童庆禧.中国遥感发展及其贡献[J].中国科学院院刊,2013,(z1):17-24.

中国遥感发展及其贡献

Development and Contribution of Remote Sensing in China

童庆禧
中国科学院遥感与数字地球研究所 北京 100094;北京大学遥感与地理信息系统研究所 北京 100871,tqxi@263.net
Tong Qingxi
Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China Institute of Remote Sensing and GIS, Peking University, Beijing 100871, China

         遥感，卫星，航空遥感，应用，土地资源，环境和灾害监测

        remote sensing, satellite, airborne remote sensing, application, land resources, environment and disaster monitoring

        20世纪60年代，遥感技术在国际上兴起，自我国第一颗人造地球卫星发射以来，中国开始进入空间时代。为适应国家经济社会发展的迫切需要，遥感在我国也受到高度重视，得到快速发展。我国已形成了自己的遥感卫星系列，如气象卫星、海洋卫星、陆地资源卫星、环境与减灾卫星等。灵活、机动性强的航空遥感也在应用中发挥了重大作用。遥感应用是我国发展遥感科学技术的重点，30多年来遥感在我国成功地应用于国家土地资源调查、农作物和森林监测、地质矿产调查、城市发展监测以及海洋和海岸带资源调查等。在洪水、旱涝、林火、地震以及相关的气象和地质灾害发生期间，遥感总是起到关键作用。遥感已成为中国经济社会发展不可或缺的信息支撑。文章将在上述方面进行简要论述，以窥我国遥感发展之一斑。

        Since the first satellite launched in 1970, more than 100 satellites have been launched. Among them, most satellites were designated for earth observation. The 4 major series of remote sensing satellites have been formed in China, i.e., the Meteorological Satellite series, Oceanic Satellite series, Earth Resources Satellite series, and Environment & Disaster Monitoring Satellite series. Moreover, a commercial remote sensing satellite system has also been emerged and growed up. In the first stage of development, a number of experiments on remote sensing technology and application have been contacted. The training program has also been carried out in each study and has been made the progress for further development in remote sensing area, especially for its multidisciplinary applications. As a complementary for the space remote sensing and a system for very high resolution data acquisition, the airborne remote sensing system has been developed. A number of sensors have been developed and manufactured, such as optical, infrared, multispectral, hyperspectral, and also microwave system of both passive and active ones. Finally, the sensors were conducted various test and were improved as satellite payload in the further use. Application is the lifeline for development of remote sensing, so the remote sensing applications are always paid with a special attention. Land resources are the extreme important factor supporting the national economy and social development. Land use and land cover study are always the key application for remote sensing. The multistage land use and land cover maps are produced based on the satellite and airborne images analysis during the period from 80s last century to 2010. By analysis of the multistage land use and land cover maps, the situation and trend of the land use/cover changes has been obtained. Protection of arable land is a very serious problem affected the development in China. The remote sensing techniques are also applied in the analysis of urban development and expansion, environment, disasters monitoring, etc. Soon after a severe earthquake in Sichuan province in May 2008, the emergency response has been carried out. For the damage analysis of the disaster region, various satellite data were collected and multiple flight by remote sensing aircraft has been contacted. The results obtained greatly supported the disaster relief action and post-disaster management. In the next decade, the development of remote sensing will focus on the development of high resolution remote sensing to meet the increasing demand of the country.

        国际环境遥感研讨会的历史功绩就是确立了“遥感”这一科学术语，自此，遥感作为一门新兴的科学技术得到世界科技界以至各国政要的高度重视，迅速成为国际科学技术的发展热门。数以千计的卫星、飞船、星际飞行器、飞机、气球等平台搭载着各种遥感载荷从大气层内、地球外层空间甚至从更为遥远的星际空间源源不断地获取并发回各种对地球、月球和地外天体的观测数据，为人类拓展对自然的认识，丰富我们的宇宙观，特别使人类对赖以生存的地球的资源和环境有更深入的了解，从而对认识和保护我们的星球发挥着重要作用。本文将从中国遥感的发展及其在国家资源环境与灾害探测和研究中的作用角度简要阐述遥感在中国的重要作用和贡献。

         20世纪70年代初期，在中国科学技术尚未全面复苏的背景下，得益于国际遥感大发展的势头，遥感技术的发展首先受到中国科学家和国家相关部门的高度重视。改革开放以来，遥感在国家科技发展规划中得到了充分的体现。

