遥感技术造就数字地球

童庆禧,1935年10月出生于湖北武汉.1961年毕业于前苏联敖德萨水文气象学院,现任中科院遥感与数字地球研究所研究员,北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所所长,博士生导师,国际欧亚科学院院士,1997年当选为中国科学院院士.自上世纪70年代初期以来追踪国际科技发展的前沿,转而从事遥感技术和应用研究,是我国遥感技术应用领域的最早开拓者之一.曾多次参加或主持国家科技攻关和中国科学院国家自然科学基金委员会等有关遥感技术和应用发展方面的重要项目.

“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”,从远古至今人类便有翱翔天空、俯瞰大地的梦想,并为此付出了诸多努力.曾经创造过灿烂文明的中华民族对于我们生存的这个星球的探索从未停止.如今,地球空间信息科技已经成为一个国家科学技术、经济实力和国家安全保障能力的综合体现.今年6月,第十五届中国科协年会遥感技术与智慧旅游、智慧城市论坛在贵阳举行.论坛上,童庆禧院士建议,将信息化和贵州特色的旅游相结合,以新型空间信息技术—遥感技术、空间信息系统技术、卫星导航定位技术、网络通信技术、传感技术、射频识别技术、物联网技术等支撑贵州旅游业的发展.

近日,记者采访了我国遥感技术应用领域的权威—童庆禧院士.童院士详细介绍了遥感技术与数字地球两者的技术特点与广泛用途.遥感技术是20世纪60年代兴起的一种探测技术,是根据电磁波理论,应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息进行收集、处理并最后提取和形成所探测对象的信息,从而对地面各种景物进行探测和识别,特别是对地球认知的一种综合技术.数字地球则是上世纪90年代末由国际上提出,是以地球坐标作为空间框架,具有多分辨率的海量数据和多维显示的地球虚拟系统,运用遥感技术对地球进行描述分析,使之变成了可视化的虚拟地球,把真实地球变成数字化的地球.遥感技术是数字化地球数据的最重要的来源,通过虚拟的地球人们能更好地对地球作进一步分析,促进对地球的了解和认知.遥感是在一定程度上相当于利用先进的探测技术,把由地球表面反射到太空的太阳辐射或者由地球表面自行产生的电磁波（红外线或者是微波）,通过仪器来接收,进行复原、数据处理,最后变成能看见的影像或非影像信息.对地观测的最终目的是通过这些遥感影像对地球进行分析,判断不同的物质存在状况及其所在位置,并分析各种物质的数量及其动态过程,使人类与地球的资源环境更加和谐相处和协调发展.可以说,遥感技术是数字地球的数据基础,数字地球是遥感技术的归宿.

遥感技术与数字地球

的应用领域

遥感技术与数字地球,对于很多人来说或许比较陌生.实际上,我国的遥感技术与数字地球研究基本与国际同步,能够对地球进行完整的探测、观测和诊断.在促进我国遥感技术的发展中童庆禧院士功不可没.在他的倡导和主持下这一技术的发展被列入了国家“六五”“七五”和“八五”科技攻关项目.在一些关键技术体系的发展中更是受到国内外同行的关注.

童院士介绍,遥感科学与技术是属于交叉类的学科,首先是技术科学与地球科学的交叉融合,是在空间科学、电子科学、计算机科学、地球科学、甚至生物学及其他边缘科学交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新兴科学技术,它在国民经济建设以及国防建设等方面日益显示出独特的战略地位和意义,是国际竞争的一个战略制高点,也是许多发达甚至发展中国家竞相发展的重要领域.

童院士说,在我国,遥感科学与技术已得到广泛应用,为国家制定发展策略、资源调查、环境保护、灾害监测、重大工程、国防建设等提供了信息和技术保障.遥感技术与数字地球所涉及的领域很广泛,遥感技术主要是通过空间卫星、临近空间飞行器、飞机和无人机以及地面平台等新技术对地球的各个圈层—大气圈、岩石圈、水圈、生物圈、冰冻圈甚至智慧圈,进行调查和监测.以期了解各圈层的状况和变化、它们的相互作用、特别是与人类活动的相互作用,它们将来的发展趋势,并研究对这种状态和变化进行预测、预报和预警的可能性.

