我国空间对地观测技术的发展与展望

江碧涛

61646部队, 北京 100192

空间对地观测是以卫星、空间站等航天器为平台，利用光学、微波、电子等非接触手段，对地球及地球上的人类活动进行观测的过程。目前，全球已有50余个国家和地区发展了对地观测卫星。随着人类活动空间从陆地向海洋、空中、外层空间的不断拓展，空间对地观测技术的重要性愈发突出。经过50余年发展，我国空间对地观测已建立了一个手段种类齐全、数量规模可观、技术性能先进的空间对地观测系统，实现了探测手段从单一到综合、探测范围从区域到全球、探测精度从粗放到精细、处理分析从定性到定量等的巨大跨越，已广泛应用于国土规划、农业估产、海洋维权、气象环境、地理测绘、减灾救灾和国防安全等领域，综合能力跻身世界先进行列[1-3]。

当前，适逢国际格局重大调整，大数据、人工智能等战略性技术正在引领新一轮科技革命和产业革新，“百年未有之大变局”下，空间对地观测技术发展也呈现深度变革特点。回首50余年发展历程、直面新阶段机遇挑战、展望新时代发展方向，对于把握规律特点，推动空间对地观测领域高质量发展具有非常重要的意义。

1 发展历程

自20世纪60年代开始，随着运载火箭、遥感平台、有效载荷等技术的不断发展，我国空间对地观测技术先后历经了返回式、传输型、系统化和体系化的发展过程。从技术发展和应用推广的角度归纳起来可分为探索起步、快速发展和创新发展3个阶段。

1.1 探索起步阶段(1965年—20世纪90年代中期)

(1) 从无到有，成功完成首型卫星发射入轨。1975年11月26日，在陆续突破卫星总体设计、制造、防热、大型试验、卫星发射、跟踪测控和卫星回收等各种难题后，我国自行研制的第1颗返回式对地观测卫星成功发射，卫星采用棱镜扫描全景相机，获得了第1批对地摄影图片，用于国土资源普查，实现了我国空间对地观测技术历史性突破。在此基础上，我国在1985年和1986年又发射了两颗国土资源普查卫星，利用胶片感应成像获取黑白全色胶片和假彩色红外翻转胶片约4000 m，掌握了京津唐、黄河三角洲、“三北”防护林、黑龙江中上游、塔里木盆地北缘、山西大同煤田等影像资源，初步解决了国家资源调查急需卫星遥感信息源的问题[4]。

(2) 合作共研，顺利实现返回式至传输型卫星跨越。20世纪80年代末，为加快长寿命传输型对地观测卫星技术的突破发展，我国与巴西共同研制“中巴地球资源卫星”，并于1999年10月成功发射01星[5]。在两年多的在轨运行中，利用星上5谱段CCD相机、4谱段红外多光谱扫描仪、2谱段宽视场成像仪，共获取23万多景卫星遥感数据，广泛运用于农业、林业、水利、矿产、能源、环保、城市、减灾和测绘等领域，填补了我国卫星遥感数据的诸多空白[6]。

(3) 技术突破，多手段助推气象观测卫星发展。在此期间，可见光、红外和水汽扫描辐射计技术的突破，推进了我国气象观测卫星的发展[7]，3颗风云一号、2颗风云二号卫星陆续发射，我国第1代气象观测卫星系统初具雏形，实现了气象卫星观测从无到有、从试验到试用的阶段性跨越，具备了对云层、陆地和海洋的多光谱探测能力，拍摄的云图资料填补了我国西部、西亚和印度洋上的大范围观测空白，在我国天气预报和气象研究等方面发挥了重要的作用[8-10]。

1.2 快速发展阶段(20世纪90年代中期—2015年)