         1977—1981年的5年间，我国先后组织开展了新疆哈密、云南腾冲、长春净月潭、安徽合肥、天津—渤海湾、四川二滩、南京—芜湖、山西太原、黄淮海平原等一系列与资源、环境、能源、城市、海洋有关的遥感实验，涉及地质、地理、农业、林业、土壤、水文、海洋、遥感制图以及仪器测试方法和比对等多学科领域。

        1978年在云南腾冲开展的以资源环境为研究目标的综合性遥感实验，先后利用我国自行研制完成的航空红外扫描仪、航空多光谱扫描仪、航空多光谱照相机、微波辐射计、地面/航空光谱辐射计、计算机图像处理系统等重要遥感仪器设备和当时研制的新型彩色红外胶片，开展了以航空遥感为主的实验研究。实验中不仅全面检验了遥感仪器的性能而且完成了该地区多种自然资源的遥感调查，编制出版了包括地质、地貌、植被、水资源、地热、土壤、农业、森林等25种专题图件和大量的论文报告。腾冲遥感作为我国的第一次大规模、综合性和多学科的科学实验开拓了中国遥感发展之路，被誉为中国遥感发展的“摇篮”[1]。

        1979—1981年天津—渤海湾地区的遥感试验是中国第一次针对城市环境开展的遥感研究，而1980年对四川雅砻江二滩水电工程所进行的遥感研究则是一项为能源服务的项目。这两项遥感活动都取得了十分丰硕的成果，特别是在了解城市环境状况，监测污染源，分析工程地区滑坡和泥石流，估算水库的淹没损失和研究大坝坝址稳定性等方面进行了有益的尝试，为当地的发展提供了信息依据。

        1980年由北京大学等教育部重点高校和山西省联合组织开展的以农业为对象的遥感研究，完成了基于遥感，包括土地利用、土壤、植被、地质、地貌等17种专题图件《陆地卫星影像太原幅农业自然条件目视解译系列图集》的编制。这是我国利用卫星遥感影像的首次成功的应用实践。

        从1980年开始的土地利用遥感调查是在全国范围内大规模利用卫星遥感影像的成功范例。在对大量陆地卫星图像的处理和判读基础上编制了一系列专题图件和影像地图。按农、林、牧等15种土地利用面积进行了精确的量算和分析，其成果，特别是当时全国耕地面积数量等数据遂成为尔后农业土地开发的重要信息依据。

         直到20世纪90年代后期，中国尚未有自己稳定运行的传输型卫星数据可供使用，航空遥感始终成为遥感发展关注的重点。1986—1990年的“高空机载遥感实用系统”国家科技攻关项目对我国航空遥感迈向现代化起到了关键作用[2]。根据对20世纪80年代以来国际遥感发展的分析，认为先进小型化和专业化的航空遥感系统发展更符合我国国情。以中科院为主体联合国内有关遥感科技人员以2架“奖状-S/II”（Citation/SII）型涡轮风扇高空飞机为机载平台，经研制，完成了配套完善、先进、实用的航空遥感系统。系统包括14种航空遥感仪器和设备，它们覆盖了光学、红外、微波、激光等很宽的电磁波范围，既有成像式的也有非成像的，既有被动式的也有主动式的，虽主要以机载遥感系统为主，但也研制发展了与之配套的，包括图像数据处理、地面测试、定标体系等辅助支撑系统。以2架高空遥感飞机组成的航空遥感系统成为我国遥感技术体系的重要组成部分。在这一时期，中国航空遥感发展呈现了明显的特色：

        （1）注重系统性、综合性和配套性。在研制遥感载荷系统的同时也重视相关的辅助技术系统，如系统的作业监控、姿态测量和定位信息获取等的发展。根据对洪水等灾害监测的急需，特别着重研制了（飞）机-地（面）和机-星-地的遥感数据实时传输系统。在采用机-地传输的情况下，在飞行高度达到8 000m—10 000 m时传输距离最远接近300Km。

        机-星-地遥感图像传输系统是在国家“八五”和“九五”科技攻关计划支持下为解决监测洪水灾害的雷达（SAR）图像的实时远距离传输而研发的。该系统以“里尔”（Lear Jet）飞机为平台，实现了将机载SAR的信息直接传送至通信卫星，再经由卫星向地面转发至设置于不同地方的地面接收站点，系统具有双向传输和通信功能[3]。由于采用了先进的压缩技术，在经60倍实时压缩的情况下成功实现了6m和3m分辨率SAR图像高质量的传输，大大提高了应急灾害遥感监测信息服务的时效性（见图1）。

