新型对地观测技术与地球健康体检

李志忠，卫征，陈霄燕,*，王建华，刘拓，孙萍萍，韩海辉，李文明，赵君，贾俊

(1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054；2.中国遥感应用协会，北京 100094；3.中国地质调查局西部绿色发展研究院，陕西 西安 710054；4.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100101)

作为国家信息基础设施在空间的延伸，对地观测(遥感卫星)系统是其重要组成部分，在提高自主对地观测信息获取能力，有力掌控空间信息资源主导权，及时把握全球经济、资源、环境、社会发展态势等方面发挥重要作用。该技术是解决全球气候变化、粮食安全、资源能源安全、环境保护、大气污染防治、防灾减灾等重大经济社会问题的必要手段，同时在引领和驱动产业升级换代，催生新兴产业增长方面具有不可替代的作用(赵文波等，2021)。

众所周知，空间遥感的发展为人类提供了从多维和宏观角度去认识宇宙世界的新方法与新手段；把地球作为一个完整的系统，来研究地球各圈层的空间结构及相互作用耦合关系；并通过遥感数据的定性定量分析，为解决地球的资源与环境等问题提供服务(赵英时，2003)。

1 对地观测(遥感)技术与地球健康体检含义及主要内容

全球人类活动的不断加剧已逐步影响到地球的健康状况。着眼于对地观测技术发展，急需开展有效的地球健康诊断、评估与识别；充分利用并提升对地观测体系的整体效能，获悉地球健康状态，对地球进行全面的体检(王焰新，2020；李志忠等，2021)。

对地观测体系为构建内涵完整的空间基础设施确立关键基础。首先，贯彻“五位一体”总体发展思路，在真值数据库、政策与标准制定等方面加大建设力度，补足空间基础设施体系设计方面的短板，形成空间基础设施的遥感能力基本框架。其次，对地观测体系沿用“高分专项”的“十要素”架构来开展顶层设计和工程建设；把握十类要素，做好顶层部署，实施战略布局；借鉴“高分专项”三年论证、十年实施的宝贵经验，合理反映体系效能型对地观测体系的特色、特征；全面发力“建强空间信息产业链”，尽快消除从科技到产业的鸿沟。第三，对地观测体系按照数据型谱来构建天地一体化的遥感卫星骨干网。数据是连接应用系统、卫星系统、地面系统的纽带，未来发展“围绕数据说话”，合理体现数据在研究、论证、规划、设计等环节的权重。革新当前以卫星设计及研制为核心的规划方式，瞄准数据、产品、服务等关键问题，以系统理念、体系思维通盘考虑，形成并运用好包括遥感需求分析统筹、体系效能优化、载荷/卫星可靠设计在内的完整论证框架(赵文波等，2021)。

1.1 谱遥感地球健康体检含义

谱遥感技术是对地观测技术的重要核心技术，综合了地物波谱、地学图谱、地表时空演化谱信息；因具有动态、快速、大范围应用等特点，是监测和分析资源、环境乃至生态状况的最佳手段之一，可作为地球健康状况检测的核心技术(李志忠等，2021)。

“谱遥感地球健康体检”即综合运用卫星遥感、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，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，构建中国和全球重点区域监测体系；用于研究危害人体健康的地表表层环境的形成条件、作用机理、分布特点、时空变化规律，进而可用于分析环境条件与元素余缺、人体状态的关系，以及环境演化特点、方向和可变性；为人类科学开发资源、打造宜居、宜业环境和防控疾病、应对重大灾害等提供依据。

1.2 谱遥感地球健康体检的主要内容

1.2.1 明确谱遥感地球体检的项目

依据地球关键带理论，地球关键带是陆地生态系统中土壤圈及其与大气圈、生物圈、水圈和岩石圈物质迁移和能量交换的交汇区域，也是维系地球生态系统功能和人类生存的关键区域，因此土壤、大气、生物、水体以及岩石将是地球体检的重点。

利用谱遥感获取数据覆盖广、速度快、光谱连续且蕴藏信息丰富的优势，可以开展土地覆盖调查、土地利用精细识别、农田作物品种分类与病虫害监测、林地与草地健康诊断；河道水体富营养化监测、湖泊水质污染研究；矿山生态恢复、森林采伐监测、草地退化监测；大城市温室气体排放监测、植被“碳汇”精准评估、中等城市土地利用变化监测、集镇聚落信息提取等各项“体检”项目(李志忠等，2021)。

