§2.4 地球观测系统与数字地球

我们已经认识到对地全面观测离不开卫星。全球定位系统（GPS）是通过围绕地球的多颗卫星实现对地球全面的点定位和测量。GPS全球定位系统的特点是以多颗卫星进行高轨道、高频率测时-测距。它的实施由空间卫星星座系统、地面监控系统和用户设备组成。特点是全球覆盖，全天候，连续实时，高精度三维导航与定位。它是被动式的，抗干扰性能好，保密性强。

GPS系统最早是在1958年美国海军导航卫星系统的基础上发展起来的。当时有6颗卫星，轨道高度在1100km，载波频率在150/400 MHz。1973年开始研制“授时与测距导航系统”。1993年基本建成24颗卫星，6个轨道平面，高度20200km，载波频率1227.60/1575.42 MHz。图2.4.1是一个名副其实的全球卫星定位系统卫星群分布。它由24颗卫星分布在6个轨道平面上，每个平面上有4颗卫星组成。卫星在20200km 的高空，以55°的偏角运行。到1998年实际的运行卫星常常多于24颗。目前GPS在商业卫星导航、普通汽车驾驶导航上都发挥了积极的作用。全球定位系统气象参数探测（GPS/MET）技术也在发展中。它是利用GPS卫星信号电波穿过大气层时受到的折射及延迟来反演推算大气温度、湿度和气压等参数，是近年来发展的一种全新的大气空间遥感探测技术，具有极大的实用潜力。

GPS在气象探测上的优势是，能够对对流层中高层—平流层温度进行垂直探测、水汽垂直分布探测，垂直分辨率高，平流层的分辨率可达1.5km，对流层的分辨率达到200～500 m。它不受气溶胶、云和降水的影响，不需要用探空资料作初始场，经济可靠，稳定性强。但也有其局限性，如，水平分辨率差，低对流层精度差。

GPS卫星每天有500次升降过程，利用电磁波在大气中由于折射率变化而改变的传播方向和时间差，可以反演温度、水汽垂直分布，也可得到电离层电子浓度的垂直分布。图2.4.2是GPS卫星用于气象探测的示意图。

图2.4.3和图2.4.4分别给出了北京2001年6月7日到8月10日和上海1997年7月31日到8月21日GPS水汽观测与常规观测的对比。两种方法对天气过程中的水汽变化观测是比较一致的，系统性的差异不明显。存在的差异可能来自高空点和时间的偏移。

目前人们使用的是美国免费提供的GPS服务。由于美国军方发展早，掌握着最尖端的技术。欧盟15国在2002年3月26日决定正式启动独立于美国GPS的欧洲“伽利略”导航卫星系统计划。伽利略计划的主要内容是在距地20000km的轨道上部署30颗卫星，为欧洲和世界民事用户提供各类导航定位服务。

最庞大的地球观测系统是美国于1991年启动的。它是一个地球行星使命（mission to planet earth, MTPE）计划，其核心是研制先进的，以地球环境观测为主的地球观测卫星系列，即地球观测系统（EOS）。任务是要获得综合的地球系统数据集，供全球和区域环境、气候变化分析和模式输入使用。

地球观测系统（EOS）主要由极轨环境卫星系统组成，包括：上午轨道卫星（EOS-AM系列），下午轨道卫星（EOS-PM 系列）和大气化学观测卫星（EOS-CHEM）等三个主要系列。EOS卫星系统的强大在于它的先进的仪器系统，每颗EOS卫星根据轨道和观测目的的不同，配置不同的遥感仪器系统，这些仪器都是目前世界上最先进，精度高，大部分是新型的遥感仪器。

EOS-AM1于1999年12月18日成功发射，卫星发射成功后命名为Terra，是拉丁文“地球母亲”的意思。Terra卫星参数包括标称轨道高度在705km，与太阳同步，10:30过赤道时间（降轨）以取得最好光照条件并最大限度减少云的影响，98.2°轨道倾角。Terra卫星仪器配置中有分辨率成像光谱仪（MODIS）,36个波段从250 m～1km的分辨率，1～2天内可覆盖全球；多角度成像光谱辐射计（MISR），立体图像有9个观察角；先进的热发射和反射辐射计（ASTER），高分辨率立体多谱图像分辨率从15～90 m；对流层污染监测仪（MOPITT）可对全球的CH4和CO2进行监测；云和地球辐射能量系统（CERES）可测量地球的短波、长波和净能量收支。

