李志忠，衛(wèi)征，陳霄燕,*，王建華，劉拓，孫萍萍，韓海輝，李文明，趙君，賈俊

(1.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054；2.中國遙感應用協(xié)會，北京 100094；3.中國地質調查局西部綠色發(fā)展研究院，陜西 西安 710054；4.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101)

作為國家信息基礎設施在空間的延伸，對地觀測(遙感衛(wèi)星)系統(tǒng)是其重要組成部分，在提高自主對地觀測信息獲取能力，有力掌控空間信息資源主導權，及時把握全球經濟、資源、環(huán)境、社會發(fā)展態(tài)勢等方面發(fā)揮重要作用。該技術是解決全球氣候變化、糧食安全、資源能源安全、環(huán)境保護、大氣污染防治、防災減災等重大經濟社會問題的必要手段，同時在引領和驅動產業(yè)升級換代，催生新興產業(yè)增長方面具有不可替代的作用(趙文波等，2021)。

眾所周知，空間遙感的發(fā)展為人類提供了從多維和宏觀角度去認識宇宙世界的新方法與新手段；把地球作為一個完整的系統(tǒng)，來研究地球各圈層的空間結構及相互作用耦合關系；并通過遙感數(shù)據的定性定量分析，為解決地球的資源與環(huán)境等問題提供服務(趙英時，2003)。

1 對地觀測(遙感)技術與地球健康體檢含義及主要內容

全球人類活動的不斷加劇已逐步影響到地球的健康狀況。著眼于對地觀測技術發(fā)展，急需開展有效的地球健康診斷、評估與識別；充分利用并提升對地觀測體系的整體效能，獲悉地球健康狀態(tài)，對地球進行全面的體檢(王焰新，2020；李志忠等，2021)。

對地觀測體系為構建內涵完整的空間基礎設施確立關鍵基礎。首先，貫徹“五位一體”總體發(fā)展思路，在真值數(shù)據庫、政策與標準制定等方面加大建設力度，補足空間基礎設施體系設計方面的短板，形成空間基礎設施的遙感能力基本框架。其次，對地觀測體系沿用“高分專項”的“十要素”架構來開展頂層設計和工程建設；把握十類要素，做好頂層部署，實施戰(zhàn)略布局；借鑒“高分專項”三年論證、十年實施的寶貴經驗，合理反映體系效能型對地觀測體系的特色、特征；全面發(fā)力“建強空間信息產業(yè)鏈”，盡快消除從科技到產業(yè)的鴻溝。第三，對地觀測體系按照數(shù)據型譜來構建天地一體化的遙感衛(wèi)星骨干網。數(shù)據是連接應用系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)的紐帶，未來發(fā)展“圍繞數(shù)據說話”，合理體現(xiàn)數(shù)據在研究、論證、規(guī)劃、設計等環(huán)節(jié)的權重。革新當前以衛(wèi)星設計及研制為核心的規(guī)劃方式，瞄準數(shù)據、產品、服務等關鍵問題，以系統(tǒng)理念、體系思維通盤考慮，形成并運用好包括遙感需求分析統(tǒng)籌、體系效能優(yōu)化、載荷/衛(wèi)星可靠設計在內的完整論證框架(趙文波等，2021)。

1.1 譜遙感地球健康體檢含義

譜遙感技術是對地觀測技術的重要核心技術，綜合了地物波譜、地學圖譜、地表時空演化譜信息；因具有動態(tài)、快速、大范圍應用等特點，是監(jiān)測和分析資源、環(huán)境乃至生態(tài)狀況的最佳手段之一，可作為地球健康狀況檢測的核心技術(李志忠等，2021)。

“譜遙感地球健康體檢”即綜合運用衛(wèi)星遙感、航空遙感和地面站點、手持終端、巖心光譜掃描等多種監(jiān)測手段，基于數(shù)據挖掘、數(shù)據融合、數(shù)據協(xié)同和數(shù)據同化等關鍵技術，形成一整套“天空地”一體化的光譜探測裝備和數(shù)據處理系統(tǒng)，構建中國和全球重點區(qū)域監(jiān)測體系；用于研究危害人體健康的地表表層環(huán)境的形成條件、作用機理、分布特點、時空變化規(guī)律，進而可用于分析環(huán)境條件與元素余缺、人體狀態(tài)的關系，以及環(huán)境演化特點、方向和可變性；為人類科學開發(fā)資源、打造宜居、宜業(yè)環(huán)境和防控疾病、應對重大災害等提供依據。

1.2 譜遙感地球健康體檢的主要內容

1.2.1 明確譜遙感地球體檢的項目

依據地球關鍵帶理論，地球關鍵帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤圈及其與大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈物質遷移和能量交換的交匯區(qū)域，也是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的關鍵區(qū)域，因此土壤、大氣、生物、水體以及巖石將是地球體檢的重點。

利用譜遙感獲取數(shù)據覆蓋廣、速度快、光譜連續(xù)且蘊藏信息豐富的優(yōu)勢，可以開展土地覆蓋調查、土地利用精細識別、農田作物品種分類與病蟲害監(jiān)測、林地與草地健康診斷；河道水體富營養(yǎng)化監(jiān)測、湖泊水質污染研究；礦山生態(tài)恢復、森林采伐監(jiān)測、草地退化監(jiān)測；大城市溫室氣體排放監(jiān)測、植被“碳匯”精準評估、中等城市土地利用變化監(jiān)測、集鎮(zhèn)聚落信息提取等各項“體檢”項目(李志忠等，2021)。