进入21世纪，随着通信、计算机、存储等技术和CCD光电探测器的不断发展，空间对地观测技术进入井喷式快速发展阶段。这一阶段的主要特点是研制模式由技术合作向独立自主转变、核心技术由引进吸收向自主可控转变、服务模式由试验试用向业务运行转变。据统计，2001—2015年间，我国成功将228个航天器送入轨道，其中对地观测卫星占比超过45%，逐步建立了以遥感、风云、高分、资源等为代表的在轨长期稳定运行的空间对地观测体系[11]。同时，为加快地面应用发展，在西安、牡丹江、昆明、三亚等地建成了地基测控和数据接收站网[12]，先后成立中国资源卫星应用中心、国家卫星海洋应用中心等，极大带动了空间对地观测在气象、海洋、资源等各行业领域的应用发展。

(1) 综合性能大幅提升，气象观测迈入世界先进行列。在推动第1代系统业务化运行的同时，我国着手开展了第2代气象观测卫星系统的论证建设。2008—2013年，陆续发射3颗风云三号卫星，通过对扫描辐射计、红外分光计、中分辨率成像仪、臭氧垂直探测仪、臭氧总量探测仪、太阳辐照度检测仪、微波温度探测辐射计、微波湿度计、微波成像仪、地球辐射探测仪和空间环境检测器等多载荷集成，实现了我国气象卫星从单一遥感成像卫星到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从千米级分辨率到百米级分辨率、时间周期为每天、从国内接收到极地接收等卫星技术的“四大突破”，进一步缩小了在极轨气象卫星领域与发达国家的差距，使我国气象卫星技术迈入世界先进行列[13]。

(2) 关键技术取得突破，天基海洋观测体系初步形成。随着海洋水色扫描仪的技术突破，2002年，首颗海洋水色卫星海洋-1A发射，实现了我国海洋卫星零的突破，完成了海洋水色功能及试验验证，使海洋水色信息提取与定量化应用水平得到了提高，促进了海洋遥感技术的发展。2011年，首颗海洋动力卫星海洋-2A发射，实现了主被动微波遥感器的集成运用，使我国基本具备了对全球海域多要素、多尺度的连续观测能力，促进了海洋系列卫星系统初步建成[14]。同时，为更好地服务国防安全与国民经济建设，我国海上舰船观测能力得到大幅提升。

(3) 高分专项启动实施，引领陆地观测技术跨越发展。2006年4月，遥感一号卫星成功发射，实现了星载微波成像技术的重大突破，我国首次具备了全天时全天候遥感探测能力。2010年8月，天绘一号卫星成功发射，国际上首次采用LMCCD测绘体制，有效解决了无地面控制点条件下的目标定位问题[15-16]；随着“高分专项”工程的启动实施，高分系列陆续入轨，我国陆地观测体系和能力得到显著提升。其中，高分二号使国产光学遥感卫星空间分辨率首次精确到1 m[17]；高分三号实现我国首次星载C频段多极化合成孔径雷达成像分辨率达到1 m[18]；高分四号卫星是我国首个高轨高分辨率对地观测光学遥感卫星，突破了高轨光学遥感卫星总体设计、卫星姿态快速机动与高稳定控制、高轨遥感卫星长寿命高可靠高稳定一体化结构设计等关键技术，可见光近红外谱段分辨率为50 m，中波红外谱段分辨率为400 m；随着遥感、高分、资源等多系列卫星同时大跨步建设，逐步形成了覆盖从全色、多光谱到高光谱，从光学到雷达，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型，实现了陆地详查普查、海洋目标探测和电磁空间探测等功能[19]。同时，研制建成了多类、多型卫星一体化管理控制和处理应用系统，我国空间基础设施框架基本建成，总体性能迈入世界先进行列。

1.3 创新发展阶段(2016年至今)