1.2.2 确定谱遥感地球体检各项目的参考值——健康地球的光谱谱系

为了能更好地重建健康地物光谱，提高健康地物光谱重建精度并对其真实性进行评价，需要建设一个具有国际先进水平、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。要通过真实性检验场网等基础设施，采集全球典型地区及典型地物的特征光谱作为“真值”，并建立相应的特征光谱库和样本库，从而形成健康地球的光谱图库。

1.2.3 建立地球健康体检的技术标准体系

土壤、大气、水体等和生态环境对全球环境具有重大影响。利用构建的地球健康指标光谱分析系统，结合地球健康检查指标体系，可对全球典型地区的土壤养分、物化特性、生产力质量和水环境、大气环境、矿山环境等进行分析与评价。按照综合标准化研究的方法,构建一套应用于大气圈、土壤圈及水圈等生态环境的天-空-地地球健康体检综合标准体系的框架(图1)。

图1 健康遥感诊断指标体系构建技术路线图(以土壤土地部分为例)

1.3 谱遥感地球健康体检与健康地学

1.3.1 健康地学内涵

健康地学属环境地球科学领域，是地学、环境学、生态学、医学等多门类交叉学科，主要研究自然环境与人类健康领域的关键科学问题。人是地球生物圈的一分子，与岩石圈、水圈、大气圈和其他生物种群共同构成了地球生态系统。人类健康也往往有着地域特征，与气候、地质条件等地理学背景密切相关。因此，通过研究环境中各种元素的来源、聚集、运移，从地质角度寻找解决的技术方法，从而达到土壤或特定地质资源的健康利益产出最大化和有毒有害物质污染及人类暴露最小化；并以此为人体健康、土地规划、产业布局、经济建设提供数据和技术支撑(曹春香，2013；王焰新，2020)。

1.3.2 谱遥感地球健康体检与健康地学关系

谱遥感地球健康体检技术是健康地学的重要内容，主要使用先进技术手段开展区域乃至全球的重大自然变化监测，具有很高的动态性和时效性，可以为健康地学提供重要基础数据，是健康地学研究的重要手段和工具。

1.3.3 地球健康体检在健康地学的应用

(1)土地健康监测。土壤中各类生物所需元素含量差异很大，其对作物和牧草中元素的含量有直接的影响。由于生物圈的流动性，长期摄入作物及水中异常元素会造成地方病高发区元素缺乏与过剩的现状，影响人体健康。

根据地球健康体检的技术标准体系，基于无人机高光谱遥感技术与土壤地球化学调查技术协同进行土壤水分、有机碳、土壤盐渍化、荒漠化监测、重金属及农药污染等监测评估(汪大明等，2018；套培峰等，2020；李志忠等，2021；王建华等，2021)，查明土壤地球化学元素异常分布区域，构建关联模型，实现广域范围的宜居土壤等级评价，为人体健康、土地规划、产业布局、经济建设提供数据和技术支撑。

(2)流域性水体健康监测。流域性水体污染会导致水体的物理特征、化学特征发生不良变化，破坏水中固有的生态环境，造成水质恶化的现象，从而危害人体健康。传统地面水体污染监测技术受数据采集方式的限制，难以在数据时效性和覆盖范围上满足广泛范围水质监测要求。基于谱遥感的地球健康体检技术，通过分析水体光谱特性并建立水质参数(泥沙含量、叶绿素浓度等)反演算法，从而实现各项水质参数动态监测(祝令亚，2006；刘彦君等，2019)。

(3)大气污染环境健康监测。城市区域大气污染(颗粒物PM2.5、温室气体等)形势严峻,影响民众的日常生活和身心健康。基于星载高光谱等遥感技术全球覆盖的特点，在获取SO2和NO2等主要污染气体和CO2、CH4等温室气体分子的吸收带和吸收系数精确测量数据的基础上,可利用相应波段的高光谱数据对其进行定量反演，实现温室气体排放点源及排放量检测、大气污染物的空间分布监测及发展态势(沈焕锋等，2019；赵冉等，2021)。以甲烷为例，其在100年尺度下全球增温潜势为CO2的28倍，基于谱遥感技术的温室气体的高精准监测，在实现区域大气污染环境动态健康监测和预报的同时，也为实现“碳中和”提供精细化数据支撑(Irakulis-Loitxate I et al.，2021)。