1.2.2 確定譜遙感地球體檢各項目的參考值——健康地球的光譜譜系

為了能更好地重建健康地物光譜，提高健康地物光譜重建精度并對其真實性進行評價，需要建設一個具有國際先進水平、長期穩(wěn)定可靠、開放的國家級光譜遙感幾何和輻射定標及綜合試驗場。要通過真實性檢驗場網等基礎設施，采集全球典型地區(qū)及典型地物的特征光譜作為“真值”，并建立相應的特征光譜庫和樣本庫，從而形成健康地球的光譜圖庫。

1.2.3 建立地球健康體檢的技術標準體系

土壤、大氣、水體等和生態(tài)環(huán)境對全球環(huán)境具有重大影響。利用構建的地球健康指標光譜分析系統(tǒng)，結合地球健康檢查指標體系，可對全球典型地區(qū)的土壤養(yǎng)分、物化特性、生產力質量和水環(huán)境、大氣環(huán)境、礦山環(huán)境等進行分析與評價。按照綜合標準化研究的方法,構建一套應用于大氣圈、土壤圈及水圈等生態(tài)環(huán)境的天-空-地地球健康體檢綜合標準體系的框架(圖1)。

圖1 健康遙感診斷指標體系構建技術路線圖(以土壤土地部分為例)

1.3 譜遙感地球健康體檢與健康地學

1.3.1 健康地學內涵

健康地學屬環(huán)境地球科學領域，是地學、環(huán)境學、生態(tài)學、醫(yī)學等多門類交叉學科，主要研究自然環(huán)境與人類健康領域的關鍵科學問題。人是地球生物圈的一分子，與巖石圈、水圈、大氣圈和其他生物種群共同構成了地球生態(tài)系統(tǒng)。人類健康也往往有著地域特征，與氣候、地質條件等地理學背景密切相關。因此，通過研究環(huán)境中各種元素的來源、聚集、運移，從地質角度尋找解決的技術方法，從而達到土壤或特定地質資源的健康利益產出最大化和有毒有害物質污染及人類暴露最小化；并以此為人體健康、土地規(guī)劃、產業(yè)布局、經濟建設提供數(shù)據和技術支撐(曹春香，2013；王焰新，2020)。

1.3.2 譜遙感地球健康體檢與健康地學關系

譜遙感地球健康體檢技術是健康地學的重要內容，主要使用先進技術手段開展區(qū)域乃至全球的重大自然變化監(jiān)測，具有很高的動態(tài)性和時效性，可以為健康地學提供重要基礎數(shù)據，是健康地學研究的重要手段和工具。

1.3.3 地球健康體檢在健康地學的應用

(1)土地健康監(jiān)測。土壤中各類生物所需元素含量差異很大，其對作物和牧草中元素的含量有直接的影響。由于生物圈的流動性，長期攝入作物及水中異常元素會造成地方病高發(fā)區(qū)元素缺乏與過剩的現(xiàn)狀，影響人體健康。

根據地球健康體檢的技術標準體系，基于無人機高光譜遙感技術與土壤地球化學調查技術協(xié)同進行土壤水分、有機碳、土壤鹽漬化、荒漠化監(jiān)測、重金屬及農藥污染等監(jiān)測評估(汪大明等，2018；套培峰等，2020；李志忠等，2021；王建華等，2021)，查明土壤地球化學元素異常分布區(qū)域，構建關聯(lián)模型，實現(xiàn)廣域范圍的宜居土壤等級評價，為人體健康、土地規(guī)劃、產業(yè)布局、經濟建設提供數(shù)據和技術支撐。

(2)流域性水體健康監(jiān)測。流域性水體污染會導致水體的物理特征、化學特征發(fā)生不良變化，破壞水中固有的生態(tài)環(huán)境，造成水質惡化的現(xiàn)象，從而危害人體健康。傳統(tǒng)地面水體污染監(jiān)測技術受數(shù)據采集方式的限制，難以在數(shù)據時效性和覆蓋范圍上滿足廣泛范圍水質監(jiān)測要求?；谧V遙感的地球健康體檢技術，通過分析水體光譜特性并建立水質參數(shù)(泥沙含量、葉綠素濃度等)反演算法，從而實現(xiàn)各項水質參數(shù)動態(tài)監(jiān)測(祝令亞，2006；劉彥君等，2019)。

(3)大氣污染環(huán)境健康監(jiān)測。城市區(qū)域大氣污染(顆粒物PM2.5、溫室氣體等)形勢嚴峻,影響民眾的日常生活和身心健康。基于星載高光譜等遙感技術全球覆蓋的特點，在獲取SO2和NO2等主要污染氣體和CO2、CH4等溫室氣體分子的吸收帶和吸收系數(shù)精確測量數(shù)據的基礎上,可利用相應波段的高光譜數(shù)據對其進行定量反演，實現(xiàn)溫室氣體排放點源及排放量檢測、大氣污染物的空間分布監(jiān)測及發(fā)展態(tài)勢(沈煥鋒等，2019；趙冉等，2021)。以甲烷為例，其在100年尺度下全球增溫潛勢為CO2的28倍，基于譜遙感技術的溫室氣體的高精準監(jiān)測，在實現(xiàn)區(qū)域大氣污染環(huán)境動態(tài)健康監(jiān)測和預報的同時，也為實現(xiàn)“碳中和”提供精細化數(shù)據支撐(Irakulis-Loitxate I et al.，2021)。