童院士详细地解释道,比如运用遥感技术可以随时获得准确的观测数据,监测土地利用情况,了解哪些耕地已经改变了利用方式,而哪些土地还可用来补改为耕地,使得国家有关部门便于宏观调控,以确保“十八亿亩耕地红线”不被突破,保证有效的粮食耕种面积.近十余年来,我国已进行了两次大规模的土地详查.随着对土地和粮食安全观念的进一步提升,今后每年都要对全国的土地利用情况清查一次,及时掌握我国的土地覆盖和土地利用情况,实施对国土的所谓“一张图”计划,警钟长鸣,使得决策者心中有数.这样对遥感技术的要求将会大幅度提高.

童院士特别强调,我国是个多灾的国家,对灾害多发地区的监测与预警是遥感技术的另一重要应用领域.譬如通过气象卫星不断地获取数据,了解台风从发生到发展的动态、强度、运移路径、登陆地点等,从而预测出将可能带来的危害,提前发出警报,提醒人民避险.对于洪水也可通过卫星遥感提前预测暴雨的位置,监测河流的行洪状况、洪水的发展态势,甚至预测洪水可能淹没的范围,为防洪救灾提供信息.灾后通过遥感技术观测地面受灾情况,评估受损程度,为灾后救援和救灾部署提供准确客观的数据.我国的地震往往发生在偏远的地区或山区,通过遥感及时了解进入灾区的道路交通情况,特别是调查和了解沿路的滑坡、塌方和泥石流的状况,为保障救援生命线的开拓和畅通提供现实性很强的信息.随着环境的恶化,我国江河湖海面临着巨大的环境冲击,水体的富营养化、蓝藻、赤潮发生的频率加快,水和大气污染的监测与治理,都需要通过卫星和飞机对各种水体进行遥感监测,了解污染状况、寻找到潜在的污染源,进行源头治理,甚至通过遥感技术还可以对外来物种的入侵及其危害进行.

遥感技术的重要意义

1998年1月美国提出“数字地球”战略,由此在世界上掀起了社会信息化的热潮,在半年时间内,有50多个国家都先后提出“数字地球”战略,我国也在1998年6月提出发展“数字地球”战略.所谓“数字地球”是在遥感技术的支持下,适时采集全球地表信息,在计算机网络上构建一个虚拟地球,反映现实性很强的地学空间信息,实施经济、政治、科学研究的全球战略.此后,“数字地球”概念又衍生出数字农业、数字林业、数字国土、数字国防等等,社会信息化进程呈现加速的发展态势.遥感技术的发展与普遍应用为信息化社会的到来与发展奠定了必要数据和信息基础.在从数字地球向智慧地球的发展中遥感又必将出演新的角色、担当新的任务.童院士认为,中国政府十分重视遥感技术的发展,自“六五”起直到现在,在国家相关科技攻关、支撑计划、863高技术发展等计划中持续支持了一系列遥感技术与应用研究项目,获得了一批具有国际水平的研究成果.航空、航天遥感技术已在资源与能源调查、环境与灾害监测、海洋与大气观测、土地与城市规划和国家安全等领域得到广泛应用.尤其在航天领域,遥感对地观测是卫星家族的重要任务.它的发展对于建设包括数据获取、传输、处理、存储与分发怎么写作的业务化运行系统,开展综合性对地观测前沿技术研究,构建专业化、系统化、集成化、标准化、实用化的遥感数据库和遥感信息库具有决定性的作用.以遥感信息为基础,结合其它信息资源,建设遥感应用系统和数字地球科学平台,进而开展应用示范研究是当前遥感技术发展的一项重要任务.作为国家空间对地观测体系的重要组成部分,遥感承载着满足国家重大战略需求,为经济社会可持续发展提供可靠的科学数据,为国家宏观决策提供科学支持的重任.同时遥感作为一门新兴的科学技术还将在支持空间地球信息科学发展中起到重要作用,为地球系统科学的发展作出应有的贡献.

童庆禧院士在遥感技术和应用方面做出了突出贡献.“六五”期间主持国家重点科技攻关项目“黄淮海中低产田综合治理”中遥感技术应用课题,“七五”期间主持了对我国遥感技术发展有重要影响的“高空机载遥感实用系统”的科技攻关和系统建设任务.在国家“八五”科技攻关期间,他担任了“遥感技术应用”国家攻关项目指挥长,在自然灾害的遥感监测与评估、主要农作物遥感估产、新型技术发展等方面做出了重要的努力.在国家“九五”科技攻关期间,他不仅参与国家科技攻关“遥感、地理信息系统和全球定位系统的技术集成与应用研究”项目的论证,在项目中担任了专家组成员,而且还承担了项目中“新型遥感技术发展”课题组组长.自上世纪70年代末以来,其科研成果曾14次获国家及省部级科技奖励,其中包括一次中国科学院自然科学一等奖,两次中国科学院科技进步特等奖；2002年获得国际光学工程学会（SPIE）颁发的“国际遥感科技成就奖”,2004年获泰国诗琳通公主颁发的金质奖章,2009年获亚洲遥感突出贡献奖.面对这些荣誉,童院士认为是对他在遥感技术创新发展之中的激励和动力.

