郝 彤，王曉峰，馮甜甜，陸 平，喬 剛，謝 歡，李榮興

1.同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)空間信息科學(xué)及可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中心，上海 200092

地球系統(tǒng)科學(xué)研究起源于20世紀(jì)80年代，在全球氣候系統(tǒng)框架下包含大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈5大圈層。冰凍圈對氣候變化的高敏感度及重要的氣候反饋作用，是氣候系統(tǒng)多圈層相互作用的核心紐帶和最為關(guān)鍵因素之一。同時，作為生物圈中的重要組成部分，城市與人類活動關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，是研究地球系統(tǒng)科學(xué)，實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的終極目標(biāo)之一。2015年聯(lián)合國通過的《可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)》[1]確定了17項目標(biāo)，旨在實現(xiàn)人類社會與地球環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。其中，在目標(biāo)13“氣候行動”中，強(qiáng)調(diào)氣候變化也已并將進(jìn)一步導(dǎo)致包括全球變暖、全球海平面上升、地質(zhì)災(zāi)害等嚴(yán)重后果，同時呼吁“以堅定的政治意愿、通過增加投資和利用現(xiàn)有技術(shù)，將全球平均氣溫上升限制在比工業(yè)化前水平高出2℃以內(nèi)”。此外，目標(biāo)11“可持續(xù)發(fā)展的城市和社區(qū)”指出，到2050年，全人類的三分之二，即約65億人口將成為城市人口，這也為城市可持續(xù)發(fā)展提出了更高的要求。

基于上述愿景目標(biāo)，針對地球科學(xué)系統(tǒng)的前沿科學(xué)問題主要集中體現(xiàn)在：全球變化(如三極物質(zhì)平衡而引起的海平面變化)、極端氣候引起的地質(zhì)災(zāi)害(如凍土退化而引起的滑坡)，以及新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的城市病等方面。從測繪學(xué)科角度出發(fā)，為了解決上述問題，地球系統(tǒng)多尺度關(guān)鍵過程研究的必然趨勢是從數(shù)字化測繪走向智能化測繪。其中，空天信息實時智能處理[2]、大數(shù)據(jù)時代地球空間信息學(xué)[3]、智能時代的泛在測繪[4]、智能遙感衛(wèi)星與遙感影像實時服務(wù)[5]、地理空間信息網(wǎng)格、智能遙感影像分類[6]等方向?qū)⒁I(lǐng)智能化測繪的不斷發(fā)展和外延。

筆者認(rèn)為，基于智能化測繪的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和實時化的主要技術(shù)特點，地球系統(tǒng)多尺度關(guān)鍵過程的研究將進(jìn)入空-天-地多傳感器優(yōu)化組網(wǎng)、星地實時鏈接傳輸、信息智能自動處理的新業(yè)態(tài)，同時將結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，最大限度地發(fā)揮多學(xué)科交叉的大測繪科學(xué)優(yōu)勢，不斷深化地球系統(tǒng)科學(xué)研究，支撐聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的順利實現(xiàn)。本文將從智能化觀測和智能化處理兩方面總結(jié)多尺度下地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵過程的研究現(xiàn)狀，并就未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵過程

本文著重探討的地球系統(tǒng)研究關(guān)鍵區(qū)域，涵蓋三極及高亞洲山區(qū)，同時也包括了與人類活動息息相關(guān)的大型城市地下空間。2000年世界氣候研究計劃確立了“氣候與冰凍圈”核心計劃(WCRP-CLIC)，該計劃首次提出了“冰凍圈科學(xué)”(cryospheric sciences)，并成立了國際冰凍圈科學(xué)協(xié)會[7-8]。對全球氣候變化極為敏感的冰凍圈是指地球表層由凍結(jié)水所組成的圈層，包括固體冰(冰蓋、冰川、海冰、湖冰和河冰等)、雪(積雪、雪花和冰晶等)、凍土(高海拔凍土和海底多年凍土)等地球表層的冰凍部分，與其他圈層的相互作用非常活躍。冰凍圈主要分布在高海拔、高緯度地區(qū)，其核心區(qū)域為南極，北極和青藏高原。其中，青藏高原及其毗鄰地區(qū)也被稱為亞洲高山區(qū)。

20世紀(jì)70年代以來，全球氣溫持續(xù)增暖，全球海平面持續(xù)上升[9-10]。盡管IPCC報告已經(jīng)收集整理了來自全球各個研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，但在全球變化研究中，觀測仍存在數(shù)據(jù)不足的問題，并直接造成了對全球變化關(guān)鍵過程的認(rèn)識不足，主要涉及一系列重要的關(guān)鍵研究領(lǐng)域，如冰蓋冰川融化與全球海平面上升的耦合機(jī)制[11-13]、極地冰蓋深部結(jié)構(gòu)變化對海平面的影響[14-15]、南北極海冰變化與極端氣候[16-17]、凍土退化與地質(zhì)災(zāi)害[18-20]等科學(xué)問題。