(4)地質體結構和地質災害探測。受極端天氣、地震和人類活動等多重因素疊加的影響，滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷等地質災害頻發(fā)，威脅人民群眾的生命財產安全。通過地質體結構和地質災害的探測及監(jiān)測，可以掌握災害體變形動態(tài)，分析其穩(wěn)定性，超前做出預測、預報，防止災難發(fā)生。可采用多頻段、多參數(shù)的天-空-地一體化觀測技術，充分運用高分辨率光學影像、航空影像、衛(wèi)星 InSAR、高光譜影像及LiDAR等高精度大范圍對地觀測手段，與地球物理探測、地面常規(guī)探測和觀測手段有機結合，有效判讀地質災害孕災背景、災害特征、變形速率及發(fā)展趨勢等信息，為地質災害識別、監(jiān)測、防治、評價及突發(fā)地質災害應急處置等提供決策依據(許強，2019；許強，2020；李志忠等，2021)，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

2 新型對地觀測(衛(wèi)星遙感)技術進展

2.1 遙感數(shù)據源不斷改善

目前，對地觀測(遙感衛(wèi)星)數(shù)據應用種類繁多，遙感科技已顯現(xiàn)出高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的“三高”新特征，不但可以被動接收地物反射的自然光，還可以接收地物發(fā)射的長波紅外輻射，并能夠利用合成孔徑雷達和激光雷達主動發(fā)射電磁波，實現(xiàn)全天候對地觀測(張兵，2017)。

(1)高空間分辨率對地觀測?！翱臻g分辨率指遙感圖像上能夠詳細區(qū)分的最小單元的尺寸或大?。豢臻g分辨率越高，遙感圖像包含的地物形態(tài)信息就越豐富。高空間分辨率對地觀測技術可滿足細節(jié)管理要求，用于自然資源、農業(yè)、生態(tài)、軍事等領域的精細信息獲取。國際上除常用Landsat/TM-30 m、SPOT-2.5～20 m和Landsat/ETM(全色波段)-15 m等多光譜數(shù)據外，應用較廣的高空間分辨率遙感數(shù)據以美國的 WorldView(2007—2016)系列遙感衛(wèi)星-0.3～0.5 m、GeoEye(2008)-0.5 m數(shù)據為代表，能夠提供亞米級分辨率的高清晰地面圖像(李勁東等，2018)。隨著中國空間技術的快速發(fā)展，2014年發(fā)射的高分2號衛(wèi)星(GF-2)全色譜段星下點空間分辨率達到0.8 m，邁入了亞米級時代(方臣等，2019)(表1)。

表1 主要高空間分辨率遙感數(shù)據及其參數(shù)表

(2)高光譜分辨率對地觀測。高光譜遙感器成像光譜儀可獲取連續(xù)幾十個甚至幾百個光譜通道的地物輻射信息，取得地物空間圖像，同時獲取每個像元包含地物診斷性光譜特征的連續(xù)光譜曲線(Goetz A F H et al.2009；張兵，2016，2017)，因此具有“圖譜合一”的特性，使地物目標的屬性信息探測能力有所增強。目前，常用的高光譜分辨率遙感數(shù)據光譜范圍為 350～2 500 nm，覆蓋可見光、近紅外、短波紅外光譜；高光譜傳感器主要分為星載和機載(方臣 等，2019)(表2)。2018年發(fā)射的高分五號作為國際上首臺寬譜、寬幅星載高光譜成像載荷，突破了寬譜、寬幅、低畸變、高靈敏度高光譜成像關鍵技術，將像質和畸變提升到了國際最好水平(Liu Y N，2019；劉銀年，2021)。2021年中國先后成功發(fā)射高分五號02星及5 m光學02星(資源一號02E)，其中5 m光學02星將與前序衛(wèi)星組網，構建高分、資源2個序列對地觀測星座，全面提升中國大氣、水體、陸地的高光譜觀測及自然資源定量化調查監(jiān)測能力；支撐及時掌控自然資源數(shù)量、質量、生態(tài)狀況及變化趨勢；滿足在環(huán)境綜合監(jiān)測等方面的迫切需求，助力美麗中國建設。

表2 主要高光譜分辨率遙感數(shù)據及其參數(shù)表

(3)高時間分辨率對地觀測。依據觀測對象自然歷史演變和社會生產過程，在實際應用中需根據研究對象采用不同時間分辨率遙感數(shù)據(陳玲，2019)。高時間分辨率遙感衛(wèi)星多數(shù)為氣象衛(wèi)星，第三代TIROS-N/NOAA系列(1978年至今)為最具代表性的美國三代氣象觀測衛(wèi)星之一。中國氣象衛(wèi)星自1988年已成功發(fā)射風云一號、二號、三號、四號共15顆。目前，中國發(fā)射的高分四號衛(wèi)星時間分辨率可達min級,空間分辨率為50 m，使獲取目標區(qū)域的動態(tài)變化過程數(shù)據成為可能(張兵，2017)。

