没有遥感就没有全球变化研究, 中国遥感的奠基人陈述彭先生曾经这样论述遥感和全球变化的关系^{[2, 3]}。真正科学意义上的全球变化研究和对地球系统内外相互作用的整体认识是建立在空间对地观测、地球空间信息学和数字地球科学平台基础之上的^[4]。全球环境数据的获取是全球变化研究中的第一优先, 遥感在全球变化研究中从过去的辅助手段变成主要手段, 在某些专题研究中是唯一的手段, 如全球尺度的土地覆盖及其变化的遥感监测研究, 已从1990年代的全球1 km土地覆盖制图发展到300 m全球土地覆盖制图, 近年中国和美国先后启动全球30 m的全球土地覆盖制图^[38~42]; 美国MODIS数据共有44种标准的长时间系列的数据产品, 成为全球变化研究的重要数据源^{[43, 44]}; 利用GPM全球降水测量平台组成的对地观测星座, 实现对全球范围内每3个小时的降雨、降雪进行实时的观测和记录, 分辨率提高到9 km^{[45, 46]}; 利用AMSR-E, SMOS和SMAP主被动微波遥感数据可以开展全球地表表层5 cm深度10~40 km尺度土壤湿度变化监测研究^[47~49], 从而提高对全球气候变化、全球水循环、水资源管理与天气预报的认识^[18]。利用GMS-5和FY2静止气象卫星上地球辐射计的光学和热红外遥感信息, 可获得地面吸收的太阳辐射能量、并进一步区分感热和潜热, 从而构建地球能量收支模型, 分析地球能量和水分收支状况^{[50, 51]}。臭氧、CO₂、甲烷等大气痕量气体在全球变化中起着不可忽视的作用, 卫星上的臭氧总量制图光谱仪自1978年开始对大气中臭氧进行卫星观测, 积累了长期的卫星观测数据, 分析臭氧的衰减规律; 利用卫星上搭载的温室气体干涉监测仪, 可提供全球大气中的CO₂, N₂O, CH₄和CFCs等温室气体的遥感监测数据^[52]。

遥感在IPCC全球气候变化评估报告中的分量不断增加, 目前已广泛应用于冰川变化、土壤湿度、气溶胶光学厚度、蒸散发、天气事件、降雨、温室气体含量、污染气体含量等参数的评估^[50]。基于我国目前全球变化科学卫星的观测能力比较薄弱以及我国全球变化研究的重大需求, 同时考虑大气、陆地、海洋和人类活动等全球环境变化研究中各自关键因子的优先性和重要性, 郭华东等^[53]提出了全球变化系列科学卫星构想方案, 包括大气碳卫星、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、及全球变化月基对地观测系统7 颗卫星, 对于解决全球环境变化重大科学问题至关重要。

随着世界范围内遥感、对地观测技术的迅猛发展, 已经使得传统地球科学对于地球上的时间和空间尺度认知发生了巨大的变化, 促进地球科学对遥感进行重新定位和思考, 遥感不仅仅是为传统地球科学提供了辅助信息, 其本身实际上是提供了一种重新观测地球表面的新视角和新手段, 不能始终一味地从传统学科的角度来认知遥感, 遥感有其自身的方法论和科学范式, 这种认知过程的转变本身就体现了遥感推动地球科学的变革。

