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随着概念的演变和科学技术的发展，对地球系统的观测正在从看到地球的外观扩展到探测地球圈的内部。“透视地球”基于各种地球观测手段，对大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等地球空间的物理元素、内部结构及其演变过程进行了精细、全面的探测，使地球各圈更加“准确”、更深层次的信息已成为新一代对地观测技术发展的积极探索和重要方向。

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岩性结构和地下河展示透视观测 图片由作者提供。

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水下三维动力场/生物场/地形透视观察 图片由作者提供。

为什么要“透视”地球？

地球系统是一个复杂的巨大系统，由大气圈、生物圈、水圈（包括冰冻圈）和岩石圈组成。在地球系统科学理念不断演变、新技术加速发展的新时代，科学家们不再满足于只看到地球的外观，而是希望深入探索、分析和认识地球圈的内部。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。

但是，人类对地球本身的探测还是很初步的。世界主要国家已将地球圈内部探测纳入国家科学发展战略，以促进可持续发展，并竞相部署深度大、性能高的主动和被动探测载荷及相关应用研究计划。例如，自20世纪70年代以来，美国率先实施了“大陆反射地震探测计划”，美国国家科学基金会联合发起了“地球透镜计划”，美国地质调查局和美国国家航空航天局，澳大利亚提出了“玻璃地球”计划。中国还制定了一系列用于研究和实验地壳和地幔深度探测的技术方法，用于深度探测技术和实验研究。这些计划的实施加快了人类对地球深度的理解和理解，结合固体地球深度探测技术和设备系统的三维地质填充，但对地球系统各圈的精细探测和过程进化分析仍不够系统和深入。

对地观测技术作为对现代社会影响最大的技术之一，具有透明、立体、一体化、动态、精细化的发展特点。随着大数据、人工智能、物联网、云计算和机器学习等技术变化的加快，地球系统的三维检测、持续观测和智能监测不断深化。例如，美国国家航空航天局于2021年5月正式宣布了建立地球系统观测平台的计划；欧洲航天局发射了第一颗研究高层大气风的卫星“风神”，通过紫外线激光器准确检测从地球表面到平流层的风速和风向。近年来，我国在地面观测技术方面取得了重要进展，通过“高分”专项和国家民用空间基础设施建设，从全色、多光谱到高光谱，从光学到微波雷达整合地面观测系统，初步形成了高时间、高空间分辨率的宽观测能力。

总体而言，国内外地球观测系统规模较大，但现阶段获得的地球系统数据主要是平面的，难以满足当前地球系统科学研究和社会经济发展对高质量数据的需求。通过一系列新的“视角技术”获取更准确、更深入的信息，可以更全面、更深入地了解地球系统的运行机制，促进地球系统重大科学问题的突破，提高人类资源探测、预测极端天气事件和全球环境变化的能力。

“透视地球”是什么？

“透视地球”瞄准地球系统圈中“看不见”的内部信息感知，利用电磁、微波、激光、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，对地球空间的物理元素进行精细、全面的探测，如大气圈、水圈、生物圈、岩石圈等内部结构及其演变过程，基于天基、空基、陆基等观测平台，是新一代地球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本战略信息资源保障。

目前，人类对地球系统的探索正在发生重大转移，从表面到内部，从局部到整体。新时代的“地球系统”理论知识、方法和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新系统的渗透性和先进遥感技术。检测技术的观测维度从二维扩展到三维。检测通道涵盖紫外线到毫米波。通过天空-空地-海多基协调、多谱段耦合和多数据集成，获取多物理量的动态、三维和全息透视观测信息，促进新的地球系统科学知识，有望成为下一代地球观测技术系统的制高点。

针对大气、海洋、植被、固体地球观测等领域的任务和探测目标，从透视角度研究空间对地观测/探测的新原理、地球系统参数反演的新理论、定量应用的新方法，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，主要分为大气圈透视、森林透视、固定地球透视和海洋透视四个关键领域。

