經(jīng)過(guò)五十年的發(fā)展，衛(wèi)星遙感成為在區(qū)域和全球空間尺度上探測(cè)地球最有效的工具之一，提供了之前無(wú)法想象的數(shù)據(jù)量。衛(wèi)星遙感能夠快速監(jiān)測(cè)大氣、陸地和海洋，非接觸式的觀測(cè)過(guò)程有效避免了實(shí)地測(cè)量中的限制和危險(xiǎn)。目前，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)支持了大量的實(shí)際應(yīng)用。例如，支持天氣預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)漁業(yè)、測(cè)繪、城市規(guī)劃和礦產(chǎn)資源勘探，監(jiān)測(cè)環(huán)境污染、氣候變化、海岸線動(dòng)態(tài)、海面溫度和鹽度、海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物量、海平面變化、植被、森林等，并為應(yīng)對(duì)COVID-19等科學(xué)研究提供了重要的遙感數(shù)據(jù)支撐。

尤其在近二十年，衛(wèi)星設(shè)計(jì)發(fā)展迅猛，推出了更先進(jìn)的衛(wèi)星載荷。例如，在環(huán)境領(lǐng)域?qū)Χ趸己图淄楸O(jiān)測(cè)的MOPITT、GOSAT和OCO，通過(guò)監(jiān)測(cè)大氣狀態(tài)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)和應(yīng)對(duì)氣候變化的紅外測(cè)深儀AIRS、TES、IASI、IMG和CRIS，還有多用途的MODIS、MERIS和SGLI，以及比較專用的ATSR、AATSR、MISR和POLDER等載荷。除了傳統(tǒng)的被動(dòng)觀測(cè)之外，還發(fā)射了CloudSat、CALIPSO和Aeolus等主動(dòng)觀測(cè)載荷，用于監(jiān)測(cè)云層、氣溶膠和風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)。

空間儀器技術(shù)和信息學(xué)的繁榮發(fā)展使得從硬件、數(shù)據(jù)采集和處理方面對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的限制大大削弱，學(xué)術(shù)界在管理和分析衛(wèi)星數(shù)據(jù)方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，不斷挖掘現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)集的潛力，并逐步了解如何改善未來(lái)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些進(jìn)步幫助人們了解了衛(wèi)星遙感的真正價(jià)值和潛力，但也認(rèn)識(shí)到其局限性。學(xué)術(shù)界從未停止嘗試解決遙感技術(shù)存在的基本困難，如信號(hào)與噪聲分離、準(zhǔn)確的儀器校準(zhǔn)、觀測(cè)數(shù)據(jù)信息量少且不足以完全描述地球物理化學(xué)和生物過(guò)程、可觀測(cè)目標(biāo)和對(duì)象數(shù)量不斷增長(zhǎng)等問(wèn)題。這些衛(wèi)星遙感根本問(wèn)題在實(shí)際處理過(guò)程中，往往需要通過(guò)理論模型、先驗(yàn)知識(shí)和輔助觀測(cè)進(jìn)行適當(dāng)約束，在一定程度上尚未完全解決。

當(dāng)前衛(wèi)星遙感技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括時(shí)空覆蓋的挑戰(zhàn)、增加信息量與協(xié)同觀測(cè)的挑戰(zhàn)、遙感反演算法的挑戰(zhàn)、高質(zhì)量長(zhǎng)期數(shù)據(jù)一致性和連續(xù)性的挑戰(zhàn)。著眼未來(lái)，有必要從衛(wèi)星設(shè)計(jì)、觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)應(yīng)用等多個(gè)角度梳理面臨的挑戰(zhàn)。

一、時(shí)空覆蓋的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星遙感的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠快速觀察地球的大部分區(qū)域，但當(dāng)前可用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的覆蓋范圍有明顯的局限性。低軌道中的地球極地軌道載荷通常需要至少一天或更長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，因此無(wú)法完全捕獲許多具有較高時(shí)空變異性的自然現(xiàn)象，而對(duì)地靜止觀測(cè)高軌道（GEO）載荷通過(guò)高頻次對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行晝夜觀測(cè)來(lái)解決這一局限。但是，在空間覆蓋范圍和衛(wèi)星圖像的分辨率之間仍然需要權(quán)衡取舍（通常，較高的覆蓋范圍會(huì)導(dǎo)致較低的空間分辨率）。

最理想的情況是衛(wèi)星遙感具有廣泛的高分辨率時(shí)空覆蓋，但這極具挑戰(zhàn)性。為此，衛(wèi)星觀測(cè)的設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)新，并發(fā)揮輔助數(shù)據(jù)以及互補(bǔ)觀測(cè)的協(xié)同作用，以增加時(shí)空數(shù)據(jù)記錄的覆蓋范圍和分辨率。

二、增加信息量與協(xié)同觀測(cè)的挑戰(zhàn)

