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原标题：透视地球，新一代对地观测技术

随着理念的演进和科技的发展，对地球系统的观测正从看清地球的样貌深入拓展到探测地球圈层的内在。“透视地球”基于多种对地观测手段对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间物理要素、内部结构及其演变过程进行精细、综合探测，而获取地球各圈层更“精确”、更“深层”的信息，成为新一代对地观测技术发展的积极探索和重要方向。

为何要“透视”地球

地球系统是由大气圈、生物圈、水圈（包括冰冻圈）和岩石圈等组成的复杂的巨系统。在地球系统科学理念不断演进和新技术加快发展的新时代，科学家们已不满足于只看清地球的样貌，而是希望深入拓展到探测、分析、认知地球圈层的内在。探索地球系统内部的奥秘，是解决人类资源、环境和可持续发展问题的必然选择。

然而，人类对地球自身的探测仍然非常初步。世界主要国家都已经将地球圈层内部探测列入推进可持续发展的国家科学发展战略，争相部署大深度、高性能的主被动探测载荷及相关应用研究计划。例如从20世纪70年代开始，美国率先实施的“大陆反射地震探测计划”，美国国家科学基金会、美国地质调查局和美国国家航空航天局联合发起的“地球透镜计划”，澳大利亚提出的“玻璃地球”计划等。我国也设立了《深部探测技术与实验研究》计划，用来研究并实验地壳与地幔深部探测的一系列技术方法。这些计划的实施多采取以发展固体地球深部探测技术与装备系统结合三维地质填图的方式，加速了人类对地球深部的认识和理解，但对地球系统各个圈层的精细探测和过程演变分析仍然不够系统和深入。

对地观测技术作为对现代社会最具影响的科技之一，呈现透明化、立体化、一体化、动态化、精细化的发展特征。随着大数据、人工智能、物联网、云计算和机器学习等加速技术变革，对地球系统的立体探测、持续观测、智能监测不断深入。比如，美国国家航空航天局于2021年5月正式公布建立地球系统观测平台计划；欧洲航天局发射了人类首个研究高层大气风的卫星“风神”，通过采用紫外激光器精确探测从地球表面到平流层的风速和风向等。近年来，我国在对地观测技术方面取得了重要进展，已通过“高分”专项和国家民用空间基础设施的建设实施，构建了从全色、多光谱到高光谱，从光学到微波雷达的天地一体化对地观测系统，初步形成高时间、高空间分辨率的宽幅观测能力。

整体而言，国内外对地观测系统已经具备相当规模，但现阶段获取的地球系统数据以平面化为主，在密度、维度、尺度上已难以满足当前地球系统科学重大前沿问题研究和社会经济发展对高质量数据的需求。通过一系列新型“透视技术”获取地球各圈层更精确、更深层的信息，可以更全面、更深入地了解地球系统的运行机制，从而推动地球系统重大科学问题的突破，提升人类进行资源探测、预测应对极端天气事件及全球环境变化的能力。

什么是“透视地球”？

“透视地球”瞄准地球系统圈层“看不见”的内部信息感知，利用电磁、微波、激光和重力等穿透性、多维度、高密度的新型透视遥感探测前沿技术，基于天基、空基、陆基等观测平台，对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间物理要素、内部结构及其演变过程进行精细、综合探测，是新一代对地观测技术发展的重要方向，为经济社会发展、资源环境合理利用、粮食安全、海洋权益保护等提供基础性、战略性的信息资源保障。

当前，人类对地球系统的探索正在发生重大转移，从表层到内部，从局部走向整体，新时代的“地球系统”理论知识和方法技术体系对遥感观测提出了新的要求。透视地球的核心基础是发展穿透性、新体制的先进遥感技术，探测技术的观测维度从二维拓展到三维，探测通道涵盖紫外到毫米波，通过天—临—空—地—海多基协同、多谱段耦合、多数据集成，将实现圈层多物理量动态化、立体化、全息化的透视观测信息获取，促生新的地球系统科学知识，有望成为下一代对地观测技术体系的制高点。

针对大气、海洋、植被和固体地球观测等领域的任务和探测目标，以透视视角开展空间对地观测/探测新原理、地球系统参量反演新理论、定量应用新方法研究，构建精细分辨率、全天候、高可靠性的新一代地球系统空间观测技术体系，主要分为大气圈层透视、森林透视、固定地球透视和海洋透视4个重点领域。

大气圈层透视主要利用全谱段、主被动协同、星—机—地联合的观测手段，实现对大气中“气象—辐射—成分”关键要素的三维立体观测。目前国际上的大气透视技术实现了对晴空和云雨条件下大气的全球性、高时空分辨率的观测，为数值预报提供了大量可靠的观测信息。国际上已经发射了TRMM-PR单频降水雷达、Cloudsat-CPR单频云廓线雷达以双频降水雷达，中国在星载云、降雨透视探测雷达研制和应用方面也快速发展。但现有在轨运行的雷达频率较低，仅对尺度较大降水粒子比较敏感，难以同步获取准确的云垂直结构信息，无法为云、降雨演变过程机理的研究提供足够的精细观测资料，限制了云降雨研究的发展。

森林透视技术主要通过综合利用多种遥感技术手段，以获取森林的三维精细结构信息。目前美国和欧洲对地观测战略规划均将碳循环和生态系统观测作为主要观测目标之一，明确规划了激光雷达、合成孔径雷达、光学相结合的森林监测体系。如何实现复杂地形条件下森林三维结构的观测，是森林遥感的前沿与难点。综合利用多频雷达干涉、激光雷达和光学多角度立体观测等手段，从波段、极化、时相、基线等不同维度，探索多维度森林空间结构遥感探测机理模型，形成多波段一体化森林空间结构遥感理论与方法，以实现森林植被结构透视、森林组分透视和森林生化参数透视。

固体地球透视探测主要利用多场量、主被动协同、星—空—地联合观测方案，获取重力、磁力、电磁等地球物理场，对岩石圈进行穿透性、大深度、多场量特征综合分析，“揭开”地表覆盖层，研究与刻画地球内部的物理性质、岩性和构造特征，探测与识别地下目标体，对地质结构实现立体三维数据获取，为解决人类社会生存发展至关重要的资源、环境等问题提供出路。当前，在传统电磁装备技术及基于航空航天的地球物理探测装备技术方面，我国对岩石圈内部参数获取能力还存在一定的差距。未来，突破新型小型化、高灵敏度的地球物理核心传感器，开展大深度、高效率和高精度的固体地球透视技术系统研制，对观察、分析和捕捉岩石圈频繁的地质活动和地质现象，实现地质结构立体三维数据获取具有重大应用价值。

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