同時，作為地球系統(tǒng)人居環(huán)境的重要載體之一，城市地下空間的重要戰(zhàn)略地位早在20世紀(jì)末、21世紀(jì)初就被國內(nèi)學(xué)者預(yù)見[21-22]。近年來，城市地下空間及地下基礎(chǔ)設(shè)施已成為我國新型城鎮(zhèn)化的重要拓展方向[23]，而在地球系統(tǒng)維度上，將地下環(huán)境、城市地下空間與地球系統(tǒng)多圈層研究相結(jié)合是走向人類與地球和諧發(fā)展的一種新體現(xiàn)[24]。如圖1所示，作為基礎(chǔ)技術(shù)手段，城市地下空間的測繪與規(guī)劃也正從數(shù)字化向智能化過渡[25-28]。

圖1 本文涉及的地球系統(tǒng)關(guān)鍵過程和典型區(qū)域

在地球系統(tǒng)中，冰凍圈對全球氣候變化響應(yīng)迅速，但其非線性演變過程仍難以被準(zhǔn)確預(yù)測。地球三極、全球高原山區(qū)和大型城市地下空間等關(guān)鍵區(qū)域的關(guān)鍵過程主要包括：南北極冰層加速融化導(dǎo)致全球海平面上升；極地冰蓋邊緣和冰架崩解和冰蓋底部融化加速導(dǎo)致冰蓋的不穩(wěn)定性增加；全球氣候變暖導(dǎo)致南北極海冰面積減少；全球凍土退化、山地冰川退化、熱熔湖面積擴(kuò)增等現(xiàn)象造成山地滑坡、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害；規(guī)范不合理的城市地下基礎(chǔ)設(shè)施工程致使城市發(fā)生城市道路塌陷、內(nèi)澇等災(zāi)害。目前，上述關(guān)鍵過程的探測大多采用了遙感觀測技術(shù)和地球物理勘探等手段，按照傳感器類型可分為可見光、熱紅外、微波、雷達(dá)、激光和重力等。同時，遙感觀測可以根據(jù)實際要求實現(xiàn)對極地環(huán)境變化和城市區(qū)域形變不同時間和空間多尺度下的動態(tài)監(jiān)測。需要指出的是，在冰凍圈關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵過程的觀測研究中，遙感技術(shù)的使用并不能完全取代實地觀測。因此，遙感數(shù)據(jù)與實地觀測數(shù)據(jù)的智能融合與同化，有助于實現(xiàn)上述觀測手段與技術(shù)從數(shù)字化向智能化的過渡。下文將針對上述主要關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵過程從智能觀測和智能處理兩方面做進(jìn)一步的梳理和總結(jié)。

2 智能化觀測

2.1 冰川融化與海平面上升

極地冰川對全球氣候變化非常敏感，觀測結(jié)果表明全球變暖導(dǎo)致冰蓋物質(zhì)流失、北極冰川范圍減少、厚度減薄和流速加快等。因此，加強(qiáng)對極地冰川變化過程的持續(xù)觀測能夠為全球變暖監(jiān)測提供有力數(shù)據(jù)支撐。冰川融化是目前僅次于海水熱膨脹之外，對全球海平面變化貢獻(xiàn)最大的因素。過去20年，格陵蘭和南極冰蓋一直在損失冰量，幾乎全球范圍內(nèi)的冰川均在持續(xù)退縮[30]。第5次IPCC評估報告中提到，近百年全球海平面已升高0.19 m，目前海平面升高速率還在繼續(xù)加快，預(yù)計到21世紀(jì)末有可能再升高0.18～0.59 m，這將導(dǎo)致一系列的社會和環(huán)境問題[29]。目前用于大范圍冰川物質(zhì)變化的定量研究主要采取的觀測技術(shù)手段有：衛(wèi)星測高法、重力測量法、分量法(也稱輸入輸出法)。另外，InSAR和高分辨率航空機(jī)載多源觀測技術(shù)也可用于提取冰蓋表面流場、表面形態(tài)異常信息及變化時間序列。

2.2 極地冰蓋穩(wěn)定性及底部結(jié)構(gòu)

