刘茂华：如何用神奇新科技为地球做体检？
3月30日，2023城市高质量发展国际论坛暨第十三届园冶高峰论坛在杭州举行。期间的“城市公共空间与美好人居”主题论坛上，沈阳建筑大学交通与测绘学院测绘系主任刘茂华介绍了可为地球做健康体检的谱遥感科技，并分享了沈阳建筑大学、中国地质调查局、中国遥感应用协会相关团队在遥感仪器开发、调查与监测以及服务城市管理等方面的成果。
沈阳建筑大学交通与测绘学院测绘系主任刘茂华
刚刚过去的三年疫情，让人终生难忘。在过去的50年间，人类屡屡受到南极臭氧空洞、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象，全球大气升温及其带来飓风、强降雨、暴雪、龙卷风、海啸等各种极端气候影响，地震沿板块边界频繁发生，传染病从动物到人的跨越不断增多和加快。已有46亿年历史的地球，斗转星移，沧海桑田，健康状况已大不如前。
这些问题的出现，往往源自人类对地球和自然的肆意索取，导致各种资源的巨大开发与消耗和生态环境的巨大变化，进而严重影响和扰动地球表层各圈层的自然运行和水、气、碳等基础循环，对人类自身的生活和工作造成连锁式的巨大冲击。
当前对环境问题的监测分析手段主要为依据点状分布的常规地面站监测数据。这样的手段存在技术瓶颈，从时效上和区域覆盖度等问题上，无法满足环境保护事业的发展需求。
谱遥感技术的发展，使地球体检成为可能。谱遥感地球体检，是综合运用卫星遥感、航空遥感和地面站点、手持终端、岩心光谱扫描等多种监测手段，形成“天-空-地”一体化的光谱探测装备和数据处理系统，构建对中国和全球重点区域监测体系。
谱遥感核心技术，利用图谱合一的特点，实现自动识别和检测地物并制图，是监测和分析资源、环境乃至生态状况的最佳手段之一。
1.明确谱遥感地球体检项目
谱遥感地球体检以地球圈层结构为依据。大气圈、水圈、生物圈等外部圈层和地壳、地幔和地核等内部圈层，作为地球的组成部分，是地球体检关注的内容和检查的项目。
谱遥感地球体检以地球关键带理论指导。关键带是陆地生态系统物质迁移和能量交换的交汇区域，是维系地球生态系统和人类生存的关键区，是地球体检的重点。
体检项目主要包括：
大型城市温室气体排放监测、中等城市土地利用变化检测、集镇聚落信息提取；
……
2.确定谱遥感地球体检项目参考值
首先是建立健康地球要素谱系。建设具有国际先进水平、长期稳定、可靠开放的国家级光谱遥感几何和辐射定标及综合试验场。采集全球典型地区（地物）特征光谱作为“真值”，进行光谱数据库建设。
在三江平原、齐齐哈尔市和海伦市采集了大量土壤采样数据光谱曲线，构建了土壤光谱库，对已有土壤光谱进行光谱分类和主要性质预测等光谱分析，并与澳大利亚CSIRO实验室组织收集的来自7大洲92个国家的23631个土壤光谱进行了共享，编制了BASGES土壤光谱库建设规范。
3.建立地球体检技术标准体系
综合运用卫星遥感、航空遥感和地面站点等多种监测手段，基于数据挖掘、数据融合、数据协同和数据同化等关键技术，形成一整套“天-空-地”一体化的光谱探测装备和数据处理系统，构建对中国和全球重点区域监测体系。
1.地球健康评价体系构建及初步试验
面向地球健康状况的特征光谱重建与评价。利用健康地球的光谱图库对处理后形成的图像光谱进行比对，评价其失真度并进行修正或异常识别
地球生态健康信息提取与分析。利用构建的地球健康指标光谱分析系统，对全球典型地区的土壤养分、物化特性、生产力质量和水（大气）环境、荒漠化/沙化等，结合地球健康检查指标体系进行分析与评价。建立地球健康检查指标体系，对每项指标进行专家评分，并根据每项指标的权重形成对地球健康的总体评价，从而形成地球体检报告。
地球健康光谱监测网络建设。基于真实性检验场网和生态考察站网和全球相关站点，共同构建地球健康光谱监测网络，形成协同观测、技术交流、资料交换、数据共享、设施联网、开发利用等合作机制。推进我国高光谱遥感卫星研制与发射，并与其他国家和地区的高光谱遥感卫星协同运行。推动便携式高光谱遥感终端发展，并通过云服务等，实现对地球健康实时监测。
2.确定健康地球的光谱谱系
由点到面，由面到体，由表及里，由浅到深，明确体检项目确定光谱谱系。实时宏观观测空气、土壤、植被、水质等状况；实时快速跟踪、监测突发环境污染事件的发生与发展；为及时制定处理措施、减少污染损失、制定环境保护决策提供科学依据。
推动申报“健康地球重大国际计划”。
开展了全球黑土关键带天空地一体化遥感调查与监测。围绕东北黑土地保护，在三江、拜泉、海伦以及喀喇沁旗、敖汉旗等多地进行了卫星、航空、地面高光谱、地球化学分析准同步数据采集，构建了土壤质量航空高光谱综合评价模型，开展了地物特征光谱重建与评价工作，对土壤信息进行了提取与分析。
3.研发遥感仪器，建设监测网络与示范基地
“谱遥感”光谱仪研发。宽幅、宽谱、高灵敏度、高稳定性和高精度是遥感仪器实用化重要标志。
目前，已开发一系列的混合气体红外光谱分析仪、水质紫外光谱分析仪、微弱磁场监测仪，次声波监测仪等。在国产大型仪器和野外便携式分析仪研发方面取得明显进展，部分打破了国外同类产品的长期垄断局面，具有广泛的推广应用潜力。
便携式分析仪器研发也取得明显成效。
4.开展城市遥感应用，服务城市管理
这方面的工作内容主要包括：
影像深度学习加持下的城市地物快速提取，服务综合治理。
总结：地球健康，人类才能小康。谱遥感地球体检，让地球体检无禁区。发展谱遥感地球体检，将极大地助力美丽中国、健康中国建设，共建宜居地球。
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