美国的观测目标分三步。短期目标在1999—2002年期间搭配好EOS观测平台，对所有关键的地球系统相互作用进行观测，试探研究的关键过程；中期目标在2003～2010年，使用现存的和新的探测手段来模拟地球过程，从选择性的测量走向业务化系统；长期目标从2010年逐步开展气候预测。

在中期目标中，它的任务包括下列几个方面：对生态和全球碳循环的研究，即要研究陆地和海洋生态系统是如何变化并影响生物量和全球碳循环的；在全球水-能量循环上，要研究的问题是大气和水文过程是怎样产生严重的天气、形成洪涝以及与水资源相关的气候变化的；在气候变化和变率上，研究集中在变化机制的认识，以及对模式和预测的认识。大气化学上要研究的问题是，是否平流层O3的恢复能够作为Montreal协议的结果？长距离的输送是否能够导致全球对流层污染？对固体地球和自然灾害，能否认识地球内部的动力学并用这些知识来为自然灾害，像火山和地震的发生做些准备？

长期目标中，要回答的问题是，地球环境变化是怎样的？对人类文明会产生什么结果？社会是否有能力来收集和理解地球科学信息并在地理与社会层面上做出适时的环境预测和决策？

彩图2.4.5是未来观测系统的示意图。从空间到地面形成立体的观测和信息传输体系，信息加工和用户使用体系。

我国气象卫星风云系列，包括极轨气象卫星和静止气象卫星。1988年9月7日风云一号A发射，1990年9月3日风云一号B发射，1999年5月10日风云一号C发射。1997年6月10日风云二号A发射，2000年6月25日风云二号B发射，定点在E105°赤道上。下面是我国风云系统卫星的基本参数：

风云一号A（FY-1A） 1988.9.7 试验 三轴稳定、5通道、设计寿命1年

风云一号B（FY-1B） 1990.9.3试验 三轴稳定、5通道、设计寿命1年

风云一号C（FY-1C） 1999.5.10业务 三轴稳定、10通道、设计寿命2年

风云一号D（FY-1D） 2002 试验 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命2年

风云三号B（FY-3B） 2006 试验 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命2年

风云三号C（FY-3C） 2008 业务 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命2年

风云三号D（FY-3D） 2010 业务 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命2年

风云二号A（FY-2A） 1997.6.10试验 自旋稳定、3通道、设计寿命3年

风云二号B（FY-2B） 2000.6.25试验 自旋稳定、3通道、设计寿命3年

风云二号C（FY-2C） 2003 业务 自旋稳定、5通道、设计寿命3年

风云二号D（FY-2D） 2006 业务 自旋稳定、5通道、设计寿命3年

风云二号E（FY-2E） 2009 业务 自旋稳定、5通道、设计寿命3年

风云四号（FY-4） 2010 试验 三轴稳定、多种有效载荷、设计寿命3年

我国在气象卫星稳定运行的基础上，未来着重加强星载探测仪器的研制，特别是将在FY-3A/B卫星上装载大气红外探测器AIRS以及多通道中分辨成像光谱仪，以提高我国气象卫星探测能力、精度和分辨率。同时，继续发展接收外国气象卫星和对地探测卫星，特别是分辨率达到250 m的EOS卫星发送的资料接收能力，提高卫星探测资料的空间分辨率，并能将这些资料与其他遥感卫星资料相结合。为了适应生态环境监测与中小尺度数值预报的需要，发展多星拼图，扩展卫星资料的空间探测范围。

除了上述的卫星观测和传输等方面的发展外，我们还需要加强信息处理技术的应用。举一个地震信息处理的例子。1992年6月28日California Landers发生了M7.3地震。通过地震前的一幅ERS-1 SAR图像（1992-04-24）和地震后的一幅图像（1992-08-07）可以形成变形场的差分干涉图，数学模拟获得了模拟的变形场。图2.4.6是地震差分干涉场和模拟的地震变形场。

