基本介紹
- 中文名：對地觀測技術
- 外文名：Earth Observing Technology
簡介,歷史發展,各國技術現狀,美國,法國,日本,中國,主要套用,環境監測,軍事套用,規劃管理,位置服務,未來發展趨勢,
簡介
對地觀測技術主要用以航空航天對地觀測。所謂對地觀測，是以地球為研究對象，依託衛星、飛船、太空梭、飛機以及近空間飛行器等空間平台所攜載的光電儀器，利用可見光、紅外、高光譜和微波等探測手段，對人類生存所依賴的地球環境及人類活動本身進行的各種探測活動。對地觀測技術主要包括衛星通信、空間定位、遙感和地理信息系統等技術。
歷史發展
對地觀測技術的核心是遙感技術，它發展的速度將直接關係到對地觀測技術的發展快慢。1957年前蘇聯發射了第一顆人造衛星，使衛星攝影測量成為可能；1959年從人造衛星上發回第一張地球像片；1960年從“泰羅斯”與“雨雲”氣象衛星上獲得全球的雲圖；1971年美國“阿波羅”宇宙飛船成功地對月球表面進行航天攝影測量；1972年美國地球資源衛星(後稱陸地衛星)上天，其多光譜掃瞄器影像用於對地觀測，使得遙感作為一門新技術得到廣泛套用。
進人21世紀，隨著遙感技術、計算機技術、數據通信等高新技術的迅速發展和地球環境變化的加劇，為對地觀測技術提供了新的發展機遇，目前世界各國發射的在軌人造衛星達到3000多顆，已建成的遙感衛星地面接收站30多個，建立了多個面向各種套用的空間對地觀測系統，構成了對陸地、海洋、大氣等各個層面的全方位觀測體系，為促進世界經濟建設和推動技術進步發揮重要作用。
在觀測平台和觀測手段方面，世界各國不僅陸續推出了系列機載對地觀測系統,同時還成功發射了氣象衛星、陸地衛星、海洋衛星、載人飛船、太空梭，並正實施綜合性系列衛星對地觀測計畫，感測器的工作波段也已覆蓋了自可見光、紅外到微波的全波段範圍，其中2001年美國發射的QulckiBdr衛星的空間解析度達到了0.16m。以美國、俄羅斯、法國和日本為代表的空間大國實施了一系列對地觀測計畫，其技術水平居世界領先地位，而中國和印度等開發中國家近年來在對地觀測領域也有了令人矚目的發展和成就。
各國技術現狀
美國
從20世紀80年代初起，美國開始執行名為“行星地球使命(Planet Earth Mission)”的計畫，出發點是將地球作為一個整體來進行研究。而落實這項計畫的主要標誌，就是建立一個“地球觀測系統(Earth Observation System)”，目的是通過更深刻地了解地球的各種情況、現象及其相互作用，認識地球系統，並了解地球系統變化的規律，該計畫是與歐空局、加拿大和日本合作進行。
為了加強對地球表層陸地、海洋、大氣和它們之間相互關係的綜合性的科學研究，美國國家航空航天局(NASA)自1991年起開始了對地觀測系統計畫。這個計畫分三個階段：第一階段——準備工作階段(1991一1998年)；第二階段——全面對地觀測階段(1999一2003)；第三階段——新一代更為細緻的對地觀測階段(2003年以後十年)。
2001年，美國國家航空航天局推出了“地球科學事業(Earht Science EnterPrise)”戰略計畫。進行這項戰略計畫的目的是提高人類對地球系統及其對自然和人為變化的科學認識，從而提高人類對氣候、天氣、災害的預測能力。隨著美國戰略計畫的不斷深人和逐步成熟，美國政府又積極致力於建設持久的國家集成對地觀測系統，這個系統隸屬於國家科學技術委員會地球觀測綜合工作組，作為研發和實施美國地球觀測系統計畫的第一步，該戰略計畫的目標是集成全美的地球觀測能力以滿足美國和全世界的需求，同時也將為美國參與綜合全球對地觀測系統計畫提供研究架構。
美國的IKONOS衛星,發射於1999年9月24日，是世界上第一顆商用1m解析度的遙感衛星，IKONOS衛星與太陽同步軌道，軌道高度為68k0m，衛星每日環繞地球飛行14圈，重複周期為3天。
美國的QuickBird衛星，於2001年10月18日發射,是現今世界上唯一一顆提供亞米級解析度彩色圖像的商業衛星，可採集0.61m解析度全色和2.44m解析度多光譜圖像，同時全色和多光譜圖像可融合成0.61m解析度的彩色圖像。衛星軌道高度為450km，重訪周期為13.5天，在中國境內每天至少有2至3個過境軌道，掃描頻寬度為16.5km。