        

        （2）始终把握前沿发展方向。在航空遥感系统发展中始终对那些国际发展的前沿和热点给予更大的关注。成像光谱、成像雷达和激光三维遥感成像技术一直是发展的重点。自90年代中期以来，模块化成像光谱仪、推帚式成像光谱仪、激光三维成像仪以及继X波段之后的L波段合成孔径雷达等一批新型的遥感设备研制成功，标志着我国机载遥感对地观测系统又攀上了一个新的台阶[4]并在国际合作中发挥了很好的作用。

        近年来，中科院在高空遥感飞机基础上又进行了突破性的发展，双天线干涉雷达（INSAR）的研制和装调成功使地形数据，特别是地表形变信息的高效获取成为可能，满足了对1∶10 000比例尺测图的要求（见图2）。

        

         1970年4月中国第一颗人造地球卫星的发射标志着中国已进入航天时代。随着1988年中国第一颗极轨气象卫星——“风云一号”（FY-1）和1997年地球同步轨道气象卫星“风云二号”（FY-2）的发射以及1999年10月第一颗以陆地资源为主要遥感对象的地球资源卫星（CBERS-01）的发射，我国更是开启了对地球进行全面观测的新时代。

         我国气象卫星已成为世界气象组织卫星气象观测系统的重要成员。无论是太阳同步或静止轨道气象卫星除了提供气象云图、地表辐射、大气探测、水汽分布以支持天气预报和气象气候研究之外，还能进行海洋水色、水陆边界、海面温度、植被状况、森林火情、洪涝灾害和旱情、冰雪覆盖和农作物估产等多项信息和业务服务[5]。近年来，我国也成功地对气象卫星进行了更新换代。“风云三号”（FY-3）是我国第二代气象卫星，它不仅延续了其前任者的持续稳定的业务观测能力，在功能和技术上都有了大幅度的提高，其8种新型载荷对全球、全天候、多光谱、三维和定量的地表观测数据获取能力方面得到了很大的增强[6]。

        我国地球资源卫星，是我国和巴西合作的结晶，因此又称为中巴地球资源卫星（CBERS）。第一颗地球资源卫星（CBERS-01）是我国第一颗中分辨率传输型对地观测卫星，其20m的地面分辨率在当时各类卫星中具有明显的特点。2003年、2007年、2011年12月和2012年1月又连续发射了4颗资源型对地观测卫星（CBERS-02、 CBERS-02B、CBERS-02C和ZY-3），并形成由北京密云、海南三亚和新疆喀什地面接收站组成的数据接收站网。从CBERS-02B起 CBERS-02C和 ZY-3卫星在卫星对地观测数据的获取上有了新的突破。近2m的地面分辨率和较高的图像质量使其应用能力大为加强。ZY-3卫星瞄准了对地面的测绘制图，它的多波段和前后立体观测能力，可用于1∶50 000比例尺地形图的测绘和1∶25 000比例尺地图的修测。

        对海洋的观测是我国空间对地观测的重要组成部分。我国先后于2002年5月和2007年4月发射了两颗以海洋水色观测为目标的海洋卫星（HY-1A和HY-1B）。其观测要素包括了叶绿素浓度、悬浮泥沙、污染物质、海面温度以及近海赤潮、海冰、油膜污染等。

        2011年8月“海洋二号”卫星（HY-2）发射成功。这是我国新一代以微波遥感观测为主的海洋动力学卫星。HY-2搭载着微波散射计、雷达高度计、扫描微波辐射计和校正微波辐射计，具有全天时、全天候、全球连续观测的能力。卫星可获取海面风场、浪高、海流、海面温度和海面高度等多种海洋动力环境要素，直接为灾害性海况预警预报和海洋科学研究提供实测数据，服务于海洋灾害监测预报、大洋极地科考、海洋维权执法、海洋资源开发和保护、海洋科学研究等[7]。今后我国还将继续发射多颗海洋卫星，构建国家海洋监测体系，以助于合理开发海洋资源、监测海洋环境、维护海洋权益[2]。