“十三五”期间，在大数据、云计算、物联网、人工智能等技术的推动下，我国空间对地观测体系进入一个崭新的发展阶段[20-23]。空间对地观测系统在星群互联、智能规划、在轨处理等方面的能力开始起步，系统建设重心由数量规模型向质量效能型转变、由星上载荷技术突破向星地协同发展转变，云处理架构逐步替代传统的并行计算、分布式计算，多星协同观测、多载荷融合处理、大数据智能解译等技术不断发展，推动了服务模式由“一对一、点对点”的订单式服务向“智能化、网云化”精准服务升级，服务对象由专业领域向全社会甚至全球辐射拓展。

(1) 体系化建设加快，气象系列卫星取得多个世界第一。2016年12月发射的风云四号A星，搭载了世界首个静止轨道干涉式垂直探测仪，是唯一能够在轨实现三维大气动态监测的卫星。2021年6月发射的风云四号B星在全球率先实现了250 m空间分辨率，显著提升了对中小尺度灾害性天气的高分辨率观测能力。风云系列卫星成为世界上在轨数量最多、种类最齐全的气象卫星星座[24]。

(2) 多要素协同观测，海洋系列卫星创新发展应用。在《海洋卫星业务发展“十三五”规划》框架下，海洋-1C、海洋-1D、海洋-2B、海洋-2C、海洋-2D 5颗海洋观测卫星入轨应用，实现了海洋水色、动力环境业务星组网运行和协同观测[25]。与此同时，国家卫星海洋应用中心不断尝试数据产品的个性化服务技术突破，2020年高精度海面风场产品在海洋卫星遥感实况微信小程序发布，通过手机可以看到5天内全球任何海域的海面风场预报，打通了遥感数据服务公众的“最后一千米”。

(3) 多手段融合应用，陆地观测卫星形成一体化发展格局。“高分专项”工程持续推进并取得圆满成功，高分五号实现世界首次对大气和陆地的全谱段高光谱综合观测，填补了我国区域大气污染气体探测的空白[26]。2019年，双星编队雷达测绘卫星天绘二号正式发射升空，实现了我国微波干涉测绘零的突破[27]。遥感、高分、资源等多系列卫星数据融合共享，推动对地观测应用技术不断发展[28-30]。同时，在国家政策牵引下，商业航天快速发展，我国空间对地观测系统建设主体由政府投资向多元投入过渡。数十家商业卫星制造和应用服务公司相继成立，吉林、高景、珠海等百余颗商业遥感卫星陆续入轨，极大补充了我陆地观测体系和能力。同时，不断加强测控、接收、定标和真实性检验场网等地面配套基础设施建设[31-32],定量化与自动化处理分析、多源信息综合处理与定量分析等技术取得重要进展，推动我国空间对地观测体系高效高质发展。

50余年来，我国空间对地观测体系取得长足发展，成绩斐然。一是空间基础设施体系日趋完善，截至目前，我国在轨对地观测卫星已超过220颗，其中海洋系列卫星6颗、气象系列卫星8颗、遥感系列等陆地观测卫星200余颗，逐步建成了一个高低轨立体观测、高中低分辨率结合、光学/微波/红外多手段配合的一体化全球综合观测体系。二是技术性能水平国际先进，气象卫星能够实现全球气象观测6 h、我国国土及周边区域分钟级数据更新；海洋卫星能够实现海洋水色、海洋动力全要素数据自主获取；陆地卫星最高分辨率优于0.5 m，具备全国国土中低分辨率每天覆盖和重点区域50 m分辨率连续观测能力，综合能力跻身世界先进行列。三是产业应用规模不断壮大[33]，应用领域涵盖国家安全、国土普查、环境保护、应急减灾、气象海洋等20多个行业[34]，金融、物流、交通等“遥感+”新业态应用潜力巨大，当前主要领域国产卫星数据自给率提升至90%以上。四是国际影响力日渐提升，风云卫星已向120多个国家提供气象数据产品服务，与多个国际组织开展海洋卫星数据交换并签署数据共享合作谅解备忘录，高分系列卫星也已成为与“一带一路”沿线国家开展合作的重要载体，碳卫星等为应对全球气候变化作出了中国贡献。