在極地冰蓋穩(wěn)定性方面，定量評估未來海平面變化的最大不確定性是對極地冰蓋穩(wěn)定性和快速變化(季節(jié)內(nèi)、年際和年代際)動態(tài)過程的機(jī)制缺乏實際認(rèn)識[29]。為了監(jiān)測極地冰蓋穩(wěn)定性，需要重點關(guān)注冰蓋整體變化、冰架前緣和冰蓋底部，包括冰架崩解、接地線退縮、冰流增速、冰層減薄、冰面升降突變、冰面融水下浸，冰下湖泊活動和冰蓋底部滑動等具體過程。實現(xiàn)對極地冰蓋三維立體觀測需要結(jié)合中國極地冰蓋考察支撐平臺，在冰面采用探冰雷達(dá)、高精度DGPS、LiDAR、物質(zhì)平衡標(biāo)桿網(wǎng)陣和冰流網(wǎng)陣等技術(shù)手段，輔以機(jī)載InSAR、LiDAR、航空影像，對冰蓋表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和底部環(huán)境進(jìn)行綜合協(xié)同觀測；針對冰蓋快速變化(季節(jié)/年際尺度)的突變活動，對冰蓋表面、內(nèi)部和底部過程開展現(xiàn)場智能強(qiáng)化觀測，為數(shù)值模式模擬和遙感分析研究提供關(guān)鍵性數(shù)據(jù)資料。

目前，對極地冰蓋的系統(tǒng)性觀測仍存在不足，導(dǎo)致對其未來的穩(wěn)定性和變化過程預(yù)估存在較大的不確定性，迫切需要建立衛(wèi)星-航空-地面(科考站)集成的智能多源遙感/現(xiàn)場觀測體系(圖2)，實現(xiàn)對極地冰蓋整體和底部關(guān)鍵過程的系統(tǒng)性智能強(qiáng)化觀測。

圖2 冰蓋穩(wěn)定性及底部結(jié)構(gòu)多源遙感與現(xiàn)場觀測體系

2.3 南北極海冰變化與極端氣候

極地海冰是極地環(huán)境的重要組成部分，也是影響船舶航行安全和科學(xué)考察進(jìn)行的主要因素之一。針對南北極海冰長時間序列的持續(xù)觀測以及南北極海冰的聯(lián)動機(jī)制的探究，需要重點關(guān)注海冰密集度、范圍和面積、海冰厚度、海冰類型及海冰反照率等關(guān)鍵參數(shù)。北極海冰的減少既加劇了北極地區(qū)的增暖速率，還影響著中緯度地區(qū)的天氣情況[31]。受北極秋季海冰減少的影響，東亞和北極地區(qū)冬季氣溫呈蹺蹺板結(jié)構(gòu)，冬季極區(qū)冷空氣更容易入侵東亞，造成嚴(yán)寒等極端氣候，而夏季趨向變熱且夏季溫差變大，容易出現(xiàn)酷暑等極端天氣事件[32]。因此，傳統(tǒng)利用單一遙感數(shù)據(jù)的觀測手段已無法滿足對海冰全球聯(lián)動效應(yīng)的分析需求，需要協(xié)同衛(wèi)星測高、光學(xué)影像、主被動微波、航空測量(機(jī)載多傳感器)和地面觀測技術(shù)(如船測、浮標(biāo))，這將有利于構(gòu)建極地海冰空-天-地立體遙感監(jiān)測體系，如圖3所示，形成多源遙感數(shù)據(jù)處理的新理論和新方法，為研制南北極海冰關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)品提供多源多角度的海冰智能化觀測方案。

圖3 極地海冰空-天-地立體遙感監(jiān)測體系(底圖圖源：文獻(xiàn)[33])

2.4 凍土退化與地質(zhì)災(zāi)害

青藏高原區(qū)域的凍土是研究全球氣候變化的重要指標(biāo)之一。凍土的凍融循環(huán)和退化對生態(tài)環(huán)境和人類工程活動影響巨大，需要重點關(guān)注凍土凍結(jié)期縮短、凍土退化、凍土范圍減少與凍土厚度變薄等凍土對氣候變化的響應(yīng)過程。同時，地質(zhì)災(zāi)害的多尺度關(guān)鍵過程是智能化測繪的重要應(yīng)用場景[34]。傳統(tǒng)方法難以建立起完善的評價指標(biāo)體系，尤其缺乏系統(tǒng)完備的定量評價方法?；诙嘣催b感數(shù)據(jù)融合的智能觀測，可以提取與建立影響多年凍土和季節(jié)凍土的綜合影響因素和指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，基于多因素綜合分析，可以進(jìn)一步實現(xiàn)全球凍土空間分布識別和時空演變規(guī)律分析。例如，合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)可以有效反演青藏高原凍土區(qū)域地表形變，具有范圍大、精度高的高效性[18]。聯(lián)合光學(xué)遙感技術(shù)和InSAR形變監(jiān)測的智能處理技術(shù)可以探究湖泊急速擴(kuò)張與凍土退化潛在的因果聯(lián)系[19]。因此，在觀測手段上需要突破單源(單類)遙感數(shù)據(jù)對凍土分布分類識別的局限，發(fā)展多源遙感數(shù)據(jù)融合技術(shù)，協(xié)同利用多源遙感數(shù)據(jù)的互補(bǔ)優(yōu)勢，提高凍土空間分布識別精度。圖4為基于InSAR技術(shù)的凍土活動層反演思路與研究區(qū)域。