         我国是一个自然灾害频发的国家，鉴于对环境和灾害监测的需要，我国于2008年9月6日发射了由两颗环境卫星，即HJ-1A和HJ-1B卫星组成的卫星星座，全称为“中国环境与灾害监测预报小卫星星座”，2012年11月19日又发射了HJ-1C卫星并加入星座。HJ-1A和HJ-1B为两颗光学卫星，星上的CCD多光谱相机，其30m空间分辨率影像的覆盖宽度达到720Km，是目前国际上类似分辨率载荷地面覆盖最宽的卫星，很大地提高了对全国甚至全球的数据获取能力。此外，两颗卫星还分别装载了具有128波段的超光谱成像仪以及中波红外和热红外成像仪。HJ-1C卫星是我国第一颗监测环境和灾害的雷达卫星，其星载S波段合成孔径雷达的空间分辨率为20m，地面覆盖条带宽度为100Km。这种中高分辨率、宽覆盖及与其相对应的高时间分辨率、高光谱分辨率以及红外和微波的综合观测能力对监测环境和灾害十分有利和有效[8,9]。图3表示了在不同阶段我国卫星发展的情况。

        

        随着遥感卫星分辨率的提高其商业应用价值也同样得到提升，而微、小卫星的发展又为商业化遥感发展开拓了一条“好、快、省”的途径。经过国际合作，2005年10月一颗重量仅166Kg、载有4m全色高分辨率和32m多光谱中分辨率两种载荷,命名为“北京一号”的小型卫星发射成功，开始了它在685Km轨道上7年多的太空之旅。卫星完全由一家名为“21世纪空间技术有限公司”的企业经管、控制和运行。这是中国第一个由公司管理、控制、运行的空间卫星系统。卫星在轨运行7年，获取的有效数据近10亿平方公里，相当于地球全部陆地面积的6倍以上！卫星在地球资源调查、环境监测、城市发展、灾害管理等方面特别对于重点保障和服务的北京市发挥了很好的作用。当前，一个更为先进、分辨率约为1m、由3颗小卫星组成的卫星星座及其相应的地面系统正在加紧研制，它的发射和运行将会使这一卫星系统的商业化和市场化机制得到进一步发展和加强。

        中国的遥感技术及其应用已成为国计民生不可或缺的信息技术手段。气象卫星极大地支持了气象预报业务的发展，成为台风、风暴、干旱、沙尘暴、冰雪、林火等气象灾害和天气现象预报的重要信息提供者。可以认为，自气象卫星发射运行以来，对影响我国的台风和热带风暴的监测与预报就无一遗漏。气象卫星也是森林和草原火灾的主要监测者，1987年发生在我国东北大兴安岭的特大林火就是由气象卫星首先发现的。

        海洋卫星在轨运行期间内成功获得了我国渤海、黄海、东海、南海以及太平洋、大西洋、印度洋、北冰洋、南北两极的大量海洋水色遥感图像，其观测要素包括叶绿素浓度、悬浮泥沙、污染物质、海面温度以及近海赤潮、海冰、油膜污染等，也获取了大量的岛礁、浅滩、海岸植被等特征地物的遥感数据，为海洋遥感业务的开展提供了信息保障。

        环境卫星有力地推进了中国环境和灾害监测、环境保护和救灾减灾工作的信息化和业务化。我国环境保护部门综合利用卫星遥感、航空遥感并结合地面调查，全面开展了环境污染、生态系统、核安全等的遥感监测以及环境事件的遥感应急反应等工作。利用卫星对近年来的环境事故，如大连的溢油、松花江化学污染、舟曲泥石流、玉树地震、云南盈江地震、北方沙尘暴、官厅水库水色异常、乌梁素海黄藻、黄海海域浒苔、日本地震核事故等方面开展了遥感应急监测和评估工作，为环境应急管理提供了高效的技术和信息支撑[8，9]，环境的遥感监测已成为我国的常态化业务工作。

        中国对世界的最大贡献之一就是以不到世界7%的耕地养活和支撑了占全球1/5人口的生存和发展。因此，了解和清查土地资源，保护耕地和基本农田，把握土地利用和土地覆盖现状及其动态变化就成了中国遥感界特别重要的任务。自20世纪90年代以来国家组织开展了两次大规模的土地资源大调查，国土资源部、中科院、农科院、林科院以及各地方的农业和土地单位也相继开展了以土地资源为对象，包括土壤、植被、森林资源和水土流失、沙漠化、湿地变化、海岸带遥感监测等项研究。通过对全国陆地及其近海岛屿的土地利用进行1∶10万比例尺的遥感调查和动态监测，建设了自20世纪80年代末至2010年的中国土地利用及其动态数据库[10，11]。图4为过去30年我国土地利用和土地覆盖及其变化状况。