(4)地质体结构和地质灾害探测。受极端天气、地震和人类活动等多重因素叠加的影响，滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷等地质灾害频发，威胁人民群众的生命财产安全。通过地质体结构和地质灾害的探测及监测，可以掌握灾害体变形动态，分析其稳定性，超前做出预测、预报，防止灾难发生。可采用多频段、多参数的天-空-地一体化观测技术，充分运用高分辨率光学影像、航空影像、卫星 InSAR、高光谱影像及LiDAR等高精度大范围对地观测手段，与地球物理探测、地面常规探测和观测手段有机结合，有效判读地质灾害孕灾背景、灾害特征、变形速率及发展趋势等信息，为地质灾害识别、监测、防治、评价及突发地质灾害应急处置等提供决策依据(许强，2019；许强，2020；李志忠等，2021)，实现区域可持续发展。

2 新型对地观测(卫星遥感)技术进展

2.1 遥感数据源不断改善

目前，对地观测(遥感卫星)数据应用种类繁多，遥感科技已显现出高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的“三高”新特征，不但可以被动接收地物反射的自然光，还可以接收地物发射的长波红外辐射，并能够利用合成孔径雷达和激光雷达主动发射电磁波，实现全天候对地观测(张兵，2017)。

(1)高空间分辨率对地观测。“空间分辨率指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小；空间分辨率越高，遥感图像包含的地物形态信息就越丰富。高空间分辨率对地观测技术可满足细节管理要求，用于自然资源、农业、生态、军事等领域的精细信息获取。国际上除常用Landsat/TM-30 m、SPOT-2.5～20 m和Landsat/ETM(全色波段)-15 m等多光谱数据外，应用较广的高空间分辨率遥感数据以美国的 WorldView(2007—2016)系列遥感卫星-0.3～0.5 m、GeoEye(2008)-0.5 m数据为代表，能够提供亚米级分辨率的高清晰地面图像(李劲东等，2018)。随着中国空间技术的快速发展，2014年发射的高分2号卫星(GF-2)全色谱段星下点空间分辨率达到0.8 m，迈入了亚米级时代(方臣等，2019)(表1)。

表1 主要高空间分辨率遥感数据及其参数表

(2)高光谱分辨率对地观测。高光谱遥感器成像光谱仪可获取连续几十个甚至几百个光谱通道的地物辐射信息，取得地物空间图像，同时获取每个像元包含地物诊断性光谱特征的连续光谱曲线(Goetz A F H et al.2009；张兵，2016，2017)，因此具有“图谱合一”的特性，使地物目标的属性信息探测能力有所增强。目前，常用的高光谱分辨率遥感数据光谱范围为 350～2 500 nm，覆盖可见光、近红外、短波红外光谱；高光谱传感器主要分为星载和机载(方臣 等，2019)(表2)。2018年发射的高分五号作为国际上首台宽谱、宽幅星载高光谱成像载荷，突破了宽谱、宽幅、低畸变、高灵敏度高光谱成像关键技术，将像质和畸变提升到了国际最好水平(Liu Y N，2019；刘银年，2021)。2021年中国先后成功发射高分五号02星及5 m光学02星(资源一号02E)，其中5 m光学02星将与前序卫星组网，构建高分、资源2个序列对地观测星座，全面提升中国大气、水体、陆地的高光谱观测及自然资源定量化调查监测能力；支撑及时掌控自然资源数量、质量、生态状况及变化趋势；满足在环境综合监测等方面的迫切需求，助力美丽中国建设。

表2 主要高光谱分辨率遥感数据及其参数表

(3)高时间分辨率对地观测。依据观测对象自然历史演变和社会生产过程，在实际应用中需根据研究对象采用不同时间分辨率遥感数据(陈玲，2019)。高时间分辨率遥感卫星多数为气象卫星，第三代TIROS-N/NOAA系列(1978年至今)为最具代表性的美国三代气象观测卫星之一。中国气象卫星自1988年已成功发射风云一号、二号、三号、四号共15颗。目前，中国发射的高分四号卫星时间分辨率可达min级,空间分辨率为50 m，使获取目标区域的动态变化过程数据成为可能(张兵，2017)。