遥感获取的地表空气动力学粗糙度、感热、辐射、土壤热和潜热通量等辐射与能量参数, 为区域或全球陆面过程模式研究、流域水资源规划管理、能量平衡研究提供了极其重要的数据支撑, 并促进这些学科研究方法论的变革^[54~62]。利用LandSat和ASTER多光谱卫星数据开展冰川面积变化监测, 利用航天飞机、星载干涉雷达与星载激光雷达、ASTER光学立体像对技术获取冰面现状高程, 结合早期航空摄影地形图技术得到的DEM, 开展冰量变化监测, 极大地提升了依靠传统冰面调查为主要手段的冰冻圈科学的研究能力, 对于研究气候变化响应、海平面上升及其影响提供了重要甚至唯一的研究手段^[63]。利用中国风云系列、美国NOAA系列、欧洲METEOSAT系列气象卫星可以开展大气温湿廓线、云特性、气溶胶特性、降水反演和云迹风生成等方面的研究, 由气象卫星遥感获取的地球大气信息已经广泛应用于大气科学的多个领域, 在灾害性天气监测中发挥了重要作用。未来随着气象遥感仪器各项指标的进一步提升, 如何利用这些气象遥感资料反演出可靠的各种大气和环境参数, 并将其应用于天气分析、数值天气预报等领域将是未来气象卫星遥感应用的重要研究方向^[64~66]。

利用雷达高度计可以反演全球大地水准面、重力场、海表面地形、海流、海浪、潮汐、海表面风等动力参数信息, 还可获得海冰含量、湍流边界等海洋信息, 中国HY-2卫星雷达高度计海面高度反演产品精度达到5~8 cm, 有效波高精度可达0.4 m, 风速精度2 m/s; 利用微波散射计可以反演25 km尺度全球90%海洋表面每天的风速、风向等风场信息, HY-2微波散射计风速测量精度达到1.5 m/s, 风向精度19.5° ; 利用微波辐射计可以反演大气垂直温度分布、大气垂直湿度分布、大气水汽含量、降雨量和海面温度等全球性空间气象和海洋资料, HY-2微波辐射计对海面温度的观测精度达到1.0 K, 海面风速精度1.5 m/s, 水汽含量精度1.2 mm^[67]。利用全球每天1 km SPOT VEGETATION、全球每天300 m、每5天100 m PROBA-V、全球每天250 m MODIS数据开展从像元、生态系统到全球尺度的植被及其变化动态监测等, 都是遥感促进地球系统科学研究手段变革的典型案例^[68~75]。

与此同时, 传统地球科学学科的发展也对遥感不断提出新的要求, 使得遥感卫星计划的概念设计不断优化, 应用目标更加明确, 从而促进遥感朝着一体化、全链路方向不断发展^[76]。例如, 为了实现全球植被生长更加有效的动态监测, 不仅需要对载荷构成、重访周期、空间分辨率与幅宽、时间分辨率、星座飞行组网方式等卫星系统总体指标进行不断地优化设计和可行性协同论证, 还要对后期的卫星数据接收、定标和处理、分发和备份、应用服务及其产业化全链路流程进行一体化设计, 从而使得所发展的遥感卫星更加紧密的结合实际的应用需求, 从而最大程度的发挥遥感的作用。

学科的交叉融合是原始创新的源泉, 是催生新学科的重要成因^[77]。遥感、对地观测领域经过50多年发展, 其应用已经渗透到地球科学、信息科学、空间科学的各个分支中。

遥感与气象学、生态学、地理学、环境科学等诸多学科的深度交叉, 提供了大气、陆地、海洋等地球不同圈层复杂多变的物理、化学、生物学信息, 刻画多尺度空间异质性和长时间动态变化过程, 推动了这些学科从定性到定量、从描述到分析、从单一站点到多时空像元尺度观测的变革, 气象遥感、生态遥感、环境遥感、流域遥感、农业遥感等诸多新兴的交叉学科应运而生, 不同的交叉学科有明确的研究对象和不同的研究方法, 而且在信息提取、分析和应用方面有各自的独特性。

生态遥感是以生态系统为对象的遥感, 是生态与遥感的交叉学科, 一方面为生态系统研究与管理提供具有生态学意义的生态参量, 即综合利用多平台、多传感器、多时相卫星遥感数据源和地面观测数据, 通过遥感反演、数据同化和尺度转换获得时间上连续、空间尺度一致的生态参量; 另一方面以这些生态参量为基础, 与生态模型相结合, 发展了许多新的生态系统监测、评估与管理方法, 促使了生态遥感学科的形成。