圖4 基于InSAR技術(shù)的凍土活動層反演思路與研究區(qū)域

2.5 地球系統(tǒng)下的宜居城市地下空間

在地球系統(tǒng)維度上，地下環(huán)境和城市地下空間作為人居環(huán)境的重要組成部分，與地球系統(tǒng)其他圈層存在重要連接，特別是地上人居環(huán)境日漸擁擠的21世紀(jì)，城市地下空間的研究日益重要。例如，在全球變暖、海平面上升、凍土退化等冰凍圈因子作用下，日益拓展的城市地下空間在規(guī)劃、勘測、建造、監(jiān)測和維護(hù)過程中該如何應(yīng)對，是人類必須在地球系統(tǒng)尺度上進(jìn)行思考的迫切問題。在城市地下空間從“數(shù)字化”走向“智能化”的過程中，地下空間的智能化測繪是數(shù)字化測繪的必然發(fā)展階段，也是規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維智能化地下空間的基礎(chǔ)。從地上到地下，在傳統(tǒng)地上測繪及衛(wèi)星遙感技術(shù)失效的情況下，地下空間的位置信息獲取及導(dǎo)航服務(wù)、地下工程(如隧道、峒室等)勘測、地下市政基礎(chǔ)設(shè)施(如地下管網(wǎng)、人防設(shè)施等)的探測與檢測、地下交通系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維等領(lǐng)域更多地依賴于各種面向復(fù)雜介質(zhì)的無損探測手段以及面向?qū)ο蟮膫鞲衅鳒y量與檢測，例如引入陀螺經(jīng)緯儀、射頻識別、地質(zhì)雷達(dá)、地下傳感器網(wǎng)絡(luò)等測量手段[35-39]，實現(xiàn)地下空間目標(biāo)體的精準(zhǔn)定位和狀態(tài)檢測。這是研究道路塌陷、城市內(nèi)澇等城市變化過程的重要數(shù)據(jù)來源，也是智能化監(jiān)測地下空間環(huán)境變化的重要手段之一。

圖5 城市地上-地下空間(http:∥www.tduk.org/)

3 智能處理

3.1 冰川融化與海平面上升

目前，對于極地冰層物質(zhì)變化關(guān)鍵過程的定量研究主要使用3大技術(shù)手段。①衛(wèi)星測高法，是通過星載激光高度計(如ICESat、ICESat-2)、雷達(dá)高度計(如Cryosat等)對同一區(qū)域進(jìn)行反復(fù)觀測，監(jiān)測得到地面高程變化，然后通過監(jiān)測區(qū)域面積和冰、雪密度進(jìn)行換算，最終得到區(qū)域質(zhì)量的變化量和變化率[40-44]。②重力測量(反演)法，是通過測量地球重力場時變信號獲取冰蓋質(zhì)量變化的方法。地球重力場的時變信號反映了地球各圈層物質(zhì)質(zhì)量的分布或遷移，針對冰凍圈而言，通過分離或改正其他圈層的影響可以獲取冰蓋的物質(zhì)質(zhì)量平衡。目前時變重力測量衛(wèi)星主要是GRACE和GRACE-FO衛(wèi)星[45]。③輸入輸出法(也稱分量法)，通過估算冰蓋全部的物質(zhì)輸入量和輸出量的差值，得到南極的質(zhì)量平衡[12]。文獻(xiàn)[46]通過RACMO(regional atmospheric climate model)模型得到的表面凈積累量，通過合成孔徑雷達(dá)計算出南極冰流速并推算出物質(zhì)輸出量，進(jìn)而通過輸入輸出法得到全南極的質(zhì)量變化。對比以上3種方法，衛(wèi)星測高法優(yōu)點是可以提供更高分辨率的觀測結(jié)果，但是在從高程變化轉(zhuǎn)換到質(zhì)量變化過程中，密冰雪度的選擇影響很大。重力測量的優(yōu)點在于直接獲取質(zhì)量變化，不用考慮換算的誤差，缺點在于結(jié)果分辨率低，受冰川均衡調(diào)整(glacial isostatic adjustment,GIA)的影響大。輸入輸出法優(yōu)點在于估計了物質(zhì)的來源和去處，缺點是物質(zhì)輸入是從模型計算得到的，誤差較大。上述3大技術(shù)均可在智能處理中獨立或結(jié)合運(yùn)用。

3.2 極地冰蓋穩(wěn)定性及底部結(jié)構(gòu)

