摘要
中国要实现可持续发展，必须积极应对资源短缺、环境恶化、海洋开发和气候变化等一系列重大资源环境问题;随着全球经济发展一体化进程加快，中国必须以全球视角研究和解决面临的资源环境问题。遥感在地球科学、环境科学、资源科学与全球变化研究中具有宏观动态的优点，是不可替代的全球观测手段，是实施可持续发展战略的基础性技术支撑。本文回顾了遥感科学技术进步的历程，总结了国际上围绕可持续发展所开展的全球遥感科学计划，分析了中国遥感现状和服务于可持续发展的前景，并结合国际上地球综合观测系统的发展态势，提出了中国遥感科学技术发展面临的挑战和机遇，进一步阐述了遥感发展面临的建立地球综合观测系统之系统、高精度遥感模型与参数反演、遥感产品真实性检验与遥感性能判据及测试系统、遥感数据与地球系统模式同化、遥感大数据与主动服务等前沿科学与技术问题。最后指出遥感要更好地服务于社会可持续发展，服务于国家的全球战略，服务于国民经济建设;必须创新遥感应用服务模式，加快遥感产业化和商业化进程;建议推进卫星观测系统的商业化，加快无人机遥感发展，促进遥感应用市场化。
关键词
遥感 , 全球变化 , 数据同化 , 大数据 , 高分辨率 , 全球地球综合观测系统之系统 , 可持续发展
1 背景与意义
1.1 中国实现可持续发展必须应对的几个重大问题
建国以来，特别是改革开放以来，中国经济建设和社会发展都取得了巨大进步，人民生活日益改善。但在发展过程中，资源短缺、环境恶化、海洋开发、气候变化等问题也日益突出，成为中国实现可持续发展必须面对的问题(徐冠华等，2010)。
(1)资源短缺问题。中国石油储量不足，随着经济的发展，石油供应十分紧迫。中国黑色金属、有色金属也越来越不能满足经济发展的需求。中国过去在资源问题上主要以自给自足为主，随着经济的快速发展，这种方式日益凸显出其局限性。而全球化进程也必然会导致全球范围内资源市场结构的进一步调整。中国在将自己的资源提供给全世界分享的同时，也面临着对世界资源越来越严重的依赖。因此，不论从中国自身的发展，还是促进全球共同发展的角度，都要求我们对全球的能源、资源布局有全面、深入的了解，如何实现资源的优势互补是中国实施可持续发展战略需要研究的重大问题之一。
(2)环境恶化问题。水污染和大气污染都是目前世界上最为紧迫的卫生危机之一，一些科学家惊呼，水污染和大气污染问题已经成为“世界性的灾难”。土壤大规模酸化和退化、森林减少、水土流失和有毒化学物质传播等环境问题都影响着中国乃至全人类的生存和发展。环境污染问题具有世界性的特点，其影响早已超越国界，其源头和扩散过程也是一个众说纷纭、亟待阐明的全球性问题。
(3)海洋开发问题。中国既是一个陆地大国，也是一个海洋大国，拥有300多万平方公里的海洋国土。历史上的闭关锁国政策扼杀了中国人对海洋的探索，我们对近海资源环境了解甚少，对深海、极地的研究更是严重不足。中国要实施“走出去”的战略，就必须对全球海洋状况有全面的、深入的了解。
(4)气候变化问题。全球气候变化问题是对中国的巨大挑战。中国以煤为主的能源结构在支撑经济发展中发挥了重要的作用，但是，燃煤所带来的碳排放已不仅仅是中国，同时也是全世界共同关注的问题。中国在解决全球变化问题中，要承担起自己的国际责任。然而我们对全球变化的研究不够，了解甚少。我们既缺乏高质量的全球对地观测数据和产品，缺乏对全球变化各要素物理过程的深入研究和理解，也缺乏开展地球系统模拟所需的超级计算机平台。同时，全球变化研究凸显了多学科交叉、融合的极端重要性，而这方面恰恰是当前中国科学技术发展中突出的薄弱环节。
1.2 可持续发展问题必须在全球化格局下加以解决