农业遥感是农业和遥感的交叉学科, 是遥感最早出现的应用领域之一, 研究内容涵盖农业资源与基础设施调查、农作物估产或农情监测、农业灾害监测与损失评估、精准农业生产等。农业遥感提供了众多定量的农业信息, 而且有许多信息是原来没有或者非常缺乏的。作物种植面积估算、单产预测、长势监测和旱情监测是农情遥感监测中最主要的4个主题。长势监测使得农情监测具备了短期预测的功能, 可以提前预测粮食生产形势, 这也是农情遥感监测的最大优势, 也是有别于传统农业统计的关键所在。利用遥感监测长势的另一个优点是具有全局性, 避免了地面调查以点代面、以偏盖全的现象。旱灾是影响农业生产最主要的农业灾害, 而遥感是旱情监测最为有效的手段, 尽管在监测作物长势中, 能对旱情的影响有所反映, 但旱情的监测仍然有其独特的地方, 在作物不同生长阶段对作物产量的影响有所不同^[78]。利用遥感制定作物播种、精准灌溉、作物施肥、收割等系列农耕活动的计划、了解收成。

多时空尺度的卫星遥感信息为地球系统科学研究提供了海量数据信息源泉和研究新手段, 催生以阐明人地系统、全球变化、区域可持续发展中的物质流、能量流与信息流的全过程及其时空分布与变化规律为核心内容的空间地球信息科学的产生, 通过对地球系统多圈层信息流的获取、传输、处理、分析、响应与反馈机制的深入研究, 揭示复杂、开放的地球巨系统各圈层的相互作用与影响规律, 从而全面提升人类对人口、资源、环境等重大问题做出科学系统分析、评估与预测^{[79, 80]}。多源、立体协同遥感观测的优点在于融合多平台、多尺度观测, 全方位的获取空间信息, 形成从空间平台对地球和环境的综合观测能力, 以满足全球空间信息研究中整体精确性、时空一致性和动态特征分析以及相关模型模式发展的科学需要, 加深对地球系统和环境的理解, 空间地球信息科学渐露雏形。

空间地球信息科学是一门综合性极强的新学科, 它涉及对地观测领域中的遥感、地理信息系统、导航等学科, 地球科学领域中的大气、海洋、地理和地质等学科以及生态、环境、健康领域的诸多学科。空间地球信息科学理论就是研究地球空间数据的获取与聚合方法、表征模型、信息提取与知识发现机理。具体来说是指：包括对地观测数据在内的空间数据获取的机理模型、聚合模型与方法, 包括图谱认知、稀疏表征、数据融合在内的数据表征理论, 空间数据的分析模型与理论, 以及数字地球中的信息流模型与信息场理论。将地球空间数据、地学高性能计算、地球要素表达和呈现等系统进行有机集成, 构建数字地球科学平台系统, 形成地球空间信息科学研究的基础数据管理、计算、服务和工具系统环境; 建立完善空间地球信息科学理论体系, 形成空间信息产品^{[35, 81]}。

发展空间地球信息科学, 建立我国自主对地观测体系, 搭建从自主数据到自主信息服务的全产业链, 推进我国空间地球信息科学快速发展, 形成新时期空间地球信息产业群^[82]。