(4)合成孔径雷达对地观测。合成孔径雷达(SAR)遥感属于微波遥感范畴，波段范围(1～1 000 mm)，具有全天候昼夜工作能力，不易受气象条件和日照水平的影响；在地质灾害、地面沉降、海洋预报、矿产勘查、军事应用等领域具有很高的实用价值。目前，常用的SAR卫星见表3(方臣等，2019)。中国首颗C频段全极化合成孔径雷达卫星高分三号01、02、03星分别与于2016年8月、2021年11月、2022年4月成功发射，三星将组网运行，实现1 m分辨率、1天重访，大幅提升我国雷达卫星海陆观测能力。

表3 常用SAR数据及其参数表

2.2 不断深化对地观测(卫星遥感)技术应用

自20世纪70年代中后期，对地观测技术应用已涉及许多领域。目前，已发展进入了“精致为用”能力的新阶段，新型探测手段不断涌现，人工智能(AI)、大数据、云计算等前沿技术与遥感技术深度融合，已在国土资源调查、环境监测、防灾减灾、城乡规划、农作物估产、军事侦察与打击等方面得到广泛应用(赵文波等，2021)。近年来全球环境变化研究已成为国际社会关注的焦点(沈强，2010；Ipcc，2018；Uufccc，2020)。科技部2021年12月在京发布《全球生态环境遥感监测2021年度报告》，聚焦于“全球陆域生态系统可持续发展态势”、“全球典型湖泊生态环境状况”、“欧亚大陆草原生态状况”和“全球大宗粮油作物生产与粮食安全形势”4个专题。陆地生态监测方面，中国利用遥感卫星数据己在全国范围内开展多次土地资源监测调查工作(朱明等，2019)。早在2000～2002年，国家环境保护总局先后组织开展中国西部和中东部地区生态环境现状遥感调查(高吉喜 等，2020)；专家学者利用遥感、GIS技术方法分析土地利用和景观格局时空变化特征及生态效益评估等(刘军会 等，2008；Wursthorn S et al.，2011；徐涵秋，2013；Gómez-Calvet AR et al.，2015；Mercedes B et al.，2017；强建华，2021)。土地质量监测方面，专家学者基于土壤光谱特征，进行土壤物质成分识别和定量反演、土地质量综合评价、土壤类型划分和制图等方面研究分析(王建华等，2021)。2018年，中国地质调查局在黑龙江省海伦地区开展航空高光谱遥感土壤调查，反演影响土地质量的养分、有益元素及有害元素含量，对黑土地质量进行了综合评价(戴慧敏等，2020；刘国栋等，2020；王建华等2020)。典型湖泊生态监测方面，学者利用 MODIS、CHRIS、HJ-1卫星等数据对内陆湖泊开展了水华、水质、富营养化等遥感监测(吴传庆，2008；马荣华 等，2009；朱利等，2013)。大气环境监测方面，利用气象卫星数据分析区域NO2、CH4等温室气体时空变化特征，构建AOT等反演模型等方法，实现区域大气环境污染动态监测(刘文清等，2018；韩威宏，2020)。在农业方面，国内外学者通过无监督模式(聚类分析、自组织神经网络等)、有监督模式(Fisher判别、SVM、ANN等)及半监督模式等进行作物识别(Zheng Q et al.，2018)，并开展作物长势监测、作物灾害监测及作物产量估测等工作(朱少龙等，2019)。