美國的WorldView-I衛星，它是全球解析度最高、回響最敏捷的商業成像衛星。衛星軌道高度為45k0m，平均重訪周期為1.7天，星載大容量全色成像系統每天能夠拍攝多達50萬平方千米的0.5m解析度圖像。衛星還將具備現代化的地理定位精度能力和極佳的回響能力，能夠快速瞄準要拍攝的目標並有效地進行同軌立體成像。
法國
法國是世界上少數幾個能自主研製和發射實用型高解析度對地觀測衛星的國家之一。早在1977年，法國就提出了偵察衛星發展計畫，共發展了兩代太陽神1、太陽神2衛星各兩顆，並同步開展了民用資源衛星系列SPOT的研製。SPOT-1衛星於1986年發射，其重複觀測周期為26天，全色解析度為10m，多光譜解析度為20m，SPOT-5於2002年5月4日，在法屬蓋亞那由阿里亞娜火箭送入預定軌道。與SPOT系列衛星相比，SPOT-5的進步在於其感測器HRG，既保持了與SPOT系列相同的視場，同時解析度又有了較大的提高。
SPOT系列衛星作為法國航天遙感的代表，其數據廣泛套用於農業、林業、地質、城市管理、災害監測、測繪製圖等。
日本
日本對地觀測主要有三個衛星系列：氣象衛星、海洋衛星和地球資源衛星。日本的對地觀測中心成立於1995年4月，是日本地球觀測衛星數據分析和研究的核心機構，主要任務是分析地球觀測衛星所獲得的觀測數據，開發算法並推導出地球物理參數,校準和驗證衛星數據，並儘量保持數據的質量。其次是進行新的地球觀測儀器的研究，開發和經營用於地球觀測衛星數據的地面系統。作為這項任務的一部分，對地觀測中心經營地球觀測中心(EOC)，負責進行接收、處理和提供衛星數據。此外，中心還肩負著促進衛星數據在氣象、林業和漁業資源，防災和國家土地使用的控制，以及全球環境變化等領域的研究和套用的責任。為了促進衛星數據的利用，中心還與國內和國外相關機構以及國際組織合作，參與到數據的相互利用、數據的研究和套用中。
日本自1983年發射第一顆海洋觀測衛星MOS-1號之後，其人造衛星遙感觀測技術一直處於世界領先地位，在地面觀測、冰雪觀測以及利用太空梭、飛船進行大氣觀測等方面也處於領先地位，特別是在自然災害和環境保護監測方面，日本用遙感技術建立的災害管理預警系統已經非常發達，配合這套系統，日本在衛星定位系統、快速通信(GPS衛星)、數據共享等領域的發展也很迅速，在其“開創新世紀空間時代”的空間發射計畫中，把建造“全球對地觀測系統”放在重要地位，制訂了一項地球觀測衛星的計畫，共研製和發射了18顆太陽同步軌道和地球同步軌道對地觀測衛星，觀測遍及陸地、海洋、大氣和生物圈，至2010年前後該項計畫已基本完成。
中國
我國對地觀測技術始於20世紀70年代初，至今已發展成為譜段齊全、數據獲取技術有了較大發展、套用領域不斷拓展、有較深人的基礎研究及處理方法的初具規模的技術科學體系，幾十年來在國民經濟發展、國家安全建設中已發揮了重要作用。在我國中長期科技發展規劃中，有多項關於對地觀測的重大事項和研究項目。我國將力爭在對地觀測領域躋身國際先進行列。我國在遙感空間信息技術上有了巨大的發展，取得了歷史性的突破。我國已形成了氣象、資源、海洋等衛星系列及其套用系統。在信息獲取技術發展方面已擁有了從模擬膠片攝影遙感到固態數字成像、多光譜到高光譜，主、被動微波等在內較全面的遙感技術體系，在航空、航天平台上實現了遙感對地觀測，已在我國災害監測和管理、農作物估產、環境監測、城市規劃、資源探測等方面都發揮了或正在發揮重要作用。
我國於2007年開始建設由地、空、天三個層次觀測平台組成的大氣、陸地、海洋先進觀測體系，相關重大項目已經啟動。預計到2020年，我國自主空間數據自給率將提高到60%~80%，目前，我國對地觀測衛星已經初步形成系列，包括氣象衛星、資源衛星、海洋衛星、北斗導航定位衛星、通信衛星、返回式衛星、科學實驗衛星、神州系列飛船、北京1號小衛星等。
主要套用
對地觀測系統的作用是對陸地、大氣空間和海洋實行全面、全天侯、全天時的觀測，為國家取得軍事鬥爭勝利和經濟社會可持續發展提供準確可靠的基礎性和戰略性數據。對地觀測活動的目的主要有以下幾個方面：
- 研究人類所生存的地球空間環境及其運動變化的規律，為人類開發地球資源、保護環境、防災減災及經濟社會發展的巨觀決策提供科學依據；
- 為國防建設、戰略部署、現代武器精確打擊、反恐維穩等軍事行為提供地理空間信息支持；
- 直接支持各類土木工程的規劃、設計、施工質量監理和運行管理，以及礦業、電力、林業、農業等生產過程的定量檢測與精確定位實施；
- 為民眾生活提供各種基於位置的服務。
對地觀測系統主要服務於以下方面：
- 監測災害，減少自然或人為災害所造成的生命財產損失；