冰蓋變化穩(wěn)定性關(guān)鍵過程的強(qiáng)化觀測、冰蓋底部過程診斷分析和冰蓋模式模擬等方法和技術(shù)，研究者可探討冰蓋快速變化的規(guī)律、物理過程和機(jī)制，闡述冰蓋變化穩(wěn)定性和底部結(jié)構(gòu)與過程。具體處理過程如圖6所示。

圖6 冰蓋穩(wěn)定性與底部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理

冰蓋穩(wěn)定性系統(tǒng)性觀測獲得的海量遙感和現(xiàn)場數(shù)據(jù)需要進(jìn)行智能數(shù)據(jù)處理，以監(jiān)測覆蓋冰蓋、冰架三維結(jié)構(gòu)的動態(tài)過程。如：冰蓋整體變化、冰架前緣和冰蓋底部，包括冰架崩解、接地線退縮、冰流增速、冰層減薄、冰面融水下浸、冰下湖泊活動等，并在此基礎(chǔ)上對這些關(guān)鍵過程進(jìn)行機(jī)理診斷。通過多基線D-InSAR技術(shù)對長時間序列的SAR影像可進(jìn)行反演處理，獲取冰蓋冰面地形、冰流速度和冰厚變化序列[11]；基于動態(tài)視差分解技術(shù)進(jìn)行歷史光學(xué)衛(wèi)星影像幾何處理，并進(jìn)行多源衛(wèi)星影像密集匹配反演長時序冰蓋表面冰流速度場[13,47]；基于重復(fù)軌、交叉點與格網(wǎng)分割算法的多源衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)智能處理新方法，可獲取冰蓋高程長時序變化序列[48]；基于極地冰蓋特殊困難環(huán)境下無人值守觀測站的北斗數(shù)據(jù)高精度、智能化處理方案，可建立并維護(hù)冰蓋強(qiáng)化觀測驗證基準(zhǔn)；基于大數(shù)據(jù)影像分析和人工智能(AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可開發(fā)多源衛(wèi)星影像和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)融合的冰蓋接地線、邊緣線智能提取與分析新方法，并分析其變化規(guī)律[15,49]；基于長時間序列的多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用智能影像解譯和變化檢測技術(shù)提取長時間序列的冰蓋/冰架特征線的幾何位置及其變化過程信息[14]；利用衛(wèi)星高度計(ERS-1/2,ICESat、CryoSat-2、ICESat-2等)和機(jī)載激光雷達(dá)，可得到冰蓋/冰架突變事件發(fā)生前后的高程變化量并進(jìn)行三維可視化[49]；基于機(jī)載冰雷達(dá)、星載被動微波等方法獲取的冰底數(shù)據(jù)并結(jié)合冰下環(huán)境(如熱通量、壓力、密度等)模型，可建立南極、格陵蘭冰下湖網(wǎng)時空模型，分析冰下結(jié)構(gòu)歷史變化，探究極地環(huán)境變遷。

3.3 南北極海冰變化與極端氣候

南北極海冰的變化監(jiān)測主要關(guān)注海冰的密集度類型、范圍、面積、厚度及反照率等重要參數(shù)。在海冰密集度產(chǎn)品的研制方面，微波遙感數(shù)據(jù)是重要的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源。利用主被動微波融合的方法，可研究混合統(tǒng)計分布特征、紋理特征、極化散射等特征提取方法，構(gòu)建包含場景語義關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)和推理方法，并通過線性回歸、動態(tài)規(guī)劃等線性/非線性迭代優(yōu)化策略獲得融合后海冰密集度估計結(jié)果。目前，該方法已成功研制出了空間分辨率為1 km，時間分辨率為1 d的海冰密集度產(chǎn)品[50-52]。

在海冰類型分類方法方面，雷達(dá)衛(wèi)星能夠提供可靠的遙感數(shù)據(jù)觀測源，文獻(xiàn)[52]利用直方圖閾值法、基于衛(wèi)星散射數(shù)據(jù)的Spreen模型法和強(qiáng)對比法等方法對雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，可識別一年海冰和多年海冰類型。在海冰范圍和面積產(chǎn)品的研制方面，智能化處理必須突破光學(xué)影像的云霧影響以及被動微波遙感影像的空間分辨率限制。文獻(xiàn)[53]利用被動微波遙感影像高時間分辨率的特點，在海量海冰影像數(shù)據(jù)的支持下，在深度學(xué)習(xí)等人工智能算法的框架下運(yùn)用了基于單影像和多影像的海冰被動微波影像超分網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了高分辨率海冰面積和范圍產(chǎn)品的研制，已獲得了分辨率優(yōu)于1 m的海冰面積和范圍產(chǎn)品，所研制的產(chǎn)品已在我國第11次北極科學(xué)考察中得到示范應(yīng)用。在海冰厚度產(chǎn)品的研制方面，利用Envisat、ICESat、CryoSat-2等多源衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)，突破了積雪深度改正、波形重構(gòu)、干舷高度提取等關(guān)鍵技術(shù)，已研制出近20年北極海冰厚度的月產(chǎn)品，并基于此獲得了一年冰、多年冰厚度的時空變化特征[54-55]。

