以下文章来源于前瞻科技杂志 ，作者程晓
全文刊载于《前瞻科技》2022年第2期“深潜科学与技术专刊”
程晓
-教授
-博士研究生导师
-中山大学科学研究院院长、测绘科学与技术学院院长
-中山大学极地研究中心主任
文章摘要
南北两极是地球系统的冷源，调节全球能量平衡，蕴藏着丰富的能源和资源，对中国国家安全和可持续发展至关重要。极地地域广阔、环境极端恶劣，遥感技术是观测极地的重要手段。文章分析了国际极地遥感技术发展现状与趋势、中国极地卫星和航空遥感技术现状，提出了面向极地立体观监测的中国极地空天基遥感体系建设发展建议，包括大椭圆轨道卫星、“遥感—通信—助航”一体化卫星和长航时无人机，建设极地全时监测平台，为北极航运开发、极地气候变化研究等提供重要技术支撑。
文章速览
南北两极具有得天独厚的区位特点和资源优势，蕴含丰富的油气和矿产等资源。近年来，随着全球变暖、海冰消融加剧和海平面上升等现象的出现，北极资源开发利用已进入实质性阶段，建立南极保护区也已成为发达国家争夺极地话语权的主要手段，极地区域的战略地位得到空前提高，引发全球的高度关注和各国的激烈争夺。南北两极对中国国家安全和可持续发展至关重要，直接关系到中国参与国际气候变化谈判、极地战略、北极航道和矿产资源开发、南极资源战略储备等事务。认识极地、了解极地在全球气候变化下的变化机理，是中国在上述事务中掌握发言权和主动权的重要科学支撑。
受限于南北两极所处的特殊地理位置以及长年的极端环境，开展各要素地面观测较困难，难以布设高密度观测网络，且消耗的人力物力成本高，因此遥感观测成为南北两极研究中不可或缺的手段，是极地研究和工作的重要信息源。目前，极地遥感手段涵盖可见光、激光高度计、微波辐射计、雷达散射计以及合成孔径雷达等。遥感平台以卫星为主，航空和地基遥感也是极地遥感的重要手段，近年来兴起的无人机遥感更是促进了极地的多平台遥感观测发展。
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国际极地遥感技术发展现状与趋势
20世纪60年代以来，卫星遥感技术的迅猛发展使得大尺度连续极地环境监测成为可能，丰富了冰冻圈科学的研究内容。1960年TIROS-1（Television Infrared Observation Satellite 1）卫星首次在加拿大东南部圣劳伦斯海湾拍摄到海冰解冻的遥感影像，揭开了极地遥感观测的序幕。20世纪90年代以来，新兴微波遥感技术及数据处理技术的发展又将极地遥感推上了新的阶段，取得了令人瞩目的丰硕成果。根据传感器类型，从光学成像遥感、卫星高度计、微波辐射计、雷达散射计、合成孔径雷达（SAR）介绍国际主要卫星计划情况，同时简要介绍极地航空遥感情况。
1.1 光学成像遥感
光学成像遥感是指在紫外至红外光波段内远距离获取目标和环境信息的技术，是目前最具有代表性和应用最为广泛的极地观测手段。比较有代表性的包括美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的Terra、Aqua卫星，NASA和美国地质调查局（United States Geological Survey, USGS）联合研制的陆地卫星系列（Landsat），欧洲航天局（European Space Agency, ESA）的Sentinel-2卫星，以及日本和法国的光学成像卫星等。美国在商业光学成像卫星领域发展迅速，其DigitalGlobe的WorldView系列卫星和Planet的Dove系列卫星也在极地观测领域作出了贡献。上述卫星的特点是谱段丰富，数据可用度高，且由于多个计划都是累积了10多年甚至30多年的数据，在极地科学研究和前沿问题研究中具有重要作用。Landsat和MODIS数据先后被用来制作两极冰盖大尺度镶嵌图。随着商业卫星和微小卫星技术的发展，现在也出现了专用的极地观测微小卫星，如日本的WNISAT-1/1R卫星。