2 形势挑战

经过50余年的发展，空间对地观测技术在国土资源普查、气象水文监测、地质灾害预警方面发挥了重要的作用，推进了我国社会经济建设水平和综合国力的提升。国家战略利益拓展和国际地位提升、信息领域的博弈竞争及新兴技术的不断涌现，都给空间对地观测带来了新的挑战。

2.1 直面全球性问题，支持可持续发展

气候生态环境变化、碳排放、冰川融化、水资源短缺等全球性问题，事关人类可持续发展。随着国家利益向全球延伸，“一带一路”、人类命运共同体等重大倡议成为我国积极承担大国责任的体现，需在地球系统科学研究和粮食、能源、冰川、水等资源的全球监测方面发挥关键作用，在应对碳中和、全球气候变化、重大灾害生态环境保护与治理等方面发出中国声音、提出中国方案、贡献中国力量。然而目前我国在对地观测的整体性、连续性、有效性、实时性上还需进一步完善，亟待提升对地观测系统能力水平，全面满足各方需求。

2.2 应对国际竞争，维护数据主权

当前已进入大数据时代，国家层面的竞争力将体现为一国拥有大数据的规模、活性及对数据的解释、运用能力，数据主权将是继边防、海防、空防之后的另一个大国博弈空间，谁获取了数据，谁就获取了相关领域的主动权。空间对地观测将是助力科技、文化、海洋、交通、军事等强国战略实施的核心数据来源与关键技术手段，具备全球、全天候、全天时、全谱段的感知与信息探测服务能力是必然要求。但目前我国对地观测技术仍存在不小差距，须面向实时化、集成化、智能化需求，提升天地系统紧耦合发展水平，形成兼具高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的空间对地观测探测能力。

2.3 推动技术赋能，实现创新超越

当前，国际对地观测的发展进入了“精致为用”能力的新阶段，新型探测手段不断涌现，人工智能(AI)、大数据、云计算等前沿技术与遥感技术深度融合，“软件+服务”正在颠覆传统应用模式，针对全球治理、国家治理、数字经济、产业发展等需求，国内空间对地观测系统仍面临卫星平台自主协同、数据智能处理、产品应用智能服务等技术挑战，特别是大规模卫星星座管理、海量观测数据处理、多用户数据融合应用等重大问题，亟须新兴技术攻克解决。着眼未来发展与应用需求，空间对地观测系统应跳出传统发展模式，贯彻体系效能新理念、新政策，通过新技术突破形成产业链全新发展格局，充分提升对地观测体系的整体效能，在应对全球变化、提升国家治理能力、促进经济社会发展、引领科技进步等诸多方面再上新台阶。

3 未来展望

随着物联网、5G/6G、数字制造、人工智能等技术应用的不断深入，空间对地观测技术普及化与应用大众化的趋势愈加明显，空间对地观测系统的建设思路、系统形态、应用模式、运维机制等也将发生重大变化。可以预见，空间对地观测领域正在酝酿一场新的技术革新。

3.1 加快多位一体、跨域融合的巨型星座部署应用

马斯克“星链计划”的不断推进，为空间对地观测领域发展带来新的解决思路，其可见的社会、经济和国防效益，促使各国争相规划发展低轨巨型星座，空间对地观测体系格局面临重塑。为使我国空间对地观测领域在新版“星球大战”中占据优势，应进一步加强顶层统筹，做好技术预置。一是加强多功能巨型星座的一体化设计、批量化生产、标准化集成等技术储备，以满足一段时期内国家战略和市场发展对巨型星座的建设需求；二是加强陆地、海洋、环境等功能复合的高功能密度探测载荷技术攻关，提升对地观测星座系统的综合探测效益；三是发展激光通信等大通量星间、星地数据传输技术，提高数据获取的即时性；四是突破星座自主管理、协同控制、智能规划等技术，优化系统资源配置效率；五是开发高精度轨道测量与防撞评估、星云星群快速测试、故障智能诊断工具箱技术，降低系统运维成本。