随着对地观测技术的不断更新发展，在高光谱成像技术上将进一步提升，探测波段进一步拓宽，新型分光方式也不断提出。以星载荧光超高光谱探测技术为例，若实现该技术的突破，将会提高叶绿素荧光监测、温室气体污染的有效动态监测和预报精度及效率，更利于地球健康环境监测，为全球植被“碳汇”精准评估，碳中和目标的早日实现提供技术支持。未来将于2035年建成新一代体系效能型对地观测体系为目标。以体系效能型公共服务新理念为导向，以满足应急需求为底线思维，支撑建设内涵完整的国家民用空间基础设施；形成由创新链、产品链、供给链、服务链、价值链、政策链和人才链构成的空间信息产业链全链条发展格局；实现卫星工程向卫星应用工程转型升级、卫星应用服务体系与服务能力现代化、卫星应用由业务服务型向体系效能型的重大跨越(赵文波等，2021)。可选择有较强应用推广前景的典型地区,与地方区域开展应用集成研究，建立地方性遥感综合监测系统，提高对重大问题的预见和处理能力，也是对地观测技术应用不断深化的重点方向(卫征，2020)。

3 基于对地观测的地球健康体检关键技术

3.1 高精度小型化光谱传感器的研发

对地观测(遥感)技术通过运用传感器/遥感器对物体实现目标和非接触目标地物电磁波的辐射、反射特性信息的获取。基于传统的大型航天、航空多/高光谱传感器，虽然可以实现大面积同步观测且时效性强，获取信息受条件限制少，但是也具有体积质量大、数据获取成本较高、数据精细程度不足等缺点。因此，需加强便携式高精度小型光谱传感器的研发，更好的满足便携和实时性高精度检测要求。高精度小型化光谱传感器便于手持、或易于轻小型无人机等航空器的搭载，结合其对起飞环境要求低，实时性好，低空成像等优点，以便实时、精准获取地物光谱特性,是航天、有人机、地面高光谱遥感的有效补充。

3.2 地球健康光谱监测网络建设

为有力支持地球体检工作，综合运用卫星遥感监测、航空遥感监测和地面站点监测等手段；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”一体化探测装备和数据处理系统，并通过云服务和计算资源保障等实现对地球健康实时监测。

3.2.1 地基地球健康光谱监测网络

地基遥感监测平台一般搭建于地表或地面以下，可以通过化学分析或光谱测量监测多种土壤、大气等参数(陶培峰等，2020)。结合全球相关站点和中国真实性检验场网及生态考察站网，如农/牧/林/草业科技站网、国家或行业野外监测站网、水文/验潮站等，构建便携式地面遥感设备建设等遥感平台网与地面监测眼。同时，可依据区域特点，按不同密度布设不同范围的地面监测物联网，包括地表及地下各类传感器的布设(联网叶面积指数—LAINet传感器、多功能植被指数—VINet传感器、土壤温湿度—SoilNet传感器、联网物候相机—PhotoNet传感器、联网光谱仪—SpectralNet传感器等)及地表气象站点、全自动太阳光度计等仪器的搭建，可实现地物高光谱信息的联网自动观测及土壤温湿度、地表植被、太阳和天空辐射亮度、气候降水、蒸散发等参数的实时动态监测，以生成地表与大气环境的地基地球健康光谱监测网络。

3.2.2 空基地球健康光谱监测网络

采用空-天同步，利用航空、航天器搭载传感器，可在全球及区域尺度上反映观测对象的宏观分布状态。通过谱遥感卫星星座组网建设，航空、轻小型无人机遥感建设，联合国内外相关优势技术力量，构建空基地球健康光谱监测网络。

以航天遥感为主，结合航空和地面遥感手段，形成长期稳定运行的“天-空-地”监测体系。通过搭建物联网平台，采用北斗、移动通讯、ZigBee无线组网技术进行通讯和数据传输，形成协同观测、技术交流、资料交换、数据共享、设施联网及开发利用等合作机制，实现对地球健康长期稳定、全面可靠、精准实时的有效监测(李志忠等，2021)。

3.3 地球健康遥感监测与评价技术

3.3.1 面向地球健康状况的特征光谱重建与评价

利用高光谱遥感数据进行地物特征光谱重建与评价，将传感器记录的DN值转化为地物的本征光谱。除了常规的波段匹配与校正、坏线修复、几何与辐射校正、噪声去除、遥感器定标等处理外，更重要的是进行图像光谱真实性评价，即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(李志忠等，2021)。