获取全球信息只能利用遥感^{[83, 84]}。进入21世纪以来, 经济全球化进程进一步加快, 经济外交成为国际外交的核心。我国是后发展国家, 历史上没有殖民地, 与其它国家联系薄弱, 在国际上的软实力影响较低, 如今随着综合国力的提升, 我国的国家利益已遍布全球。通过遥感进行全球资源动态监测, 把握现势资料, 充分利用国内国际2个市场、2种资源已成为主要策略。利用遥感开展全球粮食估产, 对于提高全球粮食市场透明度, 稳定国际粮价, 维护国家粮食安全、贸易水平和经济利益起到重要有力支撑。美国利用遥感进行全球估产已有20余年历史, 旨在提供可靠的全球农业产量信息, 为全球粮食市场提供信息服务^[83]。我国2013年进口农产品总价值1万亿元, 其中从美国、巴西和阿根廷3个国家进口的大豆高达5 000万t, 价值2 000亿元, 利用遥感监测这3个国家的大豆产量, 可以选择进口时机和进口国别, 以便以有利的价格进口大豆。还可以利用遥感分析世界上的后备耕地资源和禀赋, 为我国开发全球土地资源、推动进口来源国的竞争提供信息保障, 以维护国家利益^{[11, 85, 86]}。通过遥感开展碳排放气体浓度和定量化的碳收支监测, 为国际碳交易市场、政府间碳排放谈判提供重要基础数据^{[87, 88]}; 利用遥感开展跨国流域的水资源监测有利于保障跨流域国家的水资源得到科学有效利用^{[59, 89, 90]}。在地质找矿领域, 利用遥感技术可以对工作区的控矿因素、找矿标志及矿床的成矿规律进行研究, 确定疑似靶区, 同时紧密结合野外地质工作, 实现准确找矿, 如美国德克萨斯石油公司、皇家荷兰/石油壳牌公司也都有庞大的遥感队伍, 专门为石油资源的寻找提供遥感支撑和信息服务, 从而确保国家的石油资源得到有效开发、利用^{[91, 92]}。中国神华地质勘查有限责任公司也利用遥感在蒙古国南戈壁省、印度尼西亚西伊里安查亚省宾图尼市找到了煤矿^[93]。

当突发性自然灾害大面积发生时, 航空遥感可以利用其机动灵活性, 遥感卫星可以通过紧急编程、调整成像方式来实现对灾区的及时成像, 将灾区的最新信息第一时间报送决策部门。

当前, 全球面临多种自然灾害的威胁。在诸如地震、海啸、台风、旱灾、火灾、洪水等灾害应急响应中, 遥感短期内可开展灾情快速监测、灾害全面评估、以及灾害救援部署, 长时间序列上可开展灾后重建科学规划、农田、生态环境恢复监测等工作, 有效服务于政府决策^[94~99]。如在中国2008年汶川地震的抗震救灾工作中, 中国利用航空遥感飞机获取的高分辨率数据和QuickBird, Iknos, RapidEye, WorldView-2, RadarSat-2, TerraSAR等一系列航天光学与微波遥感数据及时对地震灾区进行道路交通、房屋和农田损毁、地质次生灾害等专题信息的及时监测, 形成多期灾情专报, 报送抗震救灾指挥部, 确保及时科学施救^{[100, 101]}。在汶川地震五周年之际, 中国科学院再次利用航空遥感飞机队灾区进行飞行, 获取灾后图像数据, 来对灾区5年来的建设和农田、生态环境恢复进行监测评估, 以确保灾区人民的生存环境得到改善^{[102, 103]}。在2013年澳大利亚新南威尔士发生严重山林火灾之际, 中国科学院遥感与数字地球研究所所迅速启动应急响应机制, 以最快速度获取了火灾前后的国内外卫星数据, 组织科研人员进行解译、评估, 对火灾主要集中区域的火情走势、受灾面积、可疑火灾隐患等情况进行了持续的监测, 为灾情监测的科学决策提供了非常有价值的信息^[104]。在1998年长江洪水灾害中, 我国利用航天雷达影像和气象卫星、航空遥感影像对紧急水情、淹没面积进行了监测, 为国家有关部门提供了重要科学数据^[105]。西班牙利用C波段多极化、多入射角ENVISAT ASAR影像对其西南部的湿地洪灾进行了有效监测^[106]。从20世纪80年代年至今, 遥感应用研究人员利用NOAA AVHRR, MODIS, TRMM, SPOT VEGETATION对全球火灾进行了及时有效的监测, 为政府部门提供了及时有效的火灾灾情信息^[107]。