3.2 发展快速高效、精细定量的大数据处理分析技术

随着空间对地观测卫星数量规模越来越大，载荷的时、空、谱分辨率也在不断提高，每天获取的观测数据量将由当前的TB量级快速跨越到PB级，数据种类多、体量大、价值高、动态多变、冗余模糊等大数据特征日益凸显，以大数据分析、深度学习等为代表的智能算法有望在对地观测数据处理方面取得突破性进展。一是开展基于虚拟化云存储等的空间对地观测大数据管理技术研究，构建高效的数据存储管理架构；二是发展基于人工智能的卫星数据实时处理与信息快速生成技术，提高空间对地观测海量数据的高效处理和快速服务能力；三是发展以深度挖掘为基础的大数据可视化技术，提高大数据下隐藏信息的深层次挖掘；四是发展多源异构数据的快速同一化技术和轻量化采集、存储、传输和访问技术，推动空间对地观测应用走进千家万户。

3.3 打造数字支撑、精准服务的空间对地观测“智能+”生态圈

未来，大数据、云计算、物联网和人工智能等技术的广泛应用，将带动空间对地观测领域向泛在化感知、一体化处理、智能化解译、网云化服务的方向发展，需加快构建以“智能、精准、融合、共享”为特征，与航天强国战略相匹配的新一代空间对地观测应用服务体系。一是构建面向多用户、多任务、多层级的空间对地观测样本库，开展样本快速标注、扩展与精化技术研究，为遥感智能解译技术发展提供样本基础；二是发展适用于空间对地观测大数据的并行化处理架构和人机协同的低计算复杂度智能处理算法，解决复杂背景下海量数据高置信度快速处理难题；三是研究基于认知科学的人机智能融合和智能学习理论与方法，实现遥感图像目标解译智能化、自主化水平的跨越式提升；四是发展在轨处理、智能检测、数据压缩等智能化芯片技术，提高计算、存储、传输等效率，推动空间对地观测由地面应用向在轨应用转变；五是发展卫星互联、智能调度、智能对地观测脑等技术，提升天基遥感智能控制、服务水平，进一步增强系统智能化水平。

3.4 塑造规范有序、富有活力的空间对地观测技术创新格局

创新是引领发展的第一动力，对正在蓬勃发展的空间对地观测市场来讲，构建产、学、研、用深度融合的技术创新体系显得尤为重要。商业航天作为空间对地观测技术发展中最活跃也是最敢于和易于创新的一股力量，理应在新一轮科技革命中勇担重任。自2014年我国正式出台政策支持商业航天发展以来，在政府扶持、资本投入、应用创新等因素的共同作用下，已涌现了一批像吉林长光、珠海欧比特、航天世景等的商业遥感卫星公司，为我国空间对地观测事业注入新鲜力量的同时，也对做好多元市场主体下的一体化航天能力发展提出了新的要求。一是持续加强系统、数据、接口的标准规范体系建设，确保各系统互联、互通、互操作，共享、共用、共发展，形成一体化合力；二是在市场经济推动下，进一步完善准入和退出机制，引导鼓励社会资本有序参与科研生产、基础设施建设、信息产品服务等活动，充分发挥企业作为技术创新主体的作用，调动市场活力；三是逐步完善商业航天采购数据、提供服务、人才引进等相关政策法规制度，构建健康、活泼、可持续的空间对地观测领域发展大环境。

4 结 论

习近平总书记指出，“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦”。当前我们正处于信息化时代向智能化时代演变的时期，空间对地观测技术发展正持续并将深刻改变人类的生活，要紧抓新阶段发展机遇，加大自主创新发展与跨域融合发展力度，努力构建空间对地观测领域军民商一体协调发展格局，形成具有中国特色的先进空间对地观测系统和相匹配的应用服务体系，不断推进国防建设和经济社会全局长远发展。