3.3.2 地球生态健康信息提取与分析

基于遥感技术的各地球生态健康指标监测及信息特征提取，可通过遥感影像分类和特征参数定量反演等来实现。遥感影像分类方法主要有传统算法，其包括指数法、监督分类和非监督分类，对野外实测数据和先验知识具有较强的依赖性；新型算法：主要包括面向对象、神经网络、决策树、专家系统分类、随机森林、支持向量机和卷积神经网络分类等，对样本质量和人工智能技术有较强的依赖性，可结合各站点实地采集数据，进行信息提取，生成数据集，进行后续分析(李志忠等，2022)。

3.3.3 地球健康诊断及评价体系构建

基于获取的地球体检遥感参数数据信息，构建地球健康评价体系，并进行综合诊断评估分析。针对全球环境具有重大影响的土壤和生态环境，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、生产力质量和水环境、大气环境、矿山环境、林草/湿地、荒漠化/沙化、污染状况等，结合地球健康检查指标体系进行分析与综合诊断评价。

3.4 地球健康体检数据共享

3.4.1 地球健康遥感诊断数据集成存储

构建地球健康遥感数据框架，建立地球健康遥感数据标准及规范，可依据元数据集、基础地理数据集、社会经济数据集、环境监测数据集、遥感数据集及知识库数据集(曹春香，2013)等分类进行集成存储，形成地球健康遥感诊断数据库。

3.4.2 地球健康遥感诊断数据共享云服务

构建地球健康遥感诊断数据共享云平台。基于云架构、大数据、分布式存储、分布式计算和人工智能等技术研发，支持遥感数据云管理、云处理、云服务，实现数据云可视化、共享化。

4 地球健康体检科学计划与区域示范

4.1 “谱遥感”地球健康体检——科学计划

土地乃万物之母，土壤健康状况可以通过食物直接影响到人类健康。随着现代农业发展，高投入产出模式带来了耕地质量退化、污染物累积等诸多问题(曾希柏，2021)。2021年11月，欧盟委员会发布《2030年土壤战略》，提出了包括荒漠化防治、退化土地土壤和富碳土壤生态系统恢复等2030年中期目标，以及到2050年完全适应气候变化影响的长期目标。中国第三次土壤普查已获得农业农村部等相关部门批准，计划于2022年—2024年实施。

在此背景下，开展土地健康体检，查明土壤健康水平，及时改良和修复显得尤为重要；需开展多圈层、多尺度、多角度、多探测介质的地球健康全面体检，不断拓展自然资源调查监测新体系的探索与创建，实时掌握地球健康水平状况，从而更好地支撑地质文化村、现代农业富硒产业园、国家公园等建设，有效服务于健康中国和乡村振兴战略。

为实现宜居地球目标，开展如下“谱遥感”地球健康体检计划：①地球健康评价体系构建及初步试验。从土壤、水、大气和生态环境健康监测出发，构建地球健康评价要素与评价指标体系；建立典型区地球健康特征光谱库和样本库，并开展“星-空-地”一体化遥感调查与评价。②明确体检项目，确定健康地球的光谱谱系，完善地球健康高光谱评价技术体系，推动申报“健康地球重大国际计划”。③研发谱遥感仪器，并建设地球健康光谱监测网络及应用示范基地。

4.2 地球健康体检示范——黄河上中游区域

黄河流域是中国重要的生态屏障和重要的经济地带，黄河源头三江源是中国重要的生态安全屏障。由于黄河中游地区生态环境脆弱，水土流失等问题突出，亟待系统开展黄河中上游地球健康监测工作。重点围绕土壤、山体关键带的综合监测需求，充分利用航天、航空、地面高光谱遥感及地球化学调查等技术，以“土壤质量+生态环境”为核心，开展面向地球健康状况的高光谱数据光谱重建与评价，完成土地健康监测及地质灾害监测。

4.2.1 土地健康监测服务乡村振兴

据黄河中上游地区土地调查与健康监测，区内98.23%的土地无重金属污染风险，适宜绿色农业发展。因矿山开采、人为活动和地质背景等原因，在白银、铜川、兰州、西安、拉脊山等地存在不同程度的点状污染。区内一等优质土壤1 221.15万亩，占比 18.91%，土壤养分以N元素缺乏为主；圈定绿色富硒土地 1 304.89 万亩(Se含量≥ 0.3 mg/kg)，为黄河中上游粮食安全、特色产业发展奠定了基础(李志忠等，2021)。

