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遥感技术让我们远观地球更美丽

▲NASA近日公布的一幅概念图。称将派出无人飞船,执行探索一颗独特的金属小行星以及研究太阳系历史上早期的遗迹的任务。这两艘无人飞船被命名为露西和普赛克,计划于2021和2023年分别进行发射

▲ 美国公布了一个“CALIOP探测激光雷达”技术,可令遥感海洋监测运作模式不再受太阳光照的影响

让我们远观地球更美丽

从1986年我国首次开始建设卫星地面接收站密云站,到2016年12月15日,我国第一个海外陆地观测卫星接收站北极站投入试运行,已经过去了30年。

中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室研究员、中国科学院大学教授唐丹玲博士最近在《珠江科学大讲堂》上,以“从太空看海洋”为主题进行了一场生动有趣的演讲。她告诉我们,从科学的角度去看,“海洋是有生命的,是有温度、肤色、会呼吸的,而且有感情”。她还透露,科学家正在探讨在月球上建立遥感观测站的可能性。

A科学家的角度看海洋

——海洋有肤色、体温、感情甚至会患病

我们经常讲,“海洋是人类生命的摇篮”。唐丹玲教授解释说:“海洋里孕育着无数生命,其实海洋本身也是有生命的,它有喜怒哀乐,也有健康问题。比如海洋环境变化导致的赤潮等,就像海洋的‘皮肤病’;海洋环流就像海洋的大动脉和大静脉;海洋也会‘呼吸’,台风可以看成是海洋的‘强烈呼吸’或者是‘打喷嚏’,等等。”单是海洋的表面信息量就非常大。海洋与大气的能量及其他交换过程都是通过这个界面进行的,其内部变化也会通过表面变化部分地表现出来……只是大海浩渺无边,我们用肉眼无法窥其全貌。

如今通过遥感技术监测海面,包括接收波长较短的可见光与红外电磁波的传感器获得的遥感图像等,却让我们在更全面了解海洋的路途中迈进了一大步。海洋遥感所提供的观测数据,在全球气候变化、大洋环流变化、赤潮监测等多个领域都具有重要意义。

唐丹玲教授告诉我们,通过海洋遥感技术,我们可以更科学地认识海洋,可以看到海洋肤色、温度、感情的变化,甚至可以发现海洋是会患上各种“疾病”的。比如,通过卫星遥感,能看到平时我们用肉眼看不到的藻类细胞的密度含量,还包括一些泥沙和悬浮物等,看到海洋不同的“肤色”,其中一种就表现为“赤潮”;通过卫星观测到的海洋上空的沙尘暴,可能对海洋有“施肥”的效应,飓风也会把一些沙尘从一个地方带到另一个地方,而那些“赤潮”则像是一种海洋“皮肤病”,是在特定的环境条件下,海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害海洋生态现象;通过卫星观测,还可以看到海洋“感情外露”——发生海啸,或者是“感情的内敛”——内波。

唐教授多年以来致力于海洋遥感的应用研究,她表示海洋遥感还是一门很年轻的科学,但已经取得许多非常重要的数据信息。我们也了解到,海洋遥感的确是一门交叉学科,涉及海洋学、物理学和信息科学等多种学科,并与空间技术、光电子技术、微波技术、计算机技术、通讯技术密切相关。正如唐教授所说:“卫星海洋遥感的出现就是科学大发展的结果。海洋遥感是海洋科学发展的里程碑,海色遥感也是海洋生态科学发展的一个里程碑。”

地面接收卫星信息不容易

B

——从“密云站”到“北极站”

唐教授称,我国的遥感技术发展虽起步较晚,但近10年来发展迅猛。

位于北京郊外的密云卫星数据接收站是中国遥感卫星地面站的第一个接收站。1986年底,中国首次开始创建自己的遥感卫星地面站,也由此开创了我国遥感技术和遥感应用的新时代。

卫星遥感是20世纪60年代新兴的科学领域。经过多年发展,这已成为各国空间对地观测领域的主要科技手段之一。而接收、存档、处理国内外遥感卫星和空间科学卫星数据,并为全国用户提供广泛的数据服务,是地面接收站的核心业务。我国在拥有自己的遥感卫星地面站之前,只能通过购买国外的卫星数据获取相应的资料,难度大、时效性差、数量又极其有限。