- 監測人類健康，尤其是監測環境因素對健康的影響；
- 監測能源，改善對能源資源的管理；
- 監測氣候變化；
- 監測和了解水循環，改善水資源的管理；
- 監測天氣，改善氣象信息、天氣預報和預普；
- 監測生態系統，提高對陸地、海岸、海洋生態系統的保護和管理；
- 監測農業，支持可持續農業發展，減少荒漠化；
- 監測和保護生物多樣性；
- 監測地形、地質、加強礦產油氣資源的勘探；
- 監測城市安全，加強城市規劃和管理；
- 監測軍事和國家安全。
環境監測
對地觀測技術在環境監測方面的套用非常廣泛，目前的套用主要包括城市擴張動態監測、城市環境監測(包括熱環境、環境污染等)、水利工程和災情監測評價(海岸開發、洪水災情、冰雪當量判斷、景觀格局、潮灘沉積物、海水錶層鹽度觀測、土壤質地空間變化和侵蝕評價、外來物種人侵監測、道路和植被等地物識別和信息提取等)，在礦產資源調查甚至人口普查和建築容積率調查等方面也得到了初步的套用。可以預見,其未來的套用將更為廣闊和多樣。
軍事套用
對地觀測技術在軍事領域的套用也非常廣泛，主要有戰略偵察及情報獲取、精確導航與精確打擊、毀傷評估等等。利用衛星進行導航定位是最為成功的軍事套用之一，目前正在進行和計畫實施的全球導航衛星系統(GNSS)有四個，即美國的全球定位系統(GPS)，俄羅斯的全球導航衛星系統(GLONASS)，歐盟的伽利略系統(GALILEO)，中國的北斗導航系統(COMPASS)，其它系統僅允許作為區域系統或廣域增強系統加人，例如日本的準天頂衛星系統(QZSS)和多功能衛星增強系統(MSAS)，印度的印度無線電導航衛星系統(IRNSS)和靜地增強導航(GAGAN)等。
規劃管理
對地觀測技術用於規劃管理主要是指將所謂的“精細遙感”產品或成果直接套用於現代城市建設規劃中的運行管理以及各種產業(如礦業、電力、林業和農業等)生產過程的定量檢測與精確定位實施，目前國內在此方面的相關套用還相對較少，社會效益尚不顯著，但可以肯定的是，隨著社會需求的日益提高和技術手段的不斷進步，其技術優越性和廣闊的套用前景必然催生在此方面的廣泛套用，也必將取得更為顯著的社會和經濟效益。
位置服務
基於位置的服務(Location Based Service,LBS)，是指把無線移動通信、全球導航衛星系統和網路電子地圖三項技術結合起來實現的定位、導航及相關地理信息服務。無線通信定位雖然簡便，但是定位精度低；GNSS雖然定位精度高，但是在城市中容易受高建築遮擋與反射的干擾，容易間斷，把這兩項技術結合起來，就實現了精確可靠的定位。然後把定位坐標顯示在電子地圖上，再與網路聯繫起來，便可得到導航和相關地理信息服務。目前，LBS的最大用戶群是汽車導航與手機個人定位導航，把LBS的概念從為人定位轉移到為物定位，就進人物聯網的領域，運動物體的聯網比靜止物體的聯網意義更大，在時空坐標下的動態技術，其市場前景也更廣闊，基於對地觀測數據的各類信息產品及服務成為舉世公認的最具發展潛力的新興產業之一。
未來發展趨勢
綜合目前對地觀測技術的發展及套用情況可以看出，未來對地觀測技術的發展將具有以下幾個特點：
（1）各個國家和地區之間競爭與合作並存。
對地觀測技術在國家安全、國民經濟社會發展等諸多方面有巨大的潛在需求，一方面，各國都想儘早占領制高點，在技術上形成領先優勢，因此競爭將是對地觀測技術發展的主線之一；另一方面，由於對地觀測是一個龐大的系統工程，從目前的經濟發展看，僅僅依靠一國的財力與技術是遠遠不夠的，無法滿足日益增長的現實需求，因此國家、地區之間的合作將是對地觀測技術發展的另一主線。
（2）衛星和感測器向高解析度、專業化、多模式、網路化方向發展。
隨著對地觀測技術的進步和社會的不斷發展，人們對地球資源和環境認識不斷深化，對高空間解析度和時間解析度遙感信息的需求也將不斷提高，隨著需求的細化和各種遙感模式的發展變化，衛星系統將進一步專業化，同時採用對地觀測網路，來克服以前對地觀測衛星系統大型、昂貴的衛星平台以及在平台上放置眾多感測器及其產生的各種冗餘部件等缺陷。
（3）相關的上下游產業具有廣闊的市場前景。
隨著對地觀測技術和手段的不斷發展完善，人們將獲得海量的高空間解析度和時間解析度遙感信息，對於此類信息的處理、分析和套用將促進與之相關的上下游產業的迅猛發展，產生巨大的社會經濟效益，因此相關的上下游產業市場潛力巨大，其發展將進一步促進技術手段的更新發展，不斷拓寬對地觀測信息的應翔領域。