1.2 卫星高度计
卫星高度计是一种测定卫星到地面垂直距离的传感器。自1969年美国学者Kaula在Williamstown的研讨会上首次提出卫星测高的概念开始，欧美国家先后发射了Skylab（Sky Laboratory）、GEOS-3（Geodynamics Experimental Ocean Satellite）、Seasat、Geosat（Geodetic Satellite）、GFO（Geosat Follow-On）等测高卫星，获得海洋大地水准面、海况和风速等信息。20世纪90年代，美国和欧洲航天局研制了高精度的高度计（如Jason-1/2、ERS-1/2和Envisat）。ESA于2010年专门发射了一颗携带Ku波段干涉/合成孔径雷达高度计的Cryosat-2卫星，用于精确测定极地冰盖高程和海冰厚度变化，以量化全球变暖引起冰雪质量的变化。NASA设计了新的星载激光高度计系统（Geoscience Laser Altimeter System, GLAS）和单光子激光雷达传感器ATLAS，先后搭载ICESat和ICESat-2卫星发射升空，在极地冰雪环境监测，特别是极地冰盖表面物质平衡、海冰变化等方面作出了巨大的贡献。
1.3 微波辐射计
微波辐射计是利用接收地物的微波辐射来测量目标（如地表和大气）的高灵敏度观测仪器。星载微波辐射计被广泛应用于海冰密集度、面积和薄冰厚度监测，其中业务化发布的海冰密集度成为极地气候变化研究与极地航行的重要数据。具有代表性的有Seasat卫星搭载的SMMR（Scanning Multichannel Microwave Radiometer）微波辐射计、AQUA卫星搭载的AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System）微波辐射计、美国国防部DMSP（Defense Meteorological Satellite Program）系列卫星搭载的SSM/I与SSMIS（Special Sensor Microwave/Imager and Sounder）专用微波成像仪/探测仪、日本GCOM-W1卫星搭载的AMSR-2以及Sentinel-3卫星搭载的SLSTR（Sea and Land Surface Temperature Radiometer）海陆表面温度辐射计。其中，仍然在正常工作的包括AMSR-2、SSMIS和SLSTR。除了上述携带微波辐射计的卫星外，美国还通过一系列科学实验支撑计划，孵化出了诸如IceCube、MicroMAS-2和MIRATA在内的很多Cubesat项目，这些项目通过研制高灵敏度、高分辨率、小型化的微波接收机，搭载到Cubesat平台上，实现了300 GHz以上多个与冰雪相关的辐射计研制。
1.4 雷达散射计
雷达散射计属于主动雷达系统，它利用下垫面的雷达后向散射系数以及多角度观测间接地反演地表信息。与微波辐射计一样，雷达散射计也具有全天候、全天时、高覆盖度的观测能力。星载散射计的使用始于1978年6月美国Seasat卫星搭载SASS（Seasat-A Scatterometer）散射计的发射升空。作为SASS的后继者，NASA于1996年在ADEOS-I上搭载了喷气实验室研制的散射计NSCAT（NASA Scatterometer），提高了空间分辨率，解决了风向模糊问题。NSCAT在进行9个多月的观测后由于太阳能帆板故障而停止了运行，取而代之的是SeaWinds。NASA于1999年和2002年分别在QuikSCAT和ADEOS-2卫星上搭载了两部SeaWinds散射计。ESA于2006年10月将代表了欧洲散射计最高水准的ASCAT（Advanced Scatterometer）散射计搭载于Metop-1卫星送入太空。雷达散射计测量的后向散射系数可以估算海面风速，从不同方位获取的同一地区风速则可推算出海面风向。在极地冰雪变化监测方面，散射计数据已被广泛应用于海冰分类、冰山运动、海冰融化、海冰漂移监测等方面的研究。