当代科学技术的进步，特别是信息技术、通讯技术和交通运输技术的发展，使各国经济、科技和文化等交流更顺畅，并形成了全球规模的信息和物流网络; 经济生产和科学研究也同样在全球范围内实现了各种生产要素或科技分工的优化组合，形成了全球化视角的利益格局。科技发展促进了全球性的工业化和信息化，在给人类带来社会进步的同时，也带来了能源的大量使用，加上人口的快速增加及城市的极度扩张，由此引发了环境污染、全球气候变化与灾变等一系列的问题(徐冠华等，2013;IPCC，2013)。而地球系统是个非线性系统，它的某些参数的微小变化，有可能引发整个系统巨大的、不可逆的改变(国家外交部，2016;联合国，1992)。人类的利益和命运与地球环境越来越紧密联系在一起，也促使人类更多地思考在全球变化中自身发展问题，形成了可持续发展的理念(联合国，1998)。正像我们之前指出的，可持续发展的核心是资源和环境问题，包括气候变化问题，其解决方案都超越了国家的边界，成为全球性问题。可持续发展问题的解决也对科学，尤其是地球科学的进步提出了新的需求。全球化的格局促使人类必须以全球视角来研究和解决面临的问题，而遥感技术为解决这些问题提供了强有力的手段。所有这些都对地球科学和遥感技术的发展提出了新的要求，指明了未来的发展方向。
1.3 遥感科学技术是在全球化格局下实施可持续发展战略的基础性技术支撑
地球系统是包括人与自然的一个由多个系统组成的“复杂系统”。人类可持续发展需要观测和研究全球资源环境状况，提出应对策略并对策略实施进行不断监控和修正。遥感在地球科学、环境科学、资源科学与全球变化研究中具有宏观动态的优点，是不可替代的唯一的全球观测手段，是可持续发展研究的基础性技术支撑。遥感应用于全球化框架下的可持续发展研究具有以下特点：
(1)空间全球性和区域性相结合。遥感通过从太空观测地球，开阔了人类的视野，增加了人类对地球全球和区域在不同空间尺度上的认知，因而具备空间上全球性和区域性相结合的特点，包括地球同步和太阳同步等不同观测轨道的遥感卫星，不但具备在公里尺度上对全球进行宏观观测的能力，而且能对重点区域进行数十米直至米级尺度的高分辨率观测。
(2)时间连续性和机动性相结合。遥感技术经过几十年快速发展，已经积累形成了几十年长时间序列的观测数据。遥感观测具备时间连续性和机动性相结合的特点，如静止轨道卫星可以对台风、暴雨等灾害，以及环境污染等极端事件进行高时间分辨率的连续观测，显著提高灾害与环境遥感监测能力;而资源卫星、侦察卫星具备很强的机动能力，可对特定目标和重点区域根据需要进行机动观测。
(3)应用上专业性和综合性相结合。全球气候变化研究是全球化可持续发展问题研究最突出的例子，主要包括全球综合观测和模式模拟两方面内容，需要专业性和综合性高度结合。气候模式直接影响到未来预估情景的可靠性，目前模式模拟存在很大的不确定性，模拟结果和实际结果之间的差异仍然很大，开展全球尺度综合观测获得长时间、高质量的观测资料有助于减少对全球变化认识的不确定性，所以需要加强全球变化关键参数和过程的多变量遥感多平台联合观(监)测研究，并开展海量数据的同化、融合技术等综合研究(徐冠华等，2010)，只有这样才可以获得高质量的全球变化研究成果，促进人类经济和社会的可持续发展。
2 遥感科学技术进步与人类可持续发展
遥感起源于航空探测，在1957年前苏联发射第一颗卫星后进入了现代遥感阶段。现代遥感技术发展取决于需求牵引、卫星载荷和数据处理分析技术进步。1960年美国第一颗气象卫星TIROS(Television Infrared Observation Satellite)拍摄的云图极大地促进了大气遥感探测发展。Terra卫星发射成功标志着遥感定量观测新的里程开始，卫星搭载的MODIS能够提供全球尺度、长时间序列的定量参数产品，极大促进了对地观测数据在人类经济和社会发展中的广泛应用，由此开创了遥感定量化新时代。
2.1 国际遥感合作和人类可持续发展