在海冰反照率產(chǎn)品研制方面，智能化處理多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以獲取長時間序列空間信息豐富和高時空分辨率的反照率產(chǎn)品，例如聯(lián)合AVHRR衛(wèi)星可以填補(bǔ)極地云空下海冰反照率產(chǎn)品的缺失部分[50]。

3.4 凍土退化與地質(zhì)災(zāi)害

面向凍土退化與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵過程，凍土退化的智能化測繪同樣需要智能化的數(shù)據(jù)處理來分析與揭示凍土空間分布特征、時空演變規(guī)律和退化趨勢。需要基于時空大數(shù)據(jù)建立多因素指標(biāo)體系，采用針對大時空數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)方法(包括深度學(xué)習(xí)方法)，基于AI技術(shù)挖掘和擬合多因素綜合分析和凍土?xí)r空分布與演變特征之間的關(guān)系?；诙嘣催b感數(shù)據(jù)，可以融合長時間序列InSAR以及遙感變化檢測技術(shù)，分析凍土的時空演變規(guī)律和退化趨勢并計算退化速率[19]，凍土活動層反演技術(shù)路線如圖7所示。

圖7 凍土活動層反演技術(shù)路線

3.5 地球系統(tǒng)下的宜居城市地下空間

為了描述道路塌陷、城市內(nèi)澇等關(guān)鍵過程，需要對城市地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有準(zhǔn)確地獲取和分析。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通常包括地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、巖土工程數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)、地下建(構(gòu))筑物數(shù)據(jù)，具有鮮明的多源異構(gòu)特點。在數(shù)據(jù)處理流程上，需首先進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化[57]，建立面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理[57]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑信息模型(building information modeling,BIM)將地下空間數(shù)字化三維元素和多源探測及傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，輔助地下空間重要元素的時空分析處理、優(yōu)化設(shè)計及智能運(yùn)維管理[58]。隨著人工智能的不斷發(fā)展，城市地下空間信息的智能處理更多地依靠人與AI的交互合作。因此，基于城市智能信息模型(city intelligent model,CIM)的地下空間大數(shù)據(jù)平臺，將進(jìn)一步結(jié)合地下空間大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)[59]，推進(jìn)地下空間數(shù)據(jù)及關(guān)鍵參數(shù)的智能化處理[60-61]。

4 未來發(fā)展趨勢

以遙感技術(shù)、地球物理勘探技術(shù)為主的觀測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)冰凍圈宏觀、綜合、動態(tài)和快速的變化監(jiān)測，并結(jié)合建立的冰凍圈物理模型，可進(jìn)一步實現(xiàn)冰凍圈非線性變化監(jiān)測。這有助于深化冰凍圈領(lǐng)域融合研究，強(qiáng)化其與各圈層間相互作用過程的認(rèn)知，為全球動態(tài)變化監(jiān)測提供數(shù)據(jù)和模型支持，但也存在自身的局限性。例如衛(wèi)星遙感的時空分辨率、空譜分辨率仍無法兼得；冰凍圈遙感數(shù)據(jù)仍難以實地定標(biāo)、校準(zhǔn)與驗證；單一地球物理勘探技術(shù)尚無法獨立精確反映地下結(jié)構(gòu)，其圖像解譯復(fù)雜且仍較依賴人工判讀；現(xiàn)有地表觀測數(shù)據(jù)仍存在觀測網(wǎng)絡(luò)不健全、觀測主題各機(jī)構(gòu)不統(tǒng)一及觀測周期不連續(xù)等問題。針對上述實地數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的聯(lián)合使用，多源遙感數(shù)據(jù)融合、實地和遙感預(yù)測數(shù)據(jù)融合、實地和遙感數(shù)據(jù)與極地冰蓋動態(tài)模型的數(shù)據(jù)同化等問題，研究者亟須發(fā)展更加智能高效的處理分析方法。另外，在目前的模擬氣候模型中，冰凍圈相關(guān)的物理過程參數(shù)化方案仍采用了過多的簡易化處理，考慮的影響因素有限，難以準(zhǔn)確地動態(tài)描述氣候變化及其影響的物理機(jī)制，極大地制約了冰凍圈過程與全球和區(qū)域氣候模式耦合的準(zhǔn)確度。