但自我国的首个卫星地面接收站密云站建成后,2008年我国又建起喀什站;2010年建了三亚站;2016年建了昆明站。如今我国的卫星地面接收站,已从一座天线发展到20部大口径卫星数据接收天线。我国对地观测卫星与空间科学卫星数据接收站之间的一张巨网已顺利张开,如今这一体系的规模体量和关键技术指标均位居世界前列,实现了覆盖我国全部国土和亚洲70%陆地区域的实时数据接收能力。

从1986年到2016年,这30年来,我国的地面站运行体系始终保持可靠、稳定、高效运行,共接收了近16万条卫星轨道,保存了自1986年以来的400多万景的遥感卫星原始数据资料。我国珍贵的对地观测卫星数据档案库,也成为全球接收处理卫星数量最多的机构之一。这些卫星数据目前主要用于科研、灾害监测、环境监测、林业、国土资源、城市规划、农业、水利、气象、海洋、矿业等各个专业领域,在保障国家重大任务需求、业务化应用等方面取得了诸多成果。比如1998年长江特大洪水灾害、2008年汶川地震、2010年玉树地震、2013年芦山地震……历次重大自然灾害中,地面站均发挥着重要作用,为国家决策提供了强有力的数据保障与信息支持。作为国际资源卫星地面站网的重要成员,地面站甚至还在澳大利亚林火、巴基斯坦洪水、日本地震等国际重大自然灾害中及时提供了大量珍贵卫星数据,为国际灾害监测作出了贡献。

2015年和2016年,我国的地面接收站还相继成功实现了暗物质粒子探测卫星、“实践十号”返回式科学实验卫星、量子科学实验卫星的数据接收,以稳定的运行为我国空间科学研究提供了可靠的数据保障。至2016年12月15日,由中科院遥感地球所历经两年建设的北极站投入试运行,作为我国第一个海外陆地建设的海洋卫星接收站,北极站具备全天候、全地利、多种分辨率卫星的接收能力,不仅大大提高了我国对全球遥感数据的快速获取能力,在对自然灾害等需要快速响应的应用上也具有重大意义。

为适应我国对地观测和空间科学事业的不断发展,科学家们还一直在开展科技攻关,不断建设与研制高水平的卫星地面系统设备。唐教授表示,在大数据的获取上,增加高分辨率、提升高频分辨率以及加强国际间的合作与数据共享等,都是目前我国海洋遥感技术新的发展方向。

科技发展无“不可能”

C

——拟在月球上建遥感平台

唐教授一直强调“海洋生态无国界”,加强国际间的合作是海洋遥感技术发展很重要的一环。“以前是我们去国外深造,现在也有很多海外的研究生和科学工作者到中国来学习交流。唐教授的实验室,就培养了来自多个国家的博士研究生和博士后。信息的交流与共享更有助于技术的进步。”

2016年7月在中国召开的“2016国际地球科学与遥感大会”上,国防科技工业局重大专项工程中心主任童旭东公开了我国高分辨率对地观测系统的发展和应用成果,并透露,我国将从2016年下半年至2017年陆续发射高分三号、五号等高性能新型遥感卫星,进一步丰富我国自主高分辨率遥感数据类型;基于中国高分应用综合信息服务共享平台还会增加在线服务、交易等功能,并积极促进各地方、企业等应用推广高分数据及其应用技术成果。

大会还透露,早在2004年便启动的、中国科技部与欧洲空间局在对地观测领域的重大国际科技合作计划“龙计划”,目前也将进入一个新的研究周期,拟于2018年正式发射一颗中法两国合作研制的首颗卫星“中法海洋卫星”。该卫星将在国际上首次开展海洋风浪相互作用的联合观测,并在海洋预报、灾害监测预报和海洋科学研究等方面发挥重要作用。

大家都非常感兴趣的是,中国科学院遥感与数字地球研究所郭华东院士等人提出,如果可以在月球上布设遥感器,便可以利用月球作为对地观测平台来对全球宏观尺度的科学现象开展研究。我们知道,月球是地球唯一的自然卫星,也是人类目前唯一能到达的地外星球。如果能在月球上建设观测平台,通过提高载体平台的高度,建设持续的全球观测能力,对于实现长期连续的大区域全球变化和宏观地球科学现象的观测具有重要意义。对此,唐教授说,虽然目前这项领先国际的研究计划尚在理论探讨阶段,但是科学家们都非常期待。

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