选取甘肃白银市为典型区，区内因矿山开采造成土地污染严重，为实现区内土壤生态风险的长期动态监测，应用卫星高光谱技术开展了区内土壤重金属反演；构建了Pb、As、Cd的多光谱预测模型。在此基础上，依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-2018)，开展了四龙镇土壤环境质量评价；结果表明，Pb、As、Cd元素含量都在一定程度上超标，其中Cd元素超标比较严重；高重金属含量在区域范围内没有呈现聚集特征，而是分散分布于区内的不同位置(李志忠等，2021)。

4.2.2 地质灾害监测服务村镇建设

在黄河中上游地区采用各类数据源的遥感影像开展了不同精度的地质灾害解译与识别。遥感解译过程中，综合考虑形状、大小、颜色、纹理、位置及与周边地物的位置关系，基于斯波特五号卫星(SPOT-5)或资源三号卫星(ZY-3)数据开展地质灾害与环境地质条件解译，确定地质灾害种类(图 2)，划分重点调查区和一般调查区；基于快鸟(QuickBird)或艾科诺斯(IKONOS)卫星数据开展精细化解译，服务重点区域 1∶1万高精度地质灾害调查。综合遥感解译、现场核查与调查结果，表明黄河中上游共发育有滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害20 504处。其中，滑坡10 517处，崩塌5 768处，泥石流4 579处(图3)。在此基础上，利用数字高程模型(DEM)进行坡度、坡高、坡向等信息提取，识别危险坡段；结合地形地貌、地层岩性、断裂、地震、降雨和人类工程活动等信息，开展地质灾害易发性区划或风险评价(李志忠等，2021)。

图3 黄河中上游地质灾害分布图

4.3 地球健康体检示范——全球黑土关键带天空地一体化遥感调查与监测

全球黑土地主要发育在中纬度地区，由于其富含有机质，土壤肥沃，是世界粮食安全的重要保障地区，也是全球和全人类共同的资源。经过多年高强度开垦，使得黑土地面临着很严重的退化问题。例如，土壤侵蚀、盐碱化等，也有部分黑土地由于工业活动受到污染。因此，全球黑土地资源亟需抢救性的调查和监测，明确保护方法，做好可持续的土地利用规划。在全球黑土关键带(建三江、拜泉、海伦等多地)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，实现全球黑土关键带遥感调查与健康监测(王建华等，2021)。

4.3.1 黑土地富硒监测

土壤光谱的吸收特征对有机质、黏土矿物、铁铝氧化物均具有较好的反映。因此，可通过间接法寻找Se光谱特征波段。应用高光谱短波红外航空光谱成像仪(SASI)资料，根据K、Se、黏土矿物之间的相关性及其光谱特征，通过逐步回归模型对黑龙江省建三江创业农场中黑土的 K、Se及黏土矿物含量进行了预测。结果表明，利用黏土矿物光谱反演，结合实际地球化学分析结果可准确预测土壤中Se含量(图4)。与传统地球化学图像预测相比，该方法具有更高的预测精度(李志忠等，2021)。

图4 黑龙江省建三江创业农场土壤硒含量分布图

4.3.2 黑土地微量金属元素探测

以海伦市农田黑土土壤为研究对象，利用111个土壤样本的地球化学测试数据和地面高光谱数据，探索土壤重金属与氧化铁的吸附赋存关系；构建基于氧化铁反演的土壤重金属间接反演模型，对重金属含量模型反演输出值与重金属实测值进行拟合比对(图5)，探讨微量重金属间接定量反演模型的可行性和准确性(王建华等，2021)。

图5 重金属 As、Zn、Cd含量拟合曲线模型及预测结果精度评价图

5 地球健康体检展望

5.1 构建内涵完整的对地观测遥感卫星骨干网

构建内涵完整的日常观测和应急观测骨干网，沿用“高分专项”模式构建日常观测网，以应急思维为底线构建应急观测网；在高、中、低轨道上部署适度数量的数据型谱；与海洋、大气观测等卫星系统结合，同步部署天地匹配的测控数传工具网、应用系统、软环境系统，形成“五位一体”的遥感卫星应用工程(赵文波等，2021)。