因此，隨著智能化觀測與智能化處理技術(shù)的革新進(jìn)步，為了應(yīng)對日益緊迫的全球氣候變化，開展地球系統(tǒng)資源環(huán)境、生態(tài)狀況、人居環(huán)境調(diào)查，進(jìn)一步服務(wù)地球大科學(xué)系統(tǒng)研究，仍需要不斷推進(jìn)和健全以多圈層相互作用為關(guān)鍵區(qū)域的地球系統(tǒng)智能化綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；研發(fā)智能數(shù)據(jù)處理新方法，形成地球系統(tǒng)科學(xué)研究的數(shù)據(jù)產(chǎn)品系列，建立地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域的大數(shù)據(jù)中心；搭建地球系統(tǒng)關(guān)鍵過程智能化模擬與預(yù)報系統(tǒng)。

隨著地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域冰凍圈和城市地下空間測繪方式從數(shù)字化測繪向智能化測繪的演變，研究者需要實現(xiàn)對其關(guān)鍵過程的多尺度觀測、分析和預(yù)報，多尺度下地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域及關(guān)鍵過程的智能化測繪如圖8所示。多平臺、多傳感器和多功能的觀測手段將逐漸發(fā)展成為空天-陸基-地下/水下相結(jié)合的立體智能觀測網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)冰凍圈和城市地下空間的多源遙感立體觀測；多源觀測數(shù)據(jù)將催生大數(shù)據(jù)中心的建立，將高效完成觀測數(shù)據(jù)的收集、標(biāo)注、處理和共享下載。面向科研工作和實際生產(chǎn)需求的多源時空觀測數(shù)據(jù)集將促進(jìn)關(guān)鍵過程智能模擬預(yù)報系統(tǒng)的研發(fā)，通過與人工智能技術(shù)的結(jié)合，人們將能夠從時間和空間不同尺度上實現(xiàn)對冰凍圈和城市地下空間不同關(guān)鍵過程的智能預(yù)報。

圖8 多尺度下地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域及關(guān)鍵過程的智能化測繪

4.1 地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域智能化綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

以多圈層為例，針對地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域，我國“十三五”和“十四五”規(guī)劃都提出了新建南北極岸基觀測站和科考站建設(shè)計劃，以及極地機(jī)器人、破冰船等極地資源開發(fā)利用裝備和系統(tǒng)的研發(fā)計劃[62]。在智能化綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)方面，冰凍圈研究可以參考我國建設(shè)全球海洋立體觀(監(jiān))測系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)驗，研發(fā)覆蓋陸地、海洋和極地等不同類型關(guān)鍵區(qū)域的，更加綠色、智能、可持續(xù)發(fā)展的空天-陸基-水下一體綜合監(jiān)測系統(tǒng)[7]，實現(xiàn)對關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵過程、和關(guān)鍵要素的動態(tài)監(jiān)測。

在空天觀測領(lǐng)域，重點研發(fā)至少5種遙感協(xié)同觀測技術(shù)(光學(xué)、微波遙感、重力、激光、雷達(dá))和自主裝備，建立智能化綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，獲得南極冰架底部融化量及變化趨勢、認(rèn)識冰下湖網(wǎng)系統(tǒng)活動與潛在突變過程、精密確定海洋型冰蓋區(qū)域，以及今后10年與100年尺度大規(guī)模崩解事件可能性。聯(lián)合GPS、北斗等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提升極地區(qū)域定位精度，校正冰川均衡調(diào)整模型(glacial isostatic adjustment,GIA)精度，檢驗極地物質(zhì)平衡估算模型的準(zhǔn)確性[63]。在陸基和冰下觀測領(lǐng)域，重點研發(fā)智能化氣象站、凍土實地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、冰蓋內(nèi)部及底部電磁探測、冰下湖無人潛水器、設(shè)備能源自動化與信息智能傳輸技術(shù)[64]，實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測冰凍圈觀測點位氣候環(huán)境和關(guān)鍵要素。運(yùn)用三維可視化技術(shù)模擬反演凍土活動層的動態(tài)變化，揭示季節(jié)性凍土的凍融循環(huán)動態(tài)過程，進(jìn)一步探究多年凍土與季節(jié)性凍土的轉(zhuǎn)變與退化規(guī)律對區(qū)域氣候變化和地質(zhì)災(zāi)害的影響。在支持海冰遙感刻畫物理力學(xué)性質(zhì)的同時，加強(qiáng)海冰熱力動力過程以及海冰的全球聯(lián)動機(jī)制研究，也是南北極海冰變化與極端氣候必然的發(fā)展方向。面向宜居的人居環(huán)境，拓展智慧地下空間和地下物聯(lián)網(wǎng)將成為地球系統(tǒng)新的研究熱點。從智能化測繪的角度來講，這意味著構(gòu)建城市地下空間及地下基礎(chǔ)設(shè)施智能傳感器網(wǎng)絡(luò)[65-67]，通過對復(fù)雜介質(zhì)和地下空間關(guān)鍵參數(shù)(位置、物性等)的智能測量和感知，實現(xiàn)城市地下空間宜居化，實現(xiàn)與地球系統(tǒng)其他圈層關(guān)鍵過程的良性響應(yīng)和可持續(xù)發(fā)展。