1.5 合成孔径雷达
相较于光学传感器，SAR在高分辨率成像的同时，能够不受云雨天气的影响并在极夜时期持续观测，因而世界各国都在着力发展SAR卫星技术。例如，日本的ALOS（Advanced Land Observing Satellite）系列卫星的L波段SAR影像数据目前已被广泛应用于高分辨率海冰和冰川运动、海冰分类、冰川崩解和裂隙制图等研究。加拿大RADARSAT系列卫星的C波段SAR、ESA的Sentinel-1系列卫星的C波段SAR、意大利Cosmo-Skymed系列卫星的X波段SAR、德国TerraSAR卫星的X波段SAR都是在极区大范围应用的SAR传感器。由于不同波段的微波特性不同，国际上开展了各类SAR卫星的数据融合应用，各国也根据技术特点和应用需求发展了各自的技术路线。除了上述国家规划任务外，也有商业公司瞄准极地区域这一特殊应用场景的需求。芬兰Aalto大学的孵化项目ICEYE于2018发射了ICEYE-X1卫星，并传回大量数据。该卫星重量不到100 kg，是世界上最小的SAR卫星，该公司还计划发射18颗卫星组网提供商业服务。
1.6 航空遥感
与卫星遥感不同，航空遥感具有自主性强、分辨率高、效率高、灵活方便等优点，能为极地卫星遥感和地面观测提供中间尺度的信息，是极地立体观测体系的重要环节。美国、英国、德国和丹麦等国家是极地航空调查和研究的主要强国，已经有超过50年的积累。21世纪以来，西方国家主导了多项南极航空调查计划，包括AGAP（Antarctic's Gamburtsev Province Project）、ICECAP（International Collaboration for Exploration of the Cryosphere through Airborne Profiling）、OIB（Operation IceBridge）计划等。NASA联合德克萨斯大学启动的OIB计划利用航空平台搭载激光雷达、雪深测量雷达、雷达测冰剖面仪等多源传感器在极区获得了多年连续的、高质量的观测资料，开展了三维立体制图、冰盖高程变化、海冰厚度时空分布、卫星传感器校验等方面的应用。
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中国极地卫星遥感技术发展现状
2.1 高分系列卫星海冰监测应用情况
高分系列卫星是具有高时空分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的对地观测系统，编号从“高分一号”（简称GF-1）开始，目前已至GF-14。海冰监测是高分系列卫星任务之一。高分系列卫星对极区的海冰监测主要依托于GF-3 SAR。GF-3于2016年发射，是中国首颗分辨率达1 m的C波段多极化SAR卫星，目前已建成了三星组网。通过与其他资源卫星数据结合，GF-3多次为极区航行提供浮冰的专题动态监测产品，保障了破冰船安全、迅速地在浮冰区穿行及停靠（图1），支撑了商船的顺利通航、航线变更和避险。在科学研究方面，GF-3主要应用于海冰范围监测和北极夏季海冰的分类，目前已发展海冰自动检测算法，实现了北极冰与水的无人干预分离。基于GF-3全极化模式SAR数据，Zhang等建立了基于残差神经网络的深度学习海冰分类框架，实现了对融冰季节的浮冰、碎冰与开放水域的分类（图2（a）），在识别分散海冰方面显示出比Sentinel-1A超宽幅模式数据更多的细节。He等基于多种不同的极化分解方法探究了GF-3的海冰极化特征，并利用随机森林分类器实现了对北极夏季冰区的平静水、汹涌水、融化冰、未融化冰和变形冰的分类（图2（b））。研究还发现，将雷达入射角作为特征加入分类器可以略微提高分类精度约3%。