(4)合成孔徑雷達對地觀測。合成孔徑雷達(SAR)遙感屬于微波遙感范疇，波段范圍(1～1 000 mm)，具有全天候晝夜工作能力，不易受氣象條件和日照水平的影響；在地質災害、地面沉降、海洋預報、礦產勘查、軍事應用等領域具有很高的實用價值。目前，常用的SAR衛(wèi)星見表3(方臣等，2019)。中國首顆C頻段全極化合成孔徑雷達衛(wèi)星高分三號01、02、03星分別與于2016年8月、2021年11月、2022年4月成功發(fā)射，三星將組網運行，實現(xiàn)1 m分辨率、1天重訪，大幅提升我國雷達衛(wèi)星海陸觀測能力。

表3 常用SAR數(shù)據及其參數(shù)表

2.2 不斷深化對地觀測(衛(wèi)星遙感)技術應用

自20世紀70年代中后期，對地觀測技術應用已涉及許多領域。目前，已發(fā)展進入了“精致為用”能力的新階段，新型探測手段不斷涌現(xiàn)，人工智能(AI)、大數(shù)據、云計算等前沿技術與遙感技術深度融合，已在國土資源調查、環(huán)境監(jiān)測、防災減災、城鄉(xiāng)規(guī)劃、農作物估產、軍事偵察與打擊等方面得到廣泛應用(趙文波等，2021)。近年來全球環(huán)境變化研究已成為國際社會關注的焦點(沈強，2010；Ipcc，2018；Uufccc，2020)?？萍疾?021年12月在京發(fā)布《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測2021年度報告》，聚焦于“全球陸域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢”、“全球典型湖泊生態(tài)環(huán)境狀況”、“歐亞大陸草原生態(tài)狀況”和“全球大宗糧油作物生產與糧食安全形勢”4個專題。陸地生態(tài)監(jiān)測方面，中國利用遙感衛(wèi)星數(shù)據己在全國范圍內開展多次土地資源監(jiān)測調查工作(朱明等，2019)。早在2000～2002年，國家環(huán)境保護總局先后組織開展中國西部和中東部地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀遙感調查(高吉喜 等，2020)；專家學者利用遙感、GIS技術方法分析土地利用和景觀格局時空變化特征及生態(tài)效益評估等(劉軍會 等，2008；Wursthorn S et al.，2011；徐涵秋，2013；Gómez-Calvet AR et al.，2015；Mercedes B et al.，2017；強建華，2021)。土地質量監(jiān)測方面，專家學者基于土壤光譜特征，進行土壤物質成分識別和定量反演、土地質量綜合評價、土壤類型劃分和制圖等方面研究分析(王建華等，2021)。2018年，中國地質調查局在黑龍江省海倫地區(qū)開展航空高光譜遙感土壤調查，反演影響土地質量的養(yǎng)分、有益元素及有害元素含量，對黑土地質量進行了綜合評價(戴慧敏等，2020；劉國棟等，2020；王建華等2020)。典型湖泊生態(tài)監(jiān)測方面，學者利用 MODIS、CHRIS、HJ-1衛(wèi)星等數(shù)據對內陸湖泊開展了水華、水質、富營養(yǎng)化等遙感監(jiān)測(吳傳慶，2008；馬榮華 等，2009；朱利等，2013)。大氣環(huán)境監(jiān)測方面，利用氣象衛(wèi)星數(shù)據分析區(qū)域NO2、CH4等溫室氣體時空變化特征，構建AOT等反演模型等方法，實現(xiàn)區(qū)域大氣環(huán)境污染動態(tài)監(jiān)測(劉文清等，2018；韓威宏，2020)。在農業(yè)方面，國內外學者通過無監(jiān)督模式(聚類分析、自組織神經網絡等)、有監(jiān)督模式(Fisher判別、SVM、ANN等)及半監(jiān)督模式等進行作物識別(Zheng Q et al.，2018)，并開展作物長勢監(jiān)測、作物災害監(jiān)測及作物產量估測等工作(朱少龍等，2019)。

隨著對地觀測技術的不斷更新發(fā)展，在高光譜成像技術上將進一步提升，探測波段進一步拓寬，新型分光方式也不斷提出。以星載熒光超高光譜探測技術為例，若實現(xiàn)該技術的突破，將會提高葉綠素熒光監(jiān)測、溫室氣體污染的有效動態(tài)監(jiān)測和預報精度及效率，更利于地球健康環(huán)境監(jiān)測，為全球植被“碳匯”精準評估，碳中和目標的早日實現(xiàn)提供技術支持。未來將于2035年建成新一代體系效能型對地觀測體系為目標。以體系效能型公共服務新理念為導向，以滿足應急需求為底線思維，支撐建設內涵完整的國家民用空間基礎設施；形成由創(chuàng)新鏈、產品鏈、供給鏈、服務鏈、價值鏈、政策鏈和人才鏈構成的空間信息產業(yè)鏈全鏈條發(fā)展格局；實現(xiàn)衛(wèi)星工程向衛(wèi)星應用工程轉型升級、衛(wèi)星應用服務體系與服務能力現(xiàn)代化、衛(wèi)星應用由業(yè)務服務型向體系效能型的重大跨越(趙文波等，2021)?？蛇x擇有較強應用推廣前景的典型地區(qū),與地方區(qū)域開展應用集成研究，建立地方性遙感綜合監(jiān)測系統(tǒng)，提高對重大問題的預見和處理能力，也是對地觀測技術應用不斷深化的重點方向(衛(wèi)征，2020)。