盡管現(xiàn)有衛(wèi)星觀測(cè)性能已經(jīng)較高，但是這些觀測(cè)提供的信息量仍然有限。在復(fù)雜的環(huán)境中，沒有哪種單一載荷可以提供有關(guān)目標(biāo)的全面信息，因此仍須開發(fā)部署具有增強(qiáng)功能的新傳感器或其組合。例如，多角度偏振載荷可以提供表征大氣氣溶膠和云詳細(xì)特性的最合適的數(shù)據(jù)，然而由于對(duì)氣溶膠和云的垂直變化的敏感性有限，即使是目前最先進(jìn)的多角度偏振載荷也不能確保得到完全可靠的氣溶膠特性的三維表征。而以星載激光雷達(dá)和雷達(dá)為代表的主動(dòng)遙感載荷則可提供有關(guān)大氣垂直變化的詳細(xì)信息。

因此，在部署具有增強(qiáng)能力的衛(wèi)星儀器的同時(shí)，必須探索互補(bǔ)性的協(xié)同觀測(cè)，綜合在不同的時(shí)間或空間尺度上、不同光譜范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)物有不同靈敏度的載荷觀測(cè)值，并將衛(wèi)星觀測(cè)與亞軌道觀測(cè)以及化學(xué)傳輸模型結(jié)果相結(jié)合，以增加觀測(cè)的總信息量。如圖所示，在觀測(cè)云這種高度異質(zhì)性目標(biāo)時(shí)，綜合被動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)（光譜、偏振和微波）和主動(dòng)觀測(cè)（激光雷達(dá)和雷達(dá)），以降低觀測(cè)不確定性。

三、遙感反演算法的挑戰(zhàn)

算法性能是影響衛(wèi)星遙感產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵要素。實(shí)際上，一旦部署了一個(gè)載荷，就無(wú)法從硬件上提高所獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而反演算法卻仍可以不斷改進(jìn)。在過(guò)去的十年中，新的遙感反演算法取得了顯著進(jìn)步。例如，新算法傾向于使用更準(zhǔn)確的大氣狀態(tài)模型（而不是使用預(yù)先計(jì)算的查找表），實(shí)現(xiàn)氣溶膠與陸地表面特征和云特性的同時(shí)獲取，并能夠同時(shí)反演大量參數(shù)。面對(duì)協(xié)同觀測(cè)任務(wù)，則需開發(fā)適當(dāng)?shù)乃惴?，?yīng)用于不同載荷或它們的組合，并分析多源數(shù)據(jù)的結(jié)果。越來(lái)越多的研究人員以此作為算法開發(fā)的目標(biāo)，而算法演進(jìn)過(guò)程也確實(shí)表明利用協(xié)同觀測(cè)提高反演準(zhǔn)確性具有很大的潛力。

同時(shí)，把機(jī)器學(xué)習(xí)方法不斷地應(yīng)用在算法開發(fā)中得到的經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，機(jī)器學(xué)習(xí)非常適合于對(duì)地球觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。機(jī)器學(xué)習(xí)可以從數(shù)據(jù)中“學(xué)習(xí)”，并在最少的人工干預(yù)下做出決策，近年來(lái)這一方法中新興的深度學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不但應(yīng)用于遙感研究中處理和分析大量數(shù)據(jù)，并有望進(jìn)一步改進(jìn)物理現(xiàn)象的預(yù)測(cè)和建模。

四、高質(zhì)量長(zhǎng)期數(shù)據(jù)一致性和連續(xù)性的挑戰(zhàn)

長(zhǎng)期且高質(zhì)量的基礎(chǔ)變量觀測(cè)記錄對(duì)于監(jiān)測(cè)和研究地球（例如，氣候變化等）至關(guān)重要。為保證高質(zhì)量觀測(cè)的連續(xù)性，正確闡釋和解釋多載荷數(shù)據(jù)記錄中的差異和一致性成為關(guān)鍵。為此，載荷的絕對(duì)定標(biāo)和多個(gè)相關(guān)載荷間的相互定標(biāo)至關(guān)重要。校準(zhǔn)和定標(biāo)對(duì)許多新型儀器，特別是小衛(wèi)星星群本身就具有挑戰(zhàn)性。在解決定標(biāo)和數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)的問(wèn)題后，未來(lái)衛(wèi)星載荷與當(dāng)前載荷產(chǎn)生數(shù)據(jù)的延續(xù)性和兼容性也同等重要，如此才能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)和高質(zhì)量長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的連續(xù)性，確保積累的記錄滿足氣候變化等全球重大問(wèn)題研究的需求。

自第一顆衛(wèi)星發(fā)射超過(guò)半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，衛(wèi)星遙感已經(jīng)發(fā)展成為一種高度復(fù)雜的工具，提供大量數(shù)據(jù)，支撐從基礎(chǔ)科學(xué)到日常生活的人類活動(dòng)的方方面面。衛(wèi)星遙感面臨的這些重大挑戰(zhàn)，也同時(shí)孕育了該領(lǐng)域未來(lái)巨大的發(fā)展空間。在此，我們誠(chéng)摯邀請(qǐng)各位讀者貢獻(xiàn)自己的所知所學(xué)，共同解決這些挑戰(zhàn)。