图1 2018年12月1日中山站周边GF-3 SAR影像海冰监测示例
VV：垂直发射、垂直接收；VH：垂直发射、水平接收；HH：水平发射、水平接收。FI：浮冰；BI：碎冰；OW：开放水域；CW：平静水；RW：汹涌水；MI：融化冰；UI：未融化冰；DI：变形冰。
图2 GF-3夏季海冰分类示例
总体而言，目前已有较成熟的针对GF-3的海冰监测算法，并开展了多项夏季海冰分类研究，GF-3数据已列入了极区航行保障数据源。2022年，GF-3完成三星组网后必将提升其在极地海冰监测方面的应用潜能，助力未来业务化GF-3海冰遥感产品研制及其业务化应用。此外，高分系列其他卫星也被应用于中国渤海海冰监测，例如，利用GF-1可见光影像实现了海冰外缘线提取和海冰范围监测；基于GF-2的全色和多光谱数据实现了海冰快速提取；基于GF-4数据建立了渤海海冰漂移信息提取算法，但这些卫星在极区的应用潜力尚待挖掘。
2.2 风云系列气象卫星海冰监测应用情况
自1988年首颗风云一号A卫星（FY-1A）发射以来，中国已发射了19颗风云气象卫星，其中风云一号（FY-1）和风云三号（FY-3）系列属于极轨卫星，风云二号和风云四号系列属于地球静止轨道卫星。目前有9颗卫星正常在轨运行，使中国成为世界上同时拥有地球静止轨道和太阳同步轨道气象卫星观测系统的3个国家之一。
FY-3系列卫星搭载了微波辐射成像仪（MW-RI），开启了国产微波传感器在海冰遥感领域的新纪元。迄今为止，FY-3系列卫星的微波传感器已为海冰研究提供了超过10年的观测资料，是国内海冰监测领域连续观测数据时间最长的卫星。国家卫星气象中心发布了基于FY-3 MWRI系列数据的NT2海冰密集度产品，并对FY-3系列的原始亮温进行了再定标。通过对比国际海冰密集度产品和更高分辨率的光学MODIS影像和SAR影像，发现FY-3B和FY-3C的海冰密集度在夏季边缘区存在高估，而FY-3B和FY-3D反演的结果在高海冰密集度区域存在低估（图3）。此外，被动微波亮温还被用来分析北极海冰积雪厚度和融化起始时间。
图3 2018年3月15日FY-3D海冰密集度产品与国际产品的差异
FY-3系列卫星还搭载了中分辨率光谱成像仪（MERSI），能提供宽视场（1000 km）和高分辨率（250 m）的全球云和地表特征观测数据，在积雪覆盖、高分辨率冰温和冰间水道监测方面具有广泛的应用前景。2021年，FY-3E星首次搭载双频段的微波散射计，为自主卫星极地海冰类型监测提供了新的数据源。
随着各国卫星的更替与后续发射计划的延迟，连续观测的风云卫星数据在极地海冰研究中起着越来越重要的作用。基于风云卫星数据发展自主的海冰密集度、积雪厚度、冰温、冰间水道等多参数反演算法，生成海冰参数历史实时一体化数据集，对于提高极地海冰监测自主业务能力具有重要意义。
2.3 海洋系列卫星海冰监测应用情况
海洋卫星包括海洋一号（HY-1）系列卫星和海洋二号（HY-2）系列卫星。海洋卫星已在极地海冰、冰盖监测等领域有所应用。HY-1系列包括HY-1A实验星和HY-1B、HY-1C、HY-1D 3颗业务星。HY-1C、HY-1D分别于2018年和2020年发射升空。该系列卫星搭载了多波段水色扫描仪和海岸带成像仪，其中海岸带成像仪拍摄的光学影像已在中小尺度极区监测中得以应用，如南极地区的遥感影像制图（图4）、南极布伦特冰架监测、北极航道冰情监测等。
图4 HY-1C卫星南极半岛和埃默里冰架遥感影像图
