评估、预警和预报等应用工作面临难以接受的误差,极大地阻碍了各行业的遥感应用。因此,加强复杂地表遥感基础研究,是提高定量遥感产品精度、满足行业需求的关键所在。

遥感信息动态分析与建模是实现遥感的瞬间观测到时空连续的前提,是我国保护生态环境、履行国际环境公约的战略需求

长期以来,从遥感观测中定量提取地表信息,主要基于描述遥感成像瞬间获取的电磁波信号与地表参量关系的遥感物理模型,缺乏描述遥感信息动态特征的模型,使得当前可供使用的遥感数据产品,在时空连续性上不能满足应用的需求。由于缺乏遥感信息动态分析与建模手段而带来的地表信息反演误差,将导致遥感难以为地球系统科学的各种模型提供高精度的时空多变参数信息。本世纪以来,我国经济社会高速发展与生态环境保护、应对全球变化的矛盾越来越突出。在经济全球化背景下,在继续保持快速发展的同时,加强生态环境保护、保障重要战略资源需求、提高应对全球变化的能力是我们面临的迫切任务。

充分利用日益增长的多种遥感观测数据,分析其动态变化特征及影响因素,构建遥感信息的动态变化模型,进而推动遥感基础研究提出新理论、发展新方法,支持生成时空连续的遥感数据产品,已成为满足国家决策和行业应用对时空连续动态信息需求的重要科学问题。相关成果可进一步推动全球森林碳汇变化的连续动态监测和分析预警,将为我国制定应对气候变化中长期战略、参与气候变化政府间谈判提供决策支撑信息,是加强生态环境保护、履行国际环境公约和参与全球气候谈判的必然要求。

2013年3月13日,在“十二五”国家重点基础研究发展计划(“973”计划)支持下,综合交叉科学领域“复杂地表遥感信息动态分析与建模”项目启动会在北京召开,标志着项目研究工作全面展开(2013年-2017年)。项目围绕我国基本国情——“复杂地表”,即地形复杂、地块破碎、类型多样、属性多变等特点,开展“遥感信息的动态分析与建模”基础理论研究,以实现复杂地表植被-土壤参数的高精度反演,提升我国生态环境遥感动态监测能力。

“973”计划是以国家重大需求为导向,对我国未来发展和科学技术进步具有战略性、前瞻性、全局性和带动性的基础研究发展计划,旨在解决国家战略需求中的重大科学问题,以及对人类认识世界将会起到重要作用的科学前沿问题,提升我国基础研究自主创新能力,为国民经济和社会可持续发展提供科学基础,为未来高新技术的形成提供源头创新。

该项目围绕“遥感信息动态分析与建模”这一核心主题,重点解决如下关键科学问题:

复杂地表空间异质性表征与遥感辐射散射机理

遥感辐射传输模型是高精度遥感信息动态分析与建模的理论基础。但现有的遥感辐射传输模型不能满足复杂地表高精度定量遥感监测与动态分析的需求。

复杂地表遥感信息时空尺度扩展机理

由于地形的复杂性、地表类型的多样性和地表属性的多变性,遥感数据基本上都是时空多变的混合像元,不同平台、不同传感器的遥感数据往往反演出不同的结果。复杂地表遥感反演参数的尺度转换规律是什么?有没有适合复杂地表的最优遥感反演尺度?如何在遥感反演中表征时空多变参量的动态变化规律,并将多源瞬间遥感观测和时空多变参量的动态变化综合来生成时空连续的遥感数据产品?

复杂地表植被—土壤参数多模式遥感协同反演机制

复杂地表植被—土壤动态信息遥感反演普遍存在反演精度低、易出现信号饱和与弱信息现象、模型对复杂地表(地形复杂、植被三维空间分布异质性强)适应性差、单一模式传感器难以提供足够信息等问题。如何通过利用多模式遥感手段,进行协同反演机制研究,是提高反演能力和精度的关键所在。

因此,项目面向对地观测技术快速发展、急需提高遥感信息动态分析与建模能力的战略需求,围绕“复杂地表”植被—土壤遥感信息由多期静态观测到时空连续扩展,构建复杂地表的遥感辐射传输模型系列,多尺度长时间序列遥感信息时空尺度转换与动态分析模型系列,发展关键地表参数的多模式遥感协同反演理论,形成森林植被垂直结构、生理生化参量三维信息与土壤水热参数的多维度遥感信息动态分析与建模的新方法体系,提高植被—土壤参数反演精度和信息提取效率,降低遥感监测评估成本,促进定量遥感科学与对地观测技术发展,提升我国生态环境遥感动态监测与预警能力。

项目执行近四年期间,通过开展遥感实验场地面精细、连续观测实验和野外实验场星(卫星)—机(航空)—地(地面观测)遥感实验,实现了对同一地面场景连续协同观测的遥感建模—实验体系、野外实验区星—机—地遥感综合实验技术体系,为项目机理研究提供全面系统的高精度数据支撑。

目前,项目按照研究计划进展顺利,通过项目组的共同努力,将在非均质混合像元空间异质性表征、遥感辐射散射机理与动态建模等方面取得突破,建立可见光、近红外、热红外与微波多波段的主被动遥感辐射传输模型系列,显著提升我国遥感科学水平及国际学术影响力;提出适用于我国复杂地表的遥感参量日产品方法,实现对地表变化的连续动态监测,提高生态环境遥感监测的支撑能力;推动植被—土壤关键参数的测量由点向面、由二维向三维、由单一时刻向时间连续的扩展,为国家生态环境保护、全球气候谈判提供科学数据。

为搭建国际交流平台,促进对国内外相关研究的深入了解与合作,2016年7月9日,项目在北京主办了“复杂地表定量遥感国际研讨会”。研讨会以“复杂地表定量遥感”为主题开展了报告交流。此次研讨会共有160名研究人员和学者参加,取得了圆满成功。

李增元

研究员,项目首席科学家,主持了“十一五”973计划“陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法”项目课题,并担任首席科学家助理;中欧合作“龙计划”项目中方首席科学家,“高分专项”、“载人航天”应用专家组成员;获国家科技进步二、三等奖各1项,中科院科技进步二等奖1项,(前)林业部科技进步一等奖1项;获“全国生态建设突出贡献奖先进个人”、“中央国家机关五一劳动奖章”、“全国先进工作者”等荣誉称号。

(2017.01.01 第01期)