5.2 谱遥感探测新技术探索

随着对地观测技术的发展，谱遥感技术为地球健康监测、可持续发展、经济社会及国防安全做出巨大贡献。但是，目前的高光谱遥感技术还存在数据冗余大、不能在轨同时调整、信息处理和服务时效性等有待提升之处(孟凡春，2020)，仍需不断进行谱遥感新技术的探索应用。加强微弱光及静止轨道高光谱成像技术探索，可在“分钟”级内进行重复观测，大幅缩短重访周期，捕获快速变化的地物目标及其演变过程,实现全天候复杂背景下地物目标的大范围连续动态识别、监测和分类；加强星载超高光谱超高精度荧光光谱获取载荷、高精度荧光反演的荧光超光谱探测研究；通过荧光即时精准掌握植被光合作用，实现叶绿素荧光高灵敏度、大范围动态探测，为全球碳汇精准评估和“碳中和”目标的实现提供数据支撑；加强星载谱遥感载荷的轻量化、集成化、系统化建设及遥感数据的智能化自动化处理技术研究(刘银年，2021)，进一步满足环境、减灾、农业、林业、海洋、资源和气象等领域高光谱遥感的快速精细化需求，发挥其更大的价值。

5.3 加强谱遥感技术与多学科融合进行地球体检

长期以来,以高光谱为代表的定量遥感应用一直面临将地质学、遥感学、生态学、土壤学、气象学等学科与技术研究有效融合的困境。传统意义上的跨学科研究并不能从根本上实现这种融合。实际工作中研究经费的各自获取,学术视野、专业知识、研究范式等差异,使得不同学科之间缺乏有效的学科标准与统一话语体系。未来谱遥感技术地球体检不仅要充分利用“天-空-地”一体化技术,分层次部署开展长时间序列、大面积动态监测,以及重点区生物、岩石、森林、土壤和水资源等专项模型构建与监测；还需把不同学科背景的学者组织起来形成团队,围绕同一科学目标,在工作层面实现真正的协同和融合。多学科融合的显著成效已在很多领域有所体现，例如,日本、智利、美国等国因地震而死亡人数大幅度减少,与地质学家、建筑师、社会科学家和政府官员的密切合作分不开,这种合作不但改进了地震，风险评估图的质量,还改进了预估强震提高了建筑抗震性能和与此有关的建筑标准。

5.4 提升遥感技术的 “云+端”智能服务

基于“天-空-地”一体化的遥感综合观测技术，可在全球范围内开展多圈层、多尺度、多角度、多探测介质的一体化监测与评估。由于丰富多样的遥感数据资源，如多光谱、高光谱、合成孔径雷达、LiDAR等多源海量数据不便统一管理、处理、分析、发布与实时共享服务，因此需提升遥感技术的“云+端”智能服务，构建遥感智能服务云平台；基于云架构、大数据、分布式存储、分布式计算、人工智能等技术研发，支持遥感数据云管理、云处理、云服务；在形成协同观测、技术交流、数据共享、设施联网等智能云平台的同时，还需积极推动便携式高光谱遥感终端发展，形成消费电子级、轻小型、高性价比的手持高光谱仪，尤其是智能手机的高光谱仪器化，并通过云服务和计算资源保障等实现对地球健康实时监测。利用“云+端”模式打破信息“壁垒”(赵文波等，2021)，显著提升信息获取、处理、传输、分发效率将是未来空间综合信息智能服务的基础。

5.5 搭建国际网络与大科学云平台

未来可通过构建对地观测数据国家开放云平台架构，通过网络建成公有云及私有云的大科学云平台，即存储计算和网络，以此来实现对地观测遥感数据的国际和国内开放。要建设一个现代化国家、科技、科学为主的对地观测数据国际开放云平台，给全世界和国内的高等院校、科研院所提供用户服务且有益于科研合作共赢。建设国际网络及大科学云平台需具备良好基础设施、计算能力、传输网络、数据中台等良好条件，以足够应对对地观测海量数据的接收、存储、分析、传输、上传等使用。同时建设国际网络与大科学云平台既要有政策支持，也需符合现实需求。开展对地观测数据存储，处理研究，构建集观测、研究、存算于一体的对地观测数据服务生态和服务体系。