面对记者提出遥感技术实现如何实现创新驱动发展的问题,童院士耐心地解释道：第一,随着遥感所利用电磁波范围不断扩大,遥感信息、遥感技术对数据获取的分辨能力会越来越高.早期可视化影像就像黑白照片,后来出现的多光谱技术也只有3～4个波段合成彩像,随着波段的增加到光谱分辨能力越来越高,由原来的全色或整个可见光范围进行的遥感到现在的高光谱遥感,其光谱覆盖可以跨越紫外、可见、近红外、短波红外甚至到热红外（一次遥感可能达到几百甚至上千个波段）,这就可能获得被测物体的光谱响应.光谱分辨率越高就能越体现物体的物理特性或本征特性.第二,随着空间分辨率的不断提高,在遥感影像上所显示的东西越来越细微和越来越清晰,所能分辨出的物体也就越来越细小.遥感技术的创新发展驱动着遥感能力向更高、更快、更准、更精的方向发展.第三,随着遥感技术的发展,它的应用范围越来越广泛.空间分辨率和几何稳定性的提高,人们可以用来绘制比例尺更大或更为精细的地图,可以对城市、土地、植被、森林进行更为精细的调查,对自然灾害的破坏程度作更准确的了解.光谱的差异可以把不同的地物和物质区分得更清楚,如不同的农作物、不同的矿物、不同的树种、农作物和森林的病虫害,甚至不同的建材等,也可以监测水体的富营养化,及早发现蓝藻水华和赤潮.通过创新提高技术水平,使得遥感能力越来越强.第四,技术的创新会加快应用上的创新,例如,在提高遥感影像的时间分辨率或将遥感影像按时间序列进行分析,可助于提高天气预报水平和城市的精细化管理,如通过发现违章建筑,违法垃圾的堆放地,城市积水和道路的损坏分析等.雷达影像的干涉测量还可发现和监测城市地面的塌陷等等.总之,遥感的应用领域越来越广泛,也更受到政府和百姓们的的重视.

童院士表示,遥感技术的提高和不断创新,将极大地丰富地球信息科学的内涵,地球信息科学的发展也必将为“数字地球”战略的发展提供理论、方法与技术支持.反过来,“数字地球”战略为地球信息科学的发展提供了前所未有的机遇,并会促进地球系统科学的发展.遥感应用于经济社会发展的各个领域,也有助于提高政府的科学决策能力和政府职能的转变,为我国全面建成小康社会提供信息支撑和决策支持.我国正在实施的高分辨率对地观测国家重大科技发展专项和空间基础设施的建设将更大幅度提升我国的遥感对地观测能力和空间遥感信息怎么写作的能力和水平.

据了解,目前我国的卫星管理和运营基本还在国家层面运行,还在不同程度上存在体制和机制的诟病.每个卫星实行由国家不同部门按业主制进行管理并各自运营的方式虽有利于我国卫星遥感与管理部门的业务相结合,但容易造成各自为政,国家的完全性的投入对运行部门不构成压力,难于实现数据、信息资源共享,更难于发挥遥感对地观测的商业或经济价值.为此,童院士建议加快在空间遥感领域的体制和机制的创新步伐,走以企业为主体的技术创新和体制、机制创新道路,培育和发展从遥感卫星的研制、发射、测控到卫星数据的接收、数据的处理、产品的生成以及遥感卫星的应用和空间信息怎么写作的商业化模式.这是空间遥感卫星,更是航空遥感产业发展的必然趋势和必由之路.

信息时代“遥感技术”应用与“数字地球”的发展必将进一步推进我国与其他国家的科技、经济、文化等领域的合作,缩小发展中国家与发达国家之间的“数字鸿沟”,推进信息社会和全球经济的整体发展,为我国带来经济繁荣与国家富强的同时,带动人类科技的进步,更好地促进人们对地球的认知和人类与地球的和谐发展.