遥感能够为客观评估各级政府落实国家各项宏观政策的效果和力度提供强有力的技术手段。当前, 耕地红线、水资源红线、生态红线等是国家实施生态文明和美丽中国战略的重要举措, 可以通过遥感在红线监测和评估方面发挥第三方监督作用。如利用遥感监测国家耕地资源、森林资源在质和量两方面的动态变化, 监测水资源的消耗状况^[108~110]。在重大生态工程方面, 遥感已经对包括三峡工程在内的多种国家大型水利工程在不同建设阶段、不同蓄水深度的生态与环境影响开展全过程跟踪监测, 及时预警预报, 还监测了三北防护林、退耕还林、退耕还草、退耕还水等工程、政策的实施效果^{[111, 112]}。在城市化进程、公安、公共健康、社会管理等领域, 都可以发挥第三方监督作用。利用遥感可以监测城市违规建筑, 中国利用国产高分辨率遥感卫星数据结合GIS和GPS在北京六环以内建立了北京市违规建筑卫星监控系统, 实现每个季度对违规建筑的监视和查处, 为市政管理和规划部门提供了有力技术保障^[113]。利用遥感可以发现毒品原种植疑点, 有效提供监测的效率和准确性, 降低一线民警的劳动强度, 为国家主管部门提供一手的真实信息, 防治瞒报虚报情况的发生^{[114, 115]}。利用遥感还可以核定各省市种粮面积, 为地方县市粮食补贴各项政策的制定提供有力依据^[116]。由此可见, 遥感作为第三方客观有效的监督技术, 可以切实为各级人民政府制定政策提供依据。

遥感起源于军事应用, 通过遥感进行军事情报收集、导弹预警、制导, 有利于提升军事斗争信息化水平, 实现“ 能打仗, 打胜仗” 的目标。据报道, 目前世界上70%以上的军事情报信息都来自遥感^[23]。根据查阅到的公开报道, 以美国为例, 美国发射的锁眼系列（Key Hole）军用侦察卫星（1960-）, 其分辨率从1960年代最初的6 m提高到KH-12的0.1 m, 并携带红外传感器^[117]; 军用雷达卫星长曲棍球系列（Lacrosse）最高空间分辨率为0.3 m^{[118, 119]}。美国国防部国家地理空间情报局（National Geospatial-Intelligence Agency, NGA）, 其前身是NIMA（The National Imagery and Mapping Agency）, 即美国国家影像与制图局, 其未来重点研究方向之一便是实现实时数据生成、处理和分发, 缩短地理空间情报生成和分发的等待时间, 提高地理空间情报的及时性^{[26, 120]}。该机构有3 000多人从事遥感专业, 他们致力于让士兵在战场上近实时获取周边地区信息, 原来是3小时, 后续提高至1小时至15分钟^{[25, 121]}。美国正在发展的“ 天基雷达” 计划将于2020年前在太空部署20颗SAR卫星, 组成天基雷达星座, 提高星载合成孔径雷达的侦察能力。美国伊拉克战争的迅捷胜利以信息主导、精确打击、空地一体、快速机动等为特征, 遥感空间信息的快速获取、处理、传输、分析以及快速决策能力起着核心和关键作用^[119]。通过遥感获取的全球范围内的云量、大气能见度、前海水色和能见度、海底水深、地形图等各种军事情报资料都是战备不可忽视的组成部分。遥感技术除了用于直接的军事侦查以外, 还可用于导弹发射预警与制导^[122]。此外, 太空安全也是未来国防安全的重要组成部分, 遥感在太空安全方面也可以发挥重要作用, 载人航天、探月工程、未来空间站计划、行星探测计划上都装有遥感探测器, 来对月球、火星、太阳系、银河系等进行深空探测, 为人类和平利用太空、维护我国的太空安全提供重要保障^[123]。