3 基于對地觀測的地球健康體檢關鍵技術

3.1 高精度小型化光譜傳感器的研發(fā)

對地觀測(遙感)技術通過運用傳感器/遙感器對物體實現(xiàn)目標和非接觸目標地物電磁波的輻射、反射特性信息的獲取。基于傳統(tǒng)的大型航天、航空多/高光譜傳感器，雖然可以實現(xiàn)大面積同步觀測且時效性強，獲取信息受條件限制少，但是也具有體積質量大、數(shù)據獲取成本較高、數(shù)據精細程度不足等缺點。因此，需加強便攜式高精度小型光譜傳感器的研發(fā)，更好的滿足便攜和實時性高精度檢測要求。高精度小型化光譜傳感器便于手持、或易于輕小型無人機等航空器的搭載，結合其對起飛環(huán)境要求低，實時性好，低空成像等優(yōu)點，以便實時、精準獲取地物光譜特性,是航天、有人機、地面高光譜遙感的有效補充。

3.2 地球健康光譜監(jiān)測網絡建設

為有力支持地球體檢工作，綜合運用衛(wèi)星遙感監(jiān)測、航空遙感監(jiān)測和地面站點監(jiān)測等手段；基于數(shù)據挖掘、數(shù)據融合、數(shù)據協(xié)同和數(shù)據同化等關鍵技術，形成一整套“天-空-地”一體化探測裝備和數(shù)據處理系統(tǒng)，并通過云服務和計算資源保障等實現(xiàn)對地球健康實時監(jiān)測。

3.2.1 地基地球健康光譜監(jiān)測網絡

地基遙感監(jiān)測平臺一般搭建于地表或地面以下，可以通過化學分析或光譜測量監(jiān)測多種土壤、大氣等參數(shù)(陶培峰等，2020)。結合全球相關站點和中國真實性檢驗場網及生態(tài)考察站網，如農/牧/林/草業(yè)科技站網、國家或行業(yè)野外監(jiān)測站網、水文/驗潮站等，構建便攜式地面遙感設備建設等遙感平臺網與地面監(jiān)測眼。同時，可依據區(qū)域特點，按不同密度布設不同范圍的地面監(jiān)測物聯(lián)網，包括地表及地下各類傳感器的布設(聯(lián)網葉面積指數(shù)—LAINet傳感器、多功能植被指數(shù)—VINet傳感器、土壤溫濕度—SoilNet傳感器、聯(lián)網物候相機—PhotoNet傳感器、聯(lián)網光譜儀—SpectralNet傳感器等)及地表氣象站點、全自動太陽光度計等儀器的搭建，可實現(xiàn)地物高光譜信息的聯(lián)網自動觀測及土壤溫濕度、地表植被、太陽和天空輻射亮度、氣候降水、蒸散發(fā)等參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測，以生成地表與大氣環(huán)境的地基地球健康光譜監(jiān)測網絡。

3.2.2 空基地球健康光譜監(jiān)測網絡

采用空-天同步，利用航空、航天器搭載傳感器，可在全球及區(qū)域尺度上反映觀測對象的宏觀分布狀態(tài)。通過譜遙感衛(wèi)星星座組網建設，航空、輕小型無人機遙感建設，聯(lián)合國內外相關優(yōu)勢技術力量，構建空基地球健康光譜監(jiān)測網絡。

以航天遙感為主，結合航空和地面遙感手段，形成長期穩(wěn)定運行的“天-空-地”監(jiān)測體系。通過搭建物聯(lián)網平臺，采用北斗、移動通訊、ZigBee無線組網技術進行通訊和數(shù)據傳輸，形成協(xié)同觀測、技術交流、資料交換、數(shù)據共享、設施聯(lián)網及開發(fā)利用等合作機制，實現(xiàn)對地球健康長期穩(wěn)定、全面可靠、精準實時的有效監(jiān)測(李志忠等，2021)。

3.3 地球健康遙感監(jiān)測與評價技術

3.3.1 面向地球健康狀況的特征光譜重建與評價

利用高光譜遙感數(shù)據進行地物特征光譜重建與評價，將傳感器記錄的DN值轉化為地物的本征光譜。除了常規(guī)的波段匹配與校正、壞線修復、幾何與輻射校正、噪聲去除、遙感器定標等處理外，更重要的是進行圖像光譜真實性評價，即利用健康地球的光譜圖庫對處理后形成的圖像光譜進行比對，評價其失真度，并進行修正(李志忠等，2021)。