HY-2系列包括HY-2A实验星和HY-2B、HY-2C两颗业务星。HY-2B、HY-2C分别于2018年和2020年发射升空。该系列卫星搭载的微波散射计、微波辐射计和雷达高度计已被应用于南北极大尺度海冰参数反演研究中（如海冰范围、海冰密集度和海冰类型）。根据微波散射计对冰区和开阔水域的雷达后向散射特征差异，基于HY-2系列微波散射计可监测南北极逐日海冰范围分布，精度与第2代高级微波扫描辐射计（AMSR2）、卫星专用传感器微波成像仪/探测仪（SSMIS）等国际主流被动微波反演结果相当。根据海冰和海水在不同微波频率上的发射率和亮温差异，基于HY-2系列微波辐射计可反演南北极逐日海冰密集度，其反演精度也达到了国际水平。此外，还有研究基于HY-2雷达高度计和微波辐射计开展了北极海冰类型和海冰漂移速度反演研究。
总体而言，海洋系列卫星在极地的应用聚焦于海冰监测，已有研究多是发展和改进了适用于HY卫星的海冰范围、海冰密集度等参数反演算法，但尚未广泛应用于业务化生产中。海洋卫星对其他极地要素如冰盖/冰架的监测和应用仍在起步阶段。
2.4 资源卫星冰盖监测应用情况
资源三号（ZY-3）卫星是中国第一颗自主研发的民用高分辨率立体测绘卫星，于2012年1月9日发射升空。ZY-3首星即配置4台相机，包括1台分辨率为2.1 m的正视全色相机，2台分辨率为3.5 m的前视、后视全色相机，以及1台分辨率为5.8 m的正视多光谱相机，能够获取多光谱影像和三线阵立体影像，填补了中国立体测图领域的空白。该卫星能对南极冰盖变化监测发挥重要作用，其同轨三视立体观测能力提供了非常丰富的南极冰盖三维几何信息。ZY-3高分辨率影像已被成功用于南极冰流场速度估算。通过ZY-3卫星立体相对获取的南极Ronne-Filchner高分辨率三维模型可以细致地描述冰架裂隙特征（图5）。
图5 基于ZY-3卫星立体成像获取的Ronne-Filchner冰架裂隙三维模型
2.5 冰路卫星及其应用情况
冰路卫星（Ice Pathfinder，代码“BNU-1”）是中国首颗专用于极地观测的遥感小卫星，由北京师范大学提出科学设计，深圳东方红海特卫星有限公司研制，中山大学负责运行、维护，并构建卫星地面应用系统。冰路卫星于2019年9月12日成功发射（图6）。作为中国极地立体监测体系的重要组成部分，该卫星具备5 d覆盖两极的能力，独特的在轨变曝光技术保证了获取影像的质量。
图6 冰路卫星搭载长征四号乙火箭发射
冰路卫星采用太阳同步轨道，轨道高度为739 km，主载荷为分辨率74 m、幅宽744.29 km的光学相机。其宽幅相机设计全色、红、绿、蓝及红边5个谱段。其特有的幅宽和分辨率设计提供了一种新的观测模式，是当前国际通用的千米级和十米级分辨率极地卫星数据的一个重要补充，提供了一种独特幅宽和分辨率组合的极地遥感数据。冰路卫星作为中国首颗用于极地观测的遥感小卫星广受瞩目。2019年亮相第16届地球观测组织会议周（图7（a）），2021年入选国家“十三五”科技创新成就展海洋强国板块（图7（b））。经过专业的辐射定标和几何校正，冰路卫星L1A级/L1B级数据已公开对外发布（图8）。
图7 冰路卫星面向公众展出
蓝色线代表海岸线数据集。
图8 南极L1A级/L1B级数据样例影像全色波段镶嵌图
冰路卫星在应对极地突发事件上较现有极地观测卫星具有显著优势。2019年9月25日，南极埃默里冰架发生大崩解，产生了一个面积约1670 km2的巨大冰山。卫星对该崩解事件进行密切追踪，取得了一批重要的观测数据。卫星拍摄的南极埃默里冰架前端崩解过程作为Acta Oceanologica Sinica 2020年第5期封面成果发表（图9（a））。此外，卫星还获得了大批南极Drygalski冰舌和格陵兰北部冰川融化季和冻结季的连续监测数据。
图9 冰路卫星遥感观测成果
除冰川监测外，冰路卫星数据还被成功运用在冰面湖监测、南极和格陵兰大范围制图。其中，2019年9月29日获取的南极维多利亚地真彩色合成影像，展现了南极冰雪、裸岩等典型地物纹理信息，成像具有较好的一致性，其中位于罗斯岛的埃里伯斯火山（南极最大的活火山）形成的水蒸气在影像中清晰可辨。该图作为2020年《遥感学报》第11期封面成果发表（图9（b））。
