卫星与网络
郭华东，中国科学院遥感与数字地球研究所所长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，全国政协委员。长期从事遥感科学与应用研究，在雷达遥感信息机理、多模式遥感信息地物识别方法、空间信息前沿技术研究等方面取得了系统性成就：系统揭示雷达电磁波与典型地物的相互作用机理，建立了无植被沙丘几何散射模型，证实了长波段雷达对干沙的穿透性，揭示了熔岩的去极化机理与植被的多极化响应现象，是一位国际知名的雷达遥感学者；他致力于发展国家对地观测体系，提出开拓“波段、振幅、极化、相位”电磁波“资源”学术思路，推动发展了我国新型对地观测系统；研究提出多波段平台遥感信息处理与识别方法，为自然灾害和矿产资源宏观环境监测与探测等做出了重要贡献；提出数字地球理论框架和概念模型，主持研制完成“数字地球原型系统”，被国际同行认为是具有“里程碑意义的贡献”，合作创建国际数字地球学会，创刊《国际数字地球学报》，推动了全球性数字地球的发展。
卫星，根据发射目的的不同，可以分为应用卫星和科学卫星。其中应用卫星的发射目的是供实际业务应用，直接服务于经济建设和社会发展，比如我国的资源卫星、环境卫星、气象卫星、海洋卫星等等。而科学卫星则往往是为了科学探测和研究，比如利用卫星来观测全球变化科学现象。作为全国政协委员，郭院士基于自己的专业方向和对环境问题的重视，通过他任首席科学家的973 项目的研究，提出由六颗卫星组成的全球变化系列科学卫星，这些卫星分别是大气碳卫星、森林生物量卫星、夜间光卫星、气溶胶卫星、冰川卫星、海洋盐度卫星。
记者：全球变化卫星主要用于监测地球的变化吗？
郭华东：对，主要用于监测地球大尺度的全球变化现象。比如现在大家都非常关注的雾霾现象，我们可以利用全球变化卫星监测雾霾。一旦出现雾霾现象，可以通过卫星监测数据来深入了解整个分布范围、演变趋势、发源地和雾霾本身的厚度等一系列信息。当然，雾霾是一个很复杂的现象，现在大家都在从不同的角度去研究、治理雾霾。那么全球变化卫星在其中所起到的作用更多的是进行宏观观测，发现科学问题，分析科学规律、提出相关建议，提供给政府决策，为治理提供依据。
记者：您是怎样产生全球变化科学卫星的这个想法的呢？
郭华东：2007年起，意识到全球变化对人类的挑战，认识到对地观测卫星对监测全球变化是有效的。全球变化正在改变着世界的环境，如气候变暖、冰川退化、极端天气等，对人类的生存和发展形成严峻挑战。虽然地球上空已经布置了一张规模宏大的对地观测网，但是真正的全球变化科学卫星并不多。在全球已经发射的200余颗对地观测卫星中，全球变化科学卫星约25颗，在轨运行的约13颗。虽然我国发射了一系列遥感卫星，但是主要为行业卫星，还没有运行的面向全球变化研究的科学卫星。
中国是影响全球变化及受其影响严重的国家之一，具有围绕碳循环、水循环、能量循环等的空间观测需求。要想在全球变化研究和应用中发挥大国应有的作用，就必须尽快发展我国的全球变化科学卫星。
当然，全球变化是一个复杂的系统，具有长周期、大尺度的时空演变特点。卫星对地观测技术在全球变化研究中具有宏观、动态、快速、准确探测等多种独特优势，已经成为观测全球变化现象的关键技术手段。虽然现有的对地观测系统难以保证数据的连续性和真实性，但是毕竟已经构成了对陆地、海洋、大气等各个层面的立体观测体系，为全球变化研究提供了丰富的数据资料。
记者：对地观测除了观测环境变化之外，还能发挥什么作用呢？
郭华东：对地观测卫星在经济建设、社会发展和国家安全多个方面都可以发挥很大的作用，这要从我们生活的环境谈起。一方面，连续、高强度的人类活动导致地球可能在水资源、能源、荒漠化、海洋生态系统、陆地海岸带等多个方面出现问题，再加上自然灾害的挑战。要监测资源与环境变化，监测自然灾害，使用对地观测技术是一种科学的选择。另一方面，要保障制空权、制海权、制天权等等国家权利，需要对地观测技术的保障，这是维护国家安全的需要。