数字地球是美国前副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为“数字地球——新世纪人类星球之认识”演说时，提出的一个与GIS、网络、虚拟、现实等高新技术密切相关的概念。在戈尔的文章内，他将数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示，它能够放入大量的地理数据”。

数字地球的组成包括：

① 空间数据。全球性的大、中、小比例尺的空间数据，如地球的各类多光谱、多时相、高分辨率的遥感卫星影像、航空影像、不同比例尺的各类数字专题图。

② 文本数据。以文本形式表现的有关可持续发展、农业、资源、环境、灾害、人口、全球变化、气候、生物、地理、生态系统、水文循环系统、教育、军事等等不同类别的数据。

③ 操作平台是以一种开放、分布式的，基于Internet网络环境的，用于各类数据更新、查询、处理、分析的软件系统。

④ 应用模型方面，要建立在可持续发展、农业、资源、环境、灾害（水灾、旱灾、火灾）、人口、气候、生物、地理、全球变化、生态系统、水文循环系统等方面的应用模型。

数字地球的基础包括上面给出的很多的地球观测系统和国家信息高速公路。数字地球涵盖的信息量是互联网目前包容的信息量所无法比拟的，它需要更为高速、稳定的网络环境，以满足海量空间数据的采集、存储、处理、传输的需要。数字地球的发展将要促进集成电路、存储技术、分步式计算、网络等技术的迅速发展。

国家空间数据基础设施（NSDI）一般包括空间数据协调、管理与分发系统和机构、空间数据交换标准、空间数据交换中心以及空间数据框架等部分。各国在建设数字地球所涉及的政策、机构、技术、标准、机制、财力资源要素等方面已经做了大量工作。GIS行业正在通过Open GIS联盟来寻求可以互相操作的解决办法。当然，还有对建模与应用研究方面的合作。

数字地球需要解决的理论和技术问题包括多个方面。在数据获取与更新方面，建立各类遥感新技术，如高分辨率高光谱卫星图像技术、雷达卫星技术、小卫星技术、植被卫星技术、水色卫星技术等，还有星-机-地数据接收，地面台站及人文、经济等数据获取集成一体化技术等；另外，在网络、计算机硬件、数据与信息传播方面，建立新一代大规模平行处理器，高宽带网络（ATM技术），支持基于网络的分布式计算操作系统、智能网络技术，基于对象的分布式网络服务、分布处理和互操作协议等；在数据处理、储存、数据库、信息提取与分析方面，发展高密度、高速率的海量空间数据储存、压缩、处理技术，数据互操作技术，多比例尺多时相多源数据融合、集成技术，图像信息智能提取（图像自动分类等）技术，元数据技术，空间数据仓库，海量空间数据的智能提取技术，空间数据交换网络技术，支持异构分布数据库的扩展对象关系模型，面向对象空间数据库，实时的多分辨率海量空间数据的存储和分发等；在应用及其他方面， GIS互操作技术，跨平台的应用开发，分布式空间数据图书馆技术（digital geol-ibrary），虚拟现实技术，图形搜索器（geographic search engine）, WEBGIS技术，分布知识智能（KDI）信息和技术的集成，多媒体技术，交互式的三维可视化，导航技术，地理信息分析处理组件技术，伴有处理功能的输出输入技术，决策支持技术，三维数字景观技术，分布式空间数据库的异构融合技术，重大应用工程的预测与预警技术等。

我国科学家早在20世纪70年代，就曾提出过地图测绘过程全数字化的创意。目前，我国政府正积极推进国家信息化和国家信息基础设施的建设，积极参与一些全球数据共建共享的国际活动，例如以气象卫星为依托的1km×1km格网全球数据库，1∶1000000地形数字模型（DEM），科学数据库Codata-D，等等，同时积极参与许多国际科学合作计划的实施，例如全球测图计划和环太平洋海洋制图计划，国际地圈与生物圈计划，大洋、大陆深钻计划，南北极考察计划，国际地层标准剖面与大陆冰川登录，世界文化遗产登录，生物多样性保护计划，等等。并在青藏高原隆起及其环境影响，古季风气候，臭氧低槽，太阳黑子周期，历史地震，板块运动，中、低纬磁层磁爆，深海潜水机器人等许多领域，做出了一些举世瞩目的贡献。