冰路卫星已圆满完成3次南极和2次北极格陵兰观测任务，累计获得影像1万余幅，目前仍处于良好的超龄服役状态。冰路卫星观测数据已向全球用户共享。冰路卫星极地遥感数据的发布，补足了中国长期缺乏极地观测数据的短板，对于促进中国极地与全球变化研究具有重要的意义。作为一颗“探路”星，冰路卫星的研制经验将促进中国极地卫星设计和研制水平的提高，从而可以提供更优质的卫星数据，加强中国极地天基观测能力。
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中国极地航空遥感技术发展现状
1987年，武汉测绘科技大学发布了国际上第一幅乔治王岛菲尔德斯半岛精确航测地形图。1992年小像幅航摄并编制了中国南极首张航空遥感影像专题图——拉斯曼丘陵影像地形图。自然资源部黑龙江（省）测绘地理信息局于2006—2015年利用直升机搭载哈苏相机，采用全数字摄影测量法获取了长城站和中山站多个区域的正射影像数据。2016年至今，中国采用多旋翼无人机和复合翼无人机搭载测绘相机，对长城站、中山站、拉斯曼丘陵、罗斯海新站及周边企鹅保护区进行“多航线、多角度”的倾斜航空摄影飞行，获取厘米级高分辨率航空影像数据，结合街景工厂设备与技术，最大程度还原了航摄区域的地形地貌特征，建立了具有“高精度、可量测”的站区真三维实景地图。目前，中国极地航空遥感观测的主要力量包括“雪鹰601”固定翼飞机和“极鹰”（Polar Hawk）系列遥感无人机。
3.1 “雪鹰601”固定翼飞机
中国在极地航空领域的起步较晚。2015年，中国购置了首架极地考察固定翼飞机（BT-67）并将其命名为“雪鹰601”。“雪鹰601”于2017年1月8日成功降落在位于南极冰盖最高区域冰穹A（海拔超过4000 m）昆仑站机场。“雪鹰601”的服役标志着中国极地考察迈入了“航空时代”。
“雪鹰601”搭载了以南极冰盖和南极大陆深部探测为主的机载地球物理科考系统，主要包括冰盖深部穿透航空冰雷达、航空重力仪和航空磁力计3套主要设备，以及激光高度计、航空相机和GNSS系统等辅助设备（图10），是目前国际上最先进的南极航空科考平台之一。“雪鹰601”已成功完成5个年度的大范围航空科学观测，总测线长度近18万km，覆盖了伊丽莎白公主地、埃默里冰架、西冰架、冰脊B、格罗夫山、查尔斯王子山脉等多个重点区域，所获取的高分辨率伊丽莎白公主地冰下地形数值高程模型覆盖区域东西宽约1300 km，南北长约800 km，总面积约90万km2。它首次揭示了该区域冰下地形地貌，特别是发现了大量对冰盖不稳定性有重要影响的地形特征，数据产品被国际新一代BedMachine Antarctica和Bedmap 3计划作为核心贡献收录。
白色框内为伊丽莎白公主地。
图10 中国南极航空科学观测平台“雪鹰601”
（来源：中国极地研究中心崔祥斌研究员提供）
3.2 “极鹰”系列遥感无人机
无人机在环境恶劣的极地地区获取观测数据独具优势。中国最早在2007年第24次南极科学考察中实施了无人机航飞，15年来共计有北京师范大学等9家科考单位在10次南极科学考察和4次北极科学考察中陆续发展和应用了一系列机型和载荷，航飞足迹遍布中国极地考察的重要地理区域（图11），并在多个科学研究领域和后勤保障方面取得进展。
图11 中国极地无人机遥感飞行试验发展历程
北京师范大学于2014年组建了极地无人机研究团队，致力于建设国际先进的极地遥感无人机系统，目前已建成“极鹰”系列的五代固定翼无人机遥感平台（图12）。实践表明，极地无人机遥感技术总体上能够克服极地低温、大风、光照不均等极端恶劣环境，有望解决极地地区高分辨率、高时效性遥感数据匮乏的难题。截至2022年初，“极鹰”团队累积派出17名飞手，使用8种机型共参与了8次南极科考和2次北极或格陵兰科考，足迹覆盖南极半岛（长城站）、东南极拉斯曼丘陵（中山站）、西南极恩克斯堡岛（罗斯海新站）、北极斯瓦尔巴群岛新奥尔松（黄河站）、格陵兰岛迪斯科湾等，累积成功飞行超过180架次，获取相片5万余张，成图覆盖面积近1000 km2，极大提高了中国极地遥感精细化观测水平。