大气圈透视主要采用全谱段、主被动协调、星-机-地联合观测手段，实现大气中“气象-辐射-成分”关键元素的三维观测。

大气环透视主要采用全谱段、主动和被动协同、星机和地面相结合的观测方法，实现对大气中“气象辐射成分”关键元素的三维观测。目前，国际大气透视技术实现了在晴空和云雨条件下观测大气的全球性和高时空分辨率，为数值预测提供了大量可靠的观测信息。trmm-pr单频降水雷达已在国际上发射，cloudsat-cpr单频云廓线雷达采用双频降水雷达，中国在星载云和降雨透视探测雷达的开发和应用方面也发展迅速。然而，现有在轨雷达的频率较低，只对大型降水粒子敏感，难以同步获取准确的云垂直结构信息，不能为云和降雨演变过程机制的研究提供足够的精细观测数据，限制了云降雨研究的发展。

森林透视技术主要利用各种遥感技术获取森林的三维精细结构信息。目前，以碳循环和生态系统观测为主要观测目标之一，明确规划了激光雷达、合成孔径雷达和光学相结合的森林监测系统。森林遥感的前沿和难点是如何在复杂的地形条件下观察森林三维结构。综合利用多频雷达干扰、激光雷达和光学多角度三维观测，探索多维森林空间结构遥感探测机制模型，形成多波段综合森林空间结构遥感理论和方法，实现森林植被结构、森林组分和森林生化参数。

固体地球透视探测主要采用多场量、主被动协调、星空联合观测方案，获取重力、磁力、电磁等地球物理场，综合分析岩石圈的渗透性、深度和多场量特征，“揭开”地表覆盖层，研究和描绘地球内部的物理性质、岩性和结构特征，探测和识别地下目标体，实现地质结构三维数据采集，为解决人类社会生存和发展中至关重要的资源和环境问题提供出路。目前，我国在传统电磁设备技术和基于航空航天的地球物理探测设备技术方面，岩石圈内部参数的获取能力仍存在一定差距。未来，突破新的小型化、高灵敏度的地球物理核心传感器，开发深度、高效、高精度的固体地球透视技术系统，观察、分析和捕捉岩石圈频繁的地质活动和地质现象，实现地质结构三维数据采集具有重要的应用价值。

海洋遥感通常采用可见光-红外-微波等电磁波段对海洋表面进行遥感监测。如何综合利用遥感和水下现场观测，挖掘海水内部信息，从表面深度到次表面甚至中深水的透视探测，是国际海洋遥感发展的大趋势。中国海域辽阔，海洋资源丰富。迫切需要发展海洋内部观测技术，高精度描绘海洋生物量、海洋动力场、海底地形地貌、海底油气矿藏等各种水下环境，支持内波、涡旋、锋面、洋流、潮汐等海洋水下现象的高分辨率预测。中国海域辽阔，海洋资源丰富。迫切需要发展海洋内部观测技术，高精度描绘海洋生物量、海洋动力场、海底地形地貌、海底油气矿藏等各种水下环境，支持内波、涡旋、锋面、洋流、潮汐等海洋水下现象的高分辨率预测。

如何“透视地球”。

在地球系统科学理念不断深化和科技创新不断突破的背景下，关注地球系统各圈的内部探测，不断发展和创新地球观测技术已成为促进地球科学发展的核心驱动力。多频段雷达检测、多基线干扰雷达检测、磁性检测、重力检测、电磁检测、高频微波检测、主被动微波检测、激光检测、观测平台载荷集成能力和综合地球检测理论的发展，为地球系统多物理联合检测、相关建模和信息重构提供了理论和技术基础。

雷达降水探测技术。这是指根据接收的降水雷达回波强度，发射雷达信号，探测降水强度的三维空间分布结构。配备降水雷达的平台可分为地基、空基和星基。通过多频雷达组合，可以实现云和降水的协同观测，提供更精细的云和降水三维结构透视数据，有利于更清楚地了解云降水的演变过程，为提高降水预报提供支持。