        

        2006—2007年在我国太湖、巣湖等水体发生的严重水体富营养化和大规模的蓝藻爆发，使得水质极度恶化，影响了城市的饮用水和正常的生活。在此期间，遥感监测了蓝藻水华的发生、发展及其空间分布，也分析了其发生和发展的原因。图5为卫星监测到的一次严重的太湖水华。可以看出由城市和广大农田向湖中的排水可能是造成大规模富营养化和在适当环境下爆发水华的重要原因。对2006年10月7日水华的遥感监测与分析表明，当日蓝藻水华覆盖的面积超过740平方公里，达到湖面的32%。与此同时，对遥感影像的分析也同样能使我们监测出大量的向湖中排泄的通道。

        资源卫星、“北京一号”卫星结合国外多个卫星还对全国104个重点城市的发展进行了不间断的监测，开展了城市发展轨迹的研究。研究客观反映了城市发展及土地利用动态变化的实际情况。研究表明,自1978年以来的30年间北京城市建成区扩展了6.6倍，广州市同期扩展了7.2倍，而处于改革开放最前沿的深圳市同期则扩展了137倍，从原来只有7.0平方公里的小鱼镇扩展至953.6平方公里的超大城市。这些对城市进行的研究为国家制

        定城市化和城镇化、制定严格的土地政策和耕地保护提供了重要科学依据和有力的信息支撑。

        

         对自然灾害的监测和损失评估，服务于救灾和减灾是中国遥感发展的重要驱动力。遥感结合各类土地利用数据库对监测洪水灾情、调查淹没范围、评估淹没损失，特别是调查洪涝灾害的影响，被淹没的农田数量和房屋的损失情况具有重要作用。1998年在长江中下游和松花江—嫩江发生特大洪水期间，经不间断的监测和评估以及详尽的分析和查证，给出了遥感监测的重要结论，这次特大洪水期间全国总共淹没的农田累计达3 200万亩，相当于213万公顷或2 133平方公里！图6显示了卫星和航空监测的部分结果。

         2008年四川汶川的特大地震后我国动用了所有的遥感卫星资源，收集了包括光学和雷达等多种卫星数据，出动了不少于10架不同类型的飞机（奖状、里尔、运-8、运-12等机型），直升飞机和多种无人机等航空平台对地震灾害开展了全方位的监测。对房屋倒塌和道路破坏情况的遥感调查结果为抗震救灾提供了重要信息。汶川地区地处高山深谷，地形险要，大部分地区人难以快速到达，就更加突显了遥感的重要性。图7—8为汶川地震遥感监测的几个例证。从图中可以看出由于都江堰到汶川（都-汶）的公路地处险要的岷江峡谷，山体滑坡造成大范围公路堵塞，村庄受损，影像中（箭头所示）损坏的房屋和汽车都清晰可见。此外，当时受到巨大关注的唐家山堰塞湖也是首先为遥感卫星所发现并不断提供堰塞湖水情的动态信息，为救灾排险做出了贡献。

        

         自20世纪70年代末期以来中国遥感科学技术开始了自己的发展历程。中国已形成气象、海洋、环境和灾害监测、陆地资源等卫星系列。包括高空间、高时间和高光谱在内的高分辨率卫星已成为卫星遥感的发展趋势。与此同时，遥感的产业化和商业化也开始受到重视。以区域为特色，遍及全国，机动、灵活的航空遥感在中国具有很强的生命力，成为中国遥感产业化和商业化的基础。

         在中国，遥感因巨大的需求牵引得到十分广泛的应用，它已在全国性土地资源调查、森林资源调查、地质矿产资源调查、测绘制图和城市发展研究等方面发挥了重要作用，更是了解海洋，支持气象预报的重要技术手段。中国是个灾害频发的国家，灾害的发生不仅具有突然性而且往往具有地区上的不确定性且经常发生在偏远地区，遥感就成为了灾害监测、灾情评估的重要技术。多年来遥感在我国应对洪水、林火、干旱、沙尘暴、冰雪、地震、滑坡、泥石流等灾害中发挥了重要作用。