图12 “极鹰”系列五代极地遥感无人机的发展历程
2014年“极鹰-I”型遥感无人机对中山站所在的拉斯曼丘陵和附近达尔克冰川实施测绘作业，完成了覆盖达尔克冰川前端和拉斯曼丘陵东部的高精度三维影像和数字地形。2015年“极鹰-II”型遥感无人机在长城站拍摄的企鹅栖息地高清影像，成功识别统计出阿德雷岛企鹅巢穴数目并发现其呈现增长趋势。
2016年无人机遥感成功揭示了海冰表面的纹理结构特征并应用成果支持“雪龙”号海冰卸货保障（图13）。在无控制点的情况下，极地遥感无人机测量能够达到亚米级的制图精度，足以准确地判别冰貌起伏形态，为海冰与海洋、大气相互作用研究提供新思路，解决了传统卫星平台研究海冰的难点。
图13 无人机遥感在海冰研究中的应用
2019年“极鹰-III”型遥感无人机被应用于拍摄输出定位精度更高、测量范围更大的产品，用以评价冰路卫星成像性能，旨在建设集成化、立体式的“空—天—地”联合观测系统。
相比于南极大陆这片“无主之地”，北极地区受到更加严格的空域管制。因此，中国在北极开展的无人机遥感科学实验，无论是次数、范围还是研究深入程度都较为有限，研究对象包括黄河站附近的山地冰川表面与运动过程的监测、格陵兰西南峡湾的生态调查与土地覆盖制图，以及北冰洋海冰融池和冰面粗糙度的估算等。
“极鹰”系列遥感无人机观测系统在南极中山站固定冰、达尔克冰川、内陆冰盖、企鹅栖息地等区域开展业务化航飞，获取了大量数据，开展了地形地貌识别、冰川流速、蓝冰机场、极地生态等方面的研究工作，为中国极地精细化冰雪参数观测提供技术支撑。总体而言，无人机能够在多种时空尺度上对冰盖、海洋、大气、地貌、生态等动力过程灵活采样，对深入理解南极变化机制发挥独特优势。
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面向极地立体观监测的中国极地空天基遥感体系建设发展展望
面向未来，提升多载荷、多卫星协同反演能力，发展多平台结合的遥感观测手段，提高卫星遥感观测的精细化和定量化程度是国际发展趋势。
结合中国现有极地遥感基础和需求，研发大椭圆轨道多类型载荷一体化、小型化设计技术，开展全天候、全天时、全谱段遥感及通信融合观测技术研究，是实现极地全天时连续卫星遥感观测的重要手段；研发适用于极地大范围观测的长航时无人机平台，通过低空遥感手段解决极地卫星遥感观测空间分辨率低的问题，将分辨率从卫星的百米级提升至分米级，甚至厘米级，是中国发展多平台极地遥感、实现极地环境多要素精细化、立体化观测的必经之路。
4.1 大椭圆轨道卫星
由于极轨卫星遥感观测频次的不足，极地快速变化机制仍然不太清晰。极地航运和科学考察急需高频次观测信息保障。大椭圆轨道（Highly Elliptical Orbit, HEO）卫星能连续有效覆盖极地地区。根据空间物体运动规律，航天器在HEO卫星远地点附近运动速度特别慢，相对中高纬度地区具有“准静止”特点的HEO卫星在很大程度上能够弥补常见极轨卫星和地球静止轨道卫星在极地观测频次的不足。在遥感监测方面，可实现极地海洋、冰盖和海冰的日尺度强化观测和近实时环境感知。在通信方面，可为极地航道、航线以及地面站提供高速数据传输服务保障。美国与俄罗斯已推动多项极地HEO卫星计划用于高纬度对地观测和预警监视。相比西方国家，中国在极区的高频次遥感和通信能力仍然非常薄弱。
未来可发展面向极地资源开发与利用、极地科学考察和极地航运等应用的HEO卫星星座。针对中国极地高轨通信遥感天基体系的短板，研究极地高轨光学载荷成像与处理技术、高轨微波载荷成像与处理技术、通信与遥感融合一体化等技术。实现中国极地“准静止”观测体系零的突破，弥补长期以来中国在极地观测强度方面的不足。