一句话，利用空间观测获取丰富的地球基础数据，开展在灾害、能源、气候、农业等相关领域的应用，维持人类的可持续发展，凸显对地观测技术的作用。
记者：您能否为我们简单介绍一下，对地观测技术的发展历程，特别是我国的空间对地观测呢？
郭华东：1962年第一届国际环境遥感大会在美国密西根州召开，会议上“遥感”一词首次被国际科技界正式使用，标志着遥感的诞生，也揭开了人类利用遥感技术从空间观测地球的序幕。从1962年至今，全球发射了320多颗对地观测卫星，涵盖对大气、海洋、陆地等地球系统的全面观测。目前，超过二十个国家拥有自己的对地观测卫星。
五十多年来，卫星携带的传感器由起始的光学相机发展出了多种多样的类型。如今全球用于对地观测的传感器数量多达两百余台，空间对地观测形成了以成像光谱技术、成像雷达技术和激光雷达技术为代表的先进对地观测技术体系。人们可以利用空间对地观测技术获取大气、海洋和陆地的高精度、高时空分辨率观测数据。
这些年来，我们国家对地观测技术在飞速发展，形成了气象卫星、海洋卫星、资源卫星、环境卫星、遥感小卫星和科学试验卫星等构成的空间对地观测系统，利用这些平台装载一些有效载荷对地球进行观测，是对地观测大国。以气象卫星为例，我国从1988年开始发射“风云”气象系列卫星，目前已经形成静止轨道和极轨气象卫星观测体系。有了这个体系，我们可以看到每半个小时云图的连续变化，从而提高了气象预报的能力。
作为一个开放的国度，我们不仅发展具有自主知识产权的对地观测系统，也接收来自美国、法国、加拿大等国际先进数据。目前我国的遥感卫星地面站能够接收10余颗卫星数据，保存着1986年以来各类卫星数据300多万景，是国际接收处理分发卫星数据最多的地面站之一。
记者：您刚刚提到，成像光谱技术、成像雷达技术和激光雷达技术是对地观测中的三项前沿技术，能否请您为我们简单介绍一下这三项技术呢？
郭华东：成像光谱、成像雷达技术和激光雷达技术确是对地观测三大前沿技术。地球表面各种物体的光谱特性不一样，所以测量光谱可以分辨不同的物体。成像光谱的概念是光谱和图像合一，也就是获取一个成像光谱图像的时候，里面包含了光谱信息，可以进行定量分析。比如地球上有许多不同的岩石，石灰岩和白云岩只看表面差异不大，但是从物质构成而言，白云岩中含有镁离子，而石灰岩中没有。如果我们用卫星或者飞机对地面进行观测的话，成像光谱技术就可以区分这两种岩石。也就是说，成像光谱可以从高空直接识别地表物质成分。
成像雷达的特点是既可以在好的天气条件下成像，也可以在阴雨天成像，既可以在白天成像，也可以在晚上成像，而且对某些地物具有穿透作用，能够刻画地表的几何特点，很前沿。我们曾经在陕西—宁夏一带做过一项明、隋长城雷达遥感的工作。在那儿，长城坍塌后被沙漠掩埋，在表面什么都看不到。但是我们利用成像雷达可以穿透干燥沙漠的能力，观测到干沙覆盖写的古长城。激光雷达可以更精细地测量地物的几何形状和特性。这三大前沿技术组合起来可以对地球实施全球、全天候的高空间分辨率、高光谱分辨率的高精度成像。
记者：我国的卫星对地观测未来会走向何方呢？
郭华东：未来十年将是我国卫星对地观测发展最快的十年，我国的卫星对地观测体系将在国际形成最有特点、最密集的体系。以发射为例，截止到2020年之前，我国将发射将近100颗卫星。今年已经是2014年，短短六七年的时间，要发射那么多卫星，有遥感卫星，有导航卫星，有通信卫星，种类繁多。
目前我国的对地观测体系已经形成，应用方式多种多样。比如每天晚上7点半，许多人都会准时收看天气预报，这就是气象卫星融入大众生活的直接体现。未来在国民经济的若干领域，包括农业、海洋、环境、灾害、城市等领域，都要有卫星进行观测。