4.2 地球系統(tǒng)關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)產(chǎn)品序列和區(qū)域大數(shù)據(jù)中心

多圈層科學(xué)數(shù)據(jù)主要包括科學(xué)考察產(chǎn)生的觀測、調(diào)查過程數(shù)據(jù)，測試分析的結(jié)果數(shù)據(jù)，以及區(qū)域長期定點監(jiān)測數(shù)據(jù)和遙感觀測數(shù)據(jù)等[68]。這些海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多元化、立體化、實時化的特點。智能化觀測技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了大數(shù)據(jù)智能化處理技術(shù)的發(fā)展。發(fā)展趨勢包括建立地球系統(tǒng)關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)產(chǎn)品序列，即智能化觀測和處理這些數(shù)據(jù)的主要載體，形成地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域大數(shù)據(jù)中心。同時，大數(shù)據(jù)的存儲與管理也成了面向新世紀(jì)地球系統(tǒng)關(guān)鍵區(qū)域研究中一個極其重要的研究領(lǐng)域。比如，目前國際上美國、英國、澳大利亞、德國和俄羅斯等國都建立了本國的極地科學(xué)數(shù)據(jù)庫，我國也建立了一系列的極地數(shù)據(jù)庫及共享系統(tǒng)。基于多個國家極地數(shù)據(jù)庫需要發(fā)展數(shù)據(jù)獲取與同化核心新技術(shù)(包括海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多平臺多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)、觀測-模式耦合技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和重要參數(shù)提取技術(shù)、數(shù)據(jù)同化技術(shù)等)，實現(xiàn)多圈層大數(shù)據(jù)云系統(tǒng)平臺搭建、服務(wù)和管理，填補(bǔ)觀測關(guān)鍵空白區(qū)域。同時，為長時間序列、高精度關(guān)鍵參數(shù)觀測與反演產(chǎn)品提供支持，對提高我國全球氣候預(yù)測精度、應(yīng)對全球變化具有關(guān)鍵的支撐作用。

4.3 地球系統(tǒng)關(guān)鍵過程智能化模擬與預(yù)報系統(tǒng)

地球系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)與發(fā)展，以及人工智能、超級計算機(jī)和量子計算的快速發(fā)展，呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉、高分辨率和精細(xì)化的鮮明特點。目前，全球和區(qū)域多圈層變化模擬模型物理過程仍比較粗糙，受整個氣候系統(tǒng)的5大圈層的各種過程所影響，還需要進(jìn)一步考慮與人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的深層次相互影響，特別是人居環(huán)境與冰凍圈關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵過程的遙相關(guān)和耦合效應(yīng)值得進(jìn)一步研究。例如，深入發(fā)掘氣候系統(tǒng)和冰凍圈相互作用的物理基礎(chǔ)與氣候變化響應(yīng)機(jī)制，發(fā)展多圈層變化和全球與區(qū)域氣候變化耦合模型，進(jìn)而科學(xué)定量地評價和預(yù)測全球氣候變化的影響。

5 結(jié) 論

隨著全球變化問題日趨凸顯，作為地球系統(tǒng)中對全球氣候變化最敏感的關(guān)鍵區(qū)域，多圈層相互作用的關(guān)鍵過程研究備受各國關(guān)注，將繼續(xù)作為21世紀(jì)的地球系統(tǒng)科學(xué)研究的核心課題之一。近年來，多尺度智能測繪技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸形成覆蓋陸地、海洋和極地、人居環(huán)境等不同類型區(qū)域綠色、智能、可持續(xù)發(fā)展的空天-陸基-地下/水下一體化監(jiān)測系統(tǒng)，為地球系統(tǒng)的研究提供了多元化、立體化、實時化的海量觀測數(shù)據(jù)，促進(jìn)了關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵過程大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)與發(fā)展。人工智能、超級計算機(jī)和量子計算快速發(fā)展，同樣推動著地球系統(tǒng)和全球氣候變化的定量耦合模擬研究快速發(fā)展。筆者認(rèn)為，地球系統(tǒng)多尺度關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵過程的進(jìn)一步研究應(yīng)當(dāng)更加系統(tǒng)地統(tǒng)籌智能化觀測和處理，構(gòu)建多平臺協(xié)同觀測、多源數(shù)據(jù)同化、多學(xué)科交叉，推進(jìn)有組織的綜合性研究。通過發(fā)射地球觀測衛(wèi)星，布設(shè)關(guān)鍵區(qū)域地面觀測網(wǎng)絡(luò)，開展面向地球系統(tǒng)的多圈層模式研究，以重點科研專項的形式布局我國地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展，探究全球變化對人類社會與人居環(huán)境的影響，更好地為實現(xiàn)全球社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。