3.3.2 地球生態(tài)健康信息提取與分析

基于遙感技術的各地球生態(tài)健康指標監(jiān)測及信息特征提取，可通過遙感影像分類和特征參數(shù)定量反演等來實現(xiàn)。遙感影像分類方法主要有傳統(tǒng)算法，其包括指數(shù)法、監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類，對野外實測數(shù)據和先驗知識具有較強的依賴性；新型算法：主要包括面向對象、神經網絡、決策樹、專家系統(tǒng)分類、隨機森林、支持向量機和卷積神經網絡分類等，對樣本質量和人工智能技術有較強的依賴性，可結合各站點實地采集數(shù)據，進行信息提取，生成數(shù)據集，進行后續(xù)分析(李志忠等，2022)。

3.3.3 地球健康診斷及評價體系構建

基于獲取的地球體檢遙感參數(shù)數(shù)據信息，構建地球健康評價體系，并進行綜合診斷評估分析。針對全球環(huán)境具有重大影響的土壤和生態(tài)環(huán)境，利用構建的地球健康指標光譜分析系統(tǒng)，對全球典型地區(qū)的土壤養(yǎng)分、物化特性、生產力質量和水環(huán)境、大氣環(huán)境、礦山環(huán)境、林草/濕地、荒漠化/沙化、污染狀況等，結合地球健康檢查指標體系進行分析與綜合診斷評價。

3.4 地球健康體檢數(shù)據共享

3.4.1 地球健康遙感診斷數(shù)據集成存儲

構建地球健康遙感數(shù)據框架，建立地球健康遙感數(shù)據標準及規(guī)范，可依據元數(shù)據集、基礎地理數(shù)據集、社會經濟數(shù)據集、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據集、遙感數(shù)據集及知識庫數(shù)據集(曹春香，2013)等分類進行集成存儲，形成地球健康遙感診斷數(shù)據庫。

3.4.2 地球健康遙感診斷數(shù)據共享云服務

構建地球健康遙感診斷數(shù)據共享云平臺?；谠萍軜?、大數(shù)據、分布式存儲、分布式計算和人工智能等技術研發(fā)，支持遙感數(shù)據云管理、云處理、云服務，實現(xiàn)數(shù)據云可視化、共享化。

4 地球健康體檢科學計劃與區(qū)域示范

4.1 “譜遙感”地球健康體檢——科學計劃

土地乃萬物之母，土壤健康狀況可以通過食物直接影響到人類健康。隨著現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展，高投入產出模式帶來了耕地質量退化、污染物累積等諸多問題(曾希柏，2021)。2021年11月，歐盟委員會發(fā)布《2030年土壤戰(zhàn)略》，提出了包括荒漠化防治、退化土地土壤和富碳土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復等2030年中期目標，以及到2050年完全適應氣候變化影響的長期目標。中國第三次土壤普查已獲得農業(yè)農村部等相關部門批準，計劃于2022年—2024年實施。

在此背景下，開展土地健康體檢，查明土壤健康水平，及時改良和修復顯得尤為重要；需開展多圈層、多尺度、多角度、多探測介質的地球健康全面體檢，不斷拓展自然資源調查監(jiān)測新體系的探索與創(chuàng)建，實時掌握地球健康水平狀況，從而更好地支撐地質文化村、現(xiàn)代農業(yè)富硒產業(yè)園、國家公園等建設，有效服務于健康中國和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。

為實現(xiàn)宜居地球目標，開展如下“譜遙感”地球健康體檢計劃：①地球健康評價體系構建及初步試驗。從土壤、水、大氣和生態(tài)環(huán)境健康監(jiān)測出發(fā)，構建地球健康評價要素與評價指標體系；建立典型區(qū)地球健康特征光譜庫和樣本庫，并開展“星-空-地”一體化遙感調查與評價。②明確體檢項目，確定健康地球的光譜譜系，完善地球健康高光譜評價技術體系，推動申報“健康地球重大國際計劃”。③研發(fā)譜遙感儀器，并建設地球健康光譜監(jiān)測網絡及應用示范基地。

4.2 地球健康體檢示范——黃河上中游區(qū)域

黃河流域是中國重要的生態(tài)屏障和重要的經濟地帶，黃河源頭三江源是中國重要的生態(tài)安全屏障。由于黃河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失等問題突出，亟待系統(tǒng)開展黃河中上游地球健康監(jiān)測工作。重點圍繞土壤、山體關鍵帶的綜合監(jiān)測需求，充分利用航天、航空、地面高光譜遙感及地球化學調查等技術，以“土壤質量+生態(tài)環(huán)境”為核心，開展面向地球健康狀況的高光譜數(shù)據光譜重建與評價，完成土地健康監(jiān)測及地質災害監(jiān)測。

4.2.1 土地健康監(jiān)測服務鄉(xiāng)村振興

據黃河中上游地區(qū)土地調查與健康監(jiān)測，區(qū)內98.23%的土地無重金屬污染風險，適宜綠色農業(yè)發(fā)展。因礦山開采、人為活動和地質背景等原因，在白銀、銅川、蘭州、西安、拉脊山等地存在不同程度的點狀污染。區(qū)內一等優(yōu)質土壤1 221.15萬畝，占比 18.91%，土壤養(yǎng)分以N元素缺乏為主；圈定綠色富硒土地 1 304.89 萬畝(Se含量≥ 0.3 mg/kg)，為黃河中上游糧食安全、特色產業(yè)發(fā)展奠定了基礎(李志忠等，2021)。