人类可持续发展需要观测和研究当前全球资源环境状况，研究提出应对策略，并对策略实施进行不断监控和修正。根据不同的研究对象，遥感可分为大气遥感、海洋遥感和陆地遥感3大领域(Xu，1997)。大气遥感是利用遥感技术监测大气结构、状态及其变化。遥感观测的物理量主要包括大气温度、压力、风、气溶胶类型与分布、云结构及其分布、水汽含量、大气微量气体垂直分布及3维降雨观测等。大气遥感技术对于灾害性天气及全球环境变化的监测和预测具有极重要的意义。海洋遥感监测的物理量主要包括海面温度、海风矢量、海浪谱、全球海平面变化、海洋水色、叶绿素浓度、黄色物质、海冰分布等。海洋遥感可以很好地服务于海洋环境、海洋动力学与海浪预报以及全球变化等应用需求。陆地遥感的范围更广，包括了辐射与能量平衡系统，地表生物圈、水文圈、岩石圈、人文圈等领域。其中辐射与能量平衡系统、生物圈、水文圈是地球系统科学以及全球变化研究组最重要的3个系统，也是全球变化研究中地球系统各圈层相互作用的重要组成部分。
为了系统了解固体地球、大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈各个要素的时空分布及其相互作用，国际科学界相继提出了一系列国际合作计划。如国际地圈—生物圈研究计划IGBP(International Geosphere-Biosphere Program)，世界气候研究计划WCRP(World Climate Research Program)，全球能量与水循环实验计划GEWEX(Global Energy and Water Cycle Experiment)，气候变化与可预报性计划CLIVAR(Climate Variability and Predictability)，中层大气国际合作计划MAP，太阳、地球能量合作研究计划(STEP)等。在这些研究计划中，无不以遥感对地观测技术作为不可或缺的重要科学技术手段。针对全球变化与资源环境等问题，世界各国也提出了一系列大型国际遥感计划，如美国宇航局(NASA)的对地观测计划(EOS)，欧洲空间局的极地平台观测计划(PO-EM)，日本/美国的热带降雨量观测计划TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)。欧美等发达国家还发起了一系列大型国际遥感研究计划(如BOREAS、ISSCP等)，推动了星机地联合观测。在可持续发展各个领域，美国占据先机，取得了引人瞩目的成效。
2005年中国作为发起国之一，共同建立了政府间多边科技合作机制—地球观测组织GEO(Group on Earth Observations)，主导和引领全球地球观测系统的发展，预示着对地观测遥感将进入一个新的阶段。GEO的宗旨是推动全球综合地球观测系统建设，以建立一个综合、协调、可持续的全球地球综合地球观测系统GEOSS(Global Earth Observation System of Systems)，将能够更好地认识地球系统，提高对地球各要素以及自然和人类活动相互关系的认识，并为决策者提供从初始观测数据到专门应用产品的信息服务。
为此，GEO许多成员国或组织成立了内部协调机构。美国成立了以白宫科技政策办公室牵头，各有关部门参加的美国GEO(US-GEO)，制定了美国全球综合地球观测系统的战略和政策框架，并牵头组织美洲地球综合观测系统计划(AMERI-GEOSS);欧盟以“哥白尼计划”名义协调欧盟全球综合地球观测系统的发展，主要目标是通过对欧洲及非欧洲国家现有和未来发射的卫星数据及现场观测数据进行协调管理、集成、共享和信息服务，以应对气候变化、能源危机、人口增长、食品短缺、自然以及人为灾害等全球威胁。欧美以各自目标的实现为驱动，在全球GEOSS的建设中谋求主导地位，争取在推动全球综合地球观测系统时实现自身利益的最大化。此外，欧美及日本也开展的许多研究实现了互为镜像的地球观测卫星数据共享，以方便各合作方及时获得数据。
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