我国的国土面积大，又是发展中国家，环境问题、资源问题不容小觑。卫星遥感为认识问题、解决问题提供了很好的手段。所以将来，我们一方面要发展面向应用的卫星，另一方面也要发展类似我前面提到的“全球变化科学卫星”等科学卫星。
国际数字地球学会，由中国科学院联合该领域国内外机构、学者发起，2006年5月正式成立。每两年召开一次国际数字地球会议，一次数字地球高峰会议。2009年学会被地球观测组织（GEO）吸收成为正式成员。由国际数字地球学会主办的国际性学术刊物——《国际数字地球学报》，于2008年3月创刊，是数字地球领域第一个国际同行评审的专业学术期刊。2009年，学报被收录为SCI检索刊物并首获影响因子，2010年影响因子升至1.453，在全球23种遥感类期刊中影响因子排名第7位。
记者：“数字地球”这个概念，是1998年由美国副总统戈尔提出的。但是国际学术组织国际数字地球学会的诞生，总部地点没有设在美国，而是设在了中国，这是为什么呢？
郭华东：衡量一个国家的科学发展水平有很多指标，其中之一就是有没有重要的国际组织，能否召开高水平的国际会议。全球有两千多个国际学术组织，总部设在中国的寥寥无几。我国科学家看到了数字地球发展的历史机遇，在政府的支持下，于2006年发起成立了国际数字地球学会这个国际组织，迄今学会已组织在全球十余个国家召开过八次会议和六次峰会。这个学会的官方学术刊物《国际数字地球学报》也在中国诞生人。这些都足以证明，我国在数字地球领域的国际发言权。
记者：那么，数字地球到底是什么呢？
郭华东：十五年前我接受采访，曾经讲过，数字地球就是把地球装进计算机。如今技术水平发展日新月异，再看我当年的结论，依然还是有道理的。但数字地球自提出到现在，已经发展了十五年，在大数据时代背景下，我想从大数据角度谈一下新的观点。
现在，数字地球可以被称之为是“大地球数据”。虽然读起来拗口，但实际上有它独特的内涵。大数据，绝对不仅仅是指海量数据及其传输、处理和存储等，重要的是数据密集型的，要从海量的数据中寻找科学知识，从数据中直接得到科学发现。
记者：数字地球的发展已经走过了十五年的历程。在这十五年间，数字地球的发展有哪些里程碑呢？
郭华东：第一个里程碑肯定是1998年戈尔的报告《数字地球：认识21世纪我们所居住的地球》，首次提出了数字地球概念。
1999年，中科院联合19个部门和组织主办了首届数字地球国际会议，来自20个国家的500多名代表齐聚北京。会议发表了《北京宣言》，在千禧年来临之前，提出了人类和地球面临的种种严峻挑战，而数字地球有利于帮助人们应对这些挑战的观点。
10年之后的2009年，国际数字地球系列会议再一次回到北京，会议通过了《2009数字地球北京宣言》，不仅肯定了过去十年数字地球在全球取得的成就，也再次呼吁缩小数字鸿沟，加强信息共享，以发挥数字地球更大的作用。
记者：过去十五年，数字地球得到了公众的一致认可，并且伴随技术水平的提高高速发展着。未来十五年，数字地球的发展将会呈现出怎样一种状态呢？
郭华东：许多经典的学科，像是数学、物理、化学等等，都是发展了上百年才有了成熟的学科体系。所以我认为，数字地球的建设一定不能着急。
未来十五年，地球面临的挑战只会更多，不会更少。因此数字地球将会继续为全球可持续发展提供有效的技术支撑。三年前我们12个国家的科学家一起，撰写了一篇《新一代数字地球》的文章，发表在《美国国家科学院院刊》上。其中有这样一个观点，技术水平越高，实践化程度也会越高，人们反而更容易看得见、摸得着。未来，借助物联网、云计算、互联网、移动互联网、大数据等关键技术和理论，公众不仅将成为数字地球的受益者，更将成为数字地球的实现者。科学造福人类，并不是一句空话。
（原文刊登于《卫星与网络》杂志2014年3月）
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