選取甘肅白銀市為典型區(qū)，區(qū)內因礦山開采造成土地污染嚴重，為實現(xiàn)區(qū)內土壤生態(tài)風險的長期動態(tài)監(jiān)測，應用衛(wèi)星高光譜技術開展了區(qū)內土壤重金屬反演；構建了Pb、As、Cd的多光譜預測模型。在此基礎上，依據《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-2018)，開展了四龍鎮(zhèn)土壤環(huán)境質量評價；結果表明，Pb、As、Cd元素含量都在一定程度上超標，其中Cd元素超標比較嚴重；高重金屬含量在區(qū)域范圍內沒有呈現(xiàn)聚集特征，而是分散分布于區(qū)內的不同位置(李志忠等，2021)。

4.2.2 地質災害監(jiān)測服務村鎮(zhèn)建設

在黃河中上游地區(qū)采用各類數(shù)據源的遙感影像開展了不同精度的地質災害解譯與識別。遙感解譯過程中，綜合考慮形狀、大小、顏色、紋理、位置及與周邊地物的位置關系，基于斯波特五號衛(wèi)星(SPOT-5)或資源三號衛(wèi)星(ZY-3)數(shù)據開展地質災害與環(huán)境地質條件解譯，確定地質災害種類(圖 2)，劃分重點調查區(qū)和一般調查區(qū)；基于快鳥(QuickBird)或艾科諾斯(IKONOS)衛(wèi)星數(shù)據開展精細化解譯，服務重點區(qū)域 1∶1萬高精度地質災害調查。綜合遙感解譯、現(xiàn)場核查與調查結果，表明黃河中上游共發(fā)育有滑坡、崩塌、泥石流等地質災害20 504處。其中，滑坡10 517處，崩塌5 768處，泥石流4 579處(圖3)。在此基礎上，利用數(shù)字高程模型(DEM)進行坡度、坡高、坡向等信息提取，識別危險坡段；結合地形地貌、地層巖性、斷裂、地震、降雨和人類工程活動等信息，開展地質災害易發(fā)性區(qū)劃或風險評價(李志忠等，2021)。

圖3 黃河中上游地質災害分布圖

4.3 地球健康體檢示范——全球黑土關鍵帶天空地一體化遙感調查與監(jiān)測

全球黑土地主要發(fā)育在中緯度地區(qū)，由于其富含有機質，土壤肥沃，是世界糧食安全的重要保障地區(qū)，也是全球和全人類共同的資源。經過多年高強度開墾，使得黑土地面臨著很嚴重的退化問題。例如，土壤侵蝕、鹽堿化等，也有部分黑土地由于工業(yè)活動受到污染。因此，全球黑土地資源亟需搶救性的調查和監(jiān)測，明確保護方法，做好可持續(xù)的土地利用規(guī)劃。在全球黑土關鍵帶(建三江、拜泉、海倫等多地)進行了衛(wèi)星、航空、地面高光譜、地球化學分析準同步數(shù)據采集，構建了土壤質量航空高光譜綜合評價模型，開展了地物特征光譜重建與評價工作，實現(xiàn)全球黑土關鍵帶遙感調查與健康監(jiān)測(王建華等，2021)。

4.3.1 黑土地富硒監(jiān)測

土壤光譜的吸收特征對有機質、黏土礦物、鐵鋁氧化物均具有較好的反映。因此，可通過間接法尋找Se光譜特征波段。應用高光譜短波紅外航空光譜成像儀(SASI)資料，根據K、Se、黏土礦物之間的相關性及其光譜特征，通過逐步回歸模型對黑龍江省建三江創(chuàng)業(yè)農場中黑土的 K、Se及黏土礦物含量進行了預測。結果表明，利用黏土礦物光譜反演，結合實際地球化學分析結果可準確預測土壤中Se含量(圖4)。與傳統(tǒng)地球化學圖像預測相比，該方法具有更高的預測精度(李志忠等，2021)。

圖4 黑龍江省建三江創(chuàng)業(yè)農場土壤硒含量分布圖

4.3.2 黑土地微量金屬元素探測

以海倫市農田黑土土壤為研究對象，利用111個土壤樣本的地球化學測試數(shù)據和地面高光譜數(shù)據，探索土壤重金屬與氧化鐵的吸附賦存關系；構建基于氧化鐵反演的土壤重金屬間接反演模型，對重金屬含量模型反演輸出值與重金屬實測值進行擬合比對(圖5)，探討微量重金屬間接定量反演模型的可行性和準確性(王建華等，2021)。

圖5 重金屬 As、Zn、Cd含量擬合曲線模型及預測結果精度評價圖

5 地球健康體檢展望

5.1 構建內涵完整的對地觀測遙感衛(wèi)星骨干網

構建內涵完整的日常觀測和應急觀測骨干網，沿用“高分專項”模式構建日常觀測網，以應急思維為底線構建應急觀測網；在高、中、低軌道上部署適度數(shù)量的數(shù)據型譜；與海洋、大氣觀測等衛(wèi)星系統(tǒng)結合，同步部署天地匹配的測控數(shù)傳工具網、應用系統(tǒng)、軟環(huán)境系統(tǒng)，形成“五位一體”的遙感衛(wèi)星應用工程(趙文波等，2021)。