4.2 “遥感—通信—助航”一体化卫星
传统地球同步轨道通信卫星只能保证南北纬55°范围内无缝覆盖，极限覆盖能力为南北纬65°，难以为北纬55°以上高纬度地区提供通信服务。目前国内现有的通信卫星均不能对极地形成覆盖，更无通信遥感一体化卫星。国际上的铱星通信系统可以提供极区通信服务，但可靠性不高且带宽有限。Inmarsat通信系统计划在北极地区增加两颗通信卫星，扩容极地航班卫星通信服务能力。美国SpaceX公司正不断拓展Starlink星座，但在极地区域覆盖较少。
考虑到极区环境快速变化对高频次、高精度遥感信息的需求以及极地航运、极地救援等对极地通信和助航综合服务能力的依赖，亟需构建自主极地“遥感—通信—助航”一体化卫星。其建设重点包括：①研制基于基带频域滤波全极化工作模式的极区新型SAR载荷，解决极区全天候、宽覆盖、高频次SAR观测不足的问题；②突破极地“遥感—通信—助航”一体化技术，研制并发射极地“遥感—通信—助航”一体化卫星，突破极区卫星宽带通信和同步数据传输技术，解决极区自主卫星通信技术与装备匮乏以及数据时效严重滞后问题，实现地面/船基和星上数据双向传输、通信；③研发极区航道智能规划与导航技术，形成遥感、通信、导助航一体化服务技术体系和平台，服务北极航运、应急救援需求。
4.3 长航时无人机
“雪鹰601”极地航空平台虽然开展了南极冰盖的大范围观测，但飞机油耗高，且需要一支20人左右的后勤团队做地面保障。无人机方面，小型旋翼、固定翼无人机在南极的应用仅限于10 km范围内短航时、单一载荷观测。受大雾、晴空时间窗口短等环境因素的不利影响，以及无人机船基移动平台起降技术不成熟的限制，极地无人机观测覆盖率和成功率都很低。此外，受限于无人机载重和航时限制，目前还难以搭载航空重力仪、激光测深雷达、穿冰雷达等大型载荷，尚不能满足极地科学研究的需求。
面向极地环境多要素精细化、立体化观测需求，需构建长航时无人机观测系统。其建设重点包括：①设计并研发适用于极地大范围观测的长航时无人机平台，研发适用于极地环境和冰雪观测目标的测高、测深、测厚载荷，推动观测载荷实现轻小型化、国产自主化；②开展机载GNSS、惯性导航与对地观测载荷的高精度空间融合检校与时间同步研究，提升低空遥感数据质量；③研究无人机编队模式下，多机协同、智能航线规划设计与任务调度，发展多机实时航线优化与重规划算法，实现实时航线优化与调度，提高极地极端环境下的观测效率和数据质量。
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结束语
作为全球变化的前哨和世界强国战略争夺的关键区域。极地在经济、科研、环保、航运和国家安全等方面具有极其重要的地位。然而，中国极地空天基遥感观测频次、载荷设计和平台建设仍有较大提升空间，极地多要素信息提取还停留在研究阶段。与欧美国家相比，中国的极地空天基观测能力仍有较大差距。未来应重点打造中国自主的极地“遥感—通信—助航”一体化卫星星座，建设高频次、大范围、多尺度极地空天基遥感监测体系，增强极地环境信息提取和遥感产品业务化生产能力，开展多源遥感数据融合与多平台数据的集成应用，服务极地航运和气候变化研究，保障中国极地安全。
END
引用本文
程晓, 陈卓奇, 惠凤鸣, 等. 中国极地空天基遥感观测现状与展望[J]. 前瞻科技, 2022, 1(2): 183-197;
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.014
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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