航空重力探测技术。通过航空平台配备重力仪和定位传感器组合系统进行连续重力测量，获取地下目标体密度差引起的微重力异常信号。这些异常信号可以揭示地壳厚度的变化、断裂带的位置和延伸，并检测密度差异显著的隐伏岩体或岩层。新的航空重力矢量测量系统可以获取水平重力分量信息，进一步确定精细地质结构研究和高精度资源勘探的目标体形状方向。

电磁探测技术。航空电磁探测是一种利用航空平台配备电磁探测设备进行地下介质探测的技术。通过消除噪声，获得地下目标体引起的电磁场异常响应，从而建立地下由浅到深的电阻率透视模型。目前，航空电磁探测广泛应用于矿产勘探、油气资源评估、海洋地质调查、地下水勘探、工程地质与环境调查、海洋地形与极地海冰探测、军事与国防等领域。该技术在快速获取大规模地下信息和探测复杂地质条件下具有明显优势，对资源开发和环境保护具有重要的应用价值。

冷冻圈主被动微波探测技术。这是基于不同波长微波对冰川、积雪、冻土的穿透差异原理，基于星载或航空平台配备主动微波探冰雷达和被动微波辐射计，实现南极或山地冰川内部结构、温度/密度廓线、冰下基岩和水系统、积雪雪水当量、二次表面土壤含水量等关键参数的高分辨率透视探测。

海洋水剖面激光探测技术。激光作为一种高功率主动遥感器，是穿透水体最有效的探测方法之一。面向全球海洋的三个科学问题：跃层时空结构及其变化规律、初级生产力、碳循环和生命系统检测、海气能量和物质通量。利用蓝绿波段的强穿透能力，开展海洋剖面激光检测技术研究，突破海洋动力热剖面激光检测、上海海洋生物光学剖面检测、激光高光谱多波长偏振颗粒散射、海气界面复杂参数激光检测等关键技术，生物光学参数的三维探测和高精度反演有望在全球海洋100米深度内实现。

目前，中国研究人员依托国家重点研发计划“航空协作透视探测技术系统”、“透视地球集成与应用验证技术”项目，建立多载荷与航空平台矩阵关系，突破任务载荷集成设计与测试、多机协作任务建模与飞行控制技术，构建透视地球原型系统，航空透视探测系统集成了多谱特性耦合和多维数据协调。

云雨三维结构精细透视测试、景观规模森林生物量估算测试、戈壁沙漠覆盖区岩石和结构透视测试、岩溶地下河空间展示测试测试。。。为了评估地球原型系统的应用效率，研究人员依托中国科学院航天信息创新研究院建设和运营的新舟60航空遥感平台，以云雨结构、海洋动力和生物场、森林结构和岩石结构为透视目标，有/无人多平台和多载荷协作网络，建立全谱系、多波段“透视地球”空中实验室，选择典型示范区，考虑航空试验飞行和基础参考真实值测量条件，组织空基透视检测试验，建立技术体系可用性分析和效率评价指标体系，验证各圈透视目标的满意度。今年5月，项目团队将召开专题技术方案研讨会，深化透视探测综合验证方案，为岩溶区水资源规划和生态保护提供凯发k8官网下载客户端的技术支持。今年5月，项目团队将召开专题技术方案研讨会，深化透视探测综合验证方案，为岩溶区水资源规划和生态保护提供凯发k8官网下载客户端的技术支持。

“透视地球”是对地球观测技术新体系的尝试和探索，需要在关键技术、应用创新和发展路径上不断发展和完善。“透视地球”依托探测机制、先进载荷和数据应用的技术突破和加速变化，有望实现地球圈多物理量的动态、三维探测，生成全空间、高可信度的透视数据资源，引领新一代地球科学知识体系的发展，促进基础核心领域的前沿创新，为人类的生产和生活提供智能服务。