5.2 譜遙感探測新技術探索

隨著對地觀測技術的發(fā)展，譜遙感技術為地球健康監(jiān)測、可持續(xù)發(fā)展、經濟社會及國防安全做出巨大貢獻。但是，目前的高光譜遙感技術還存在數(shù)據冗余大、不能在軌同時調整、信息處理和服務時效性等有待提升之處(孟凡春，2020)，仍需不斷進行譜遙感新技術的探索應用。加強微弱光及靜止軌道高光譜成像技術探索，可在“分鐘”級內進行重復觀測，大幅縮短重訪周期，捕獲快速變化的地物目標及其演變過程,實現(xiàn)全天候復雜背景下地物目標的大范圍連續(xù)動態(tài)識別、監(jiān)測和分類；加強星載超高光譜超高精度熒光光譜獲取載荷、高精度熒光反演的熒光超光譜探測研究；通過熒光即時精準掌握植被光合作用，實現(xiàn)葉綠素熒光高靈敏度、大范圍動態(tài)探測，為全球碳匯精準評估和“碳中和”目標的實現(xiàn)提供數(shù)據支撐；加強星載譜遙感載荷的輕量化、集成化、系統(tǒng)化建設及遙感數(shù)據的智能化自動化處理技術研究(劉銀年，2021)，進一步滿足環(huán)境、減災、農業(yè)、林業(yè)、海洋、資源和氣象等領域高光譜遙感的快速精細化需求，發(fā)揮其更大的價值。

5.3 加強譜遙感技術與多學科融合進行地球體檢

長期以來,以高光譜為代表的定量遙感應用一直面臨將地質學、遙感學、生態(tài)學、土壤學、氣象學等學科與技術研究有效融合的困境。傳統(tǒng)意義上的跨學科研究并不能從根本上實現(xiàn)這種融合。實際工作中研究經費的各自獲取,學術視野、專業(yè)知識、研究范式等差異,使得不同學科之間缺乏有效的學科標準與統(tǒng)一話語體系。未來譜遙感技術地球體檢不僅要充分利用“天-空-地”一體化技術,分層次部署開展長時間序列、大面積動態(tài)監(jiān)測,以及重點區(qū)生物、巖石、森林、土壤和水資源等專項模型構建與監(jiān)測；還需把不同學科背景的學者組織起來形成團隊,圍繞同一科學目標,在工作層面實現(xiàn)真正的協(xié)同和融合。多學科融合的顯著成效已在很多領域有所體現(xiàn)，例如,日本、智利、美國等國因地震而死亡人數(shù)大幅度減少,與地質學家、建筑師、社會科學家和政府官員的密切合作分不開,這種合作不但改進了地震，風險評估圖的質量,還改進了預估強震提高了建筑抗震性能和與此有關的建筑標準。

5.4 提升遙感技術的 “云+端”智能服務

基于“天-空-地”一體化的遙感綜合觀測技術，可在全球范圍內開展多圈層、多尺度、多角度、多探測介質的一體化監(jiān)測與評估。由于豐富多樣的遙感數(shù)據資源，如多光譜、高光譜、合成孔徑雷達、LiDAR等多源海量數(shù)據不便統(tǒng)一管理、處理、分析、發(fā)布與實時共享服務，因此需提升遙感技術的“云+端”智能服務，構建遙感智能服務云平臺；基于云架構、大數(shù)據、分布式存儲、分布式計算、人工智能等技術研發(fā)，支持遙感數(shù)據云管理、云處理、云服務；在形成協(xié)同觀測、技術交流、數(shù)據共享、設施聯(lián)網等智能云平臺的同時，還需積極推動便攜式高光譜遙感終端發(fā)展，形成消費電子級、輕小型、高性價比的手持高光譜儀，尤其是智能手機的高光譜儀器化，并通過云服務和計算資源保障等實現(xiàn)對地球健康實時監(jiān)測。利用“云+端”模式打破信息“壁壘”(趙文波等，2021)，顯著提升信息獲取、處理、傳輸、分發(fā)效率將是未來空間綜合信息智能服務的基礎。

5.5 搭建國際網絡與大科學云平臺

未來可通過構建對地觀測數(shù)據國家開放云平臺架構，通過網絡建成公有云及私有云的大科學云平臺，即存儲計算和網絡，以此來實現(xiàn)對地觀測遙感數(shù)據的國際和國內開放。要建設一個現(xiàn)代化國家、科技、科學為主的對地觀測數(shù)據國際開放云平臺，給全世界和國內的高等院校、科研院所提供用戶服務且有益于科研合作共贏。建設國際網絡及大科學云平臺需具備良好基礎設施、計算能力、傳輸網絡、數(shù)據中臺等良好條件，以足夠應對對地觀測海量數(shù)據的接收、存儲、分析、傳輸、上傳等使用。同時建設國際網絡與大科學云平臺既要有政策支持，也需符合現(xiàn)實需求。開展對地觀測數(shù)據存儲，處理研究，構建集觀測、研究、存算于一體的對地觀測數(shù)據服務生態(tài)和服務體系。