遥感科学十年：自然科学基金项目申请资助、研究成果与发展挑战

熊巨华， 吴浩，2， 高阳， 蔡顺，3， 梁丹，4， 于文凭，5

1. 国家自然科学基金委员会 地球科学部, 北京 100085;2. 华中师范大学 城市与环境科学学院, 武汉 430079;3. 盐城师范学院 城市与规划学院, 盐城 224002;4. 浙江农林大学 环境与资源学院, 杭州 311300;5. 西南大学 地理科学学院, 重庆 400715

1 引 言

遥感科学是在空间科学、测绘科学、电子科学、地球科学、计算机科学以及其他学科交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新兴交叉学科（熊巨华 等，2022）。它是利用遥感器对地球表面的地学过程及特征进行电磁波的物理量测量，并以数字量化的形式客观地收集、记录、传输、处理、分析这一时空信息的科学（熊巨华 等，2020，2021；陈发虎 等，2021）。自从2013年4月中国第一颗国产高分遥感卫星“高分一号”的发射成功，过去十年已陆续发射升空十多颗高分卫星，并开始进行业务化运行。中国的高分系列卫星覆盖了从全色、多光谱到高光谱，从光学到微波，从被动到主动，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型，构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统，有力地促进中国遥感科学事业的发展。

国家自然科学基金委员会（以下简称基金委）是中国基础研究的主要资助机构，已经成为遥感科学基础研究最为主要的资助渠道，对中国遥感科学领域的发展发挥了重要的推动作用。从1986 年基金委成立至今，地球科学部一直将遥感科学作为一个独立的一级代码或二级代码进行管理。随着第四次工业革命的兴起和新兴高新技术的发展，基金委也在不断地进行深化改革，遥感科学申请代码的研究范畴和代码名称也发生快速的变化，前后经历了4个版本的代码变化。尤其在最新的2021 版基金申请代码推出后，遥感科学正以前所未有的深度和广度推动地理学、测绘科学与技术和新设立的遥感科学与技术3个一级学科的全面发展。但是，遥感科学一些基础研究问题十分突出，亟需提升覆盖数据处理、机理认知、遥感产品生产、综合应用服务的全链条空间信息服务能力，从而推动数据—机理—规律—决策的贯通式地理综合建模，为全球可持续发展贡献中国力量。

2 十年来国家自然科学基金遥感科学代码变化历程

1986 年至今，基金委项目申请代码共经历6 个版本，而遥感相关的申请代码一直包含其中，其发展历史悠久，重要性不言而喻。在第一版（1986 版）中，基金委地球科学部地理学科处仅设置一个一级申请代码D01地理学。第二版（1987版）将地理科学申请代码增设为两级，一级代码D01的名称由地理学改为地理学、土壤学和遥感（张朝林 等，2019），也是使用时间最长的代码，直到2008 年才升级为第三版代码，总的来看前三版本代码的更新速度较慢，对学科的发展带动和促进作用有限。然而，在过去10年间，申请代码不断优化，共经历了4 个版本，分别是2008 版、2018 版、2019 版和2021 版（高阳 等，2022）。在2008 版申请代码中，将上一版本的一级代码D01 名称变回地理学，遥感科学则是作为它的二级代码D0106遥感机理与方法；2018 版中，遥感科学的代码除了沿用上一版本的代码D0106 遥感机理与方法，还包括与之并行的二级代码D0107 地理信息系统下的三级代码D010702 遥感信息分析与应用；2019 版是对2018 版申请代码中的三级代码进行微调，而关于遥感科学领域的代码并未发生变化；2021 版申请代码进行了大的调整，将一级代码D01 地理学更改为D01 地理科学，D0113 遥感科学虽然是其中的二级代码，但是却是和冰冻圈科学（D0106）、土地科学（D0111）一样的独立、开放的学科代码（熊巨华 等，2020）。

2021 版申请代码是在国家自然科学基金委地理科学学科处领导下，组织了遥感科学领域多位专家，历经多次论证和修改完善，对其进行调整和优化而形成的。在这个过程中，遥感科学基础研究领域各位专家集思广益，对“D0113 遥感科学”的研究范畴重新界定为：电磁波与地物相互作用机理、遥感器—大气—地表辐射传输过程建模、遥感数据定量化处理、地表参数遥感定量反演、遥感与陆地表层过程模型同化、遥感地学分析与知识发现等（熊巨华 等，2022）。在遥感科学的二级代码下面设有32 个研究方向，可以分为遥感机理、遥感模型与方法、遥感应用3 大类。其中，遥感机理包括遥感探测机理、实验遥感、遥感建模、地物遥感特性测量与分析和遥感定量反演与同化理论方法，共5个方向；遥感模型与方法包括辐射与能量平衡参量遥感反演与同化、大气参量遥感反演与同化、植被参量遥感反演与同化、土壤参量遥感反演与同化、水体参量遥感反演与同化、冰雪冻土参量遥感反演与同化、遥感产品真实性检验、遥感器定标、遥感数据预处理、遥感图像分类、目标识别与信息提取和变化检测，共12 个研究方向；遥感应用包括全球变化遥感、国土资源遥感、环境遥感、湿地遥感、草地和荒漠遥感、水文遥感、灾害遥感、农业遥感、林业遥感、城市遥感、极地遥感、海洋遥感、行星遥感、社会经济遥感和遥感科学的其他方向，共15 个研究方向。遥感科学的研究主题变得更加多元化和综合化。

2021 版申请代码体系，相比于原代码体系具有逻辑更自洽、学科更融合、领域更全面、技术更重视的特征（熊巨华 等，2020）。遥感领域的申请代码，从1987 版的遥感成像机理、遥感信息处理和遥感信息模型与方法，到2008 版的遥感机理与方法，发展到目前的2021 版遥感科学。这一变化过程是为更好适应中国遥感科学发展规律，更好服务于国家对遥感科学基础研究提出的重大需求。

3 十年来遥感科学领域基金项目申请与资助概况

3.1 项目申请与资助情况分析

基金委根据科技发展趋势和国家战略需求，对设立的基金项目类型进行不断优化调整，目前共有18 种基金资助项目类型，其中申请量较大的主要包括以下6类：面上项目、青年科学基金项目（以下简称“青年基金”）、地区科学基金项目（以下简称“地区基金”）、重点项目、国家杰出青年科学基金（以下简称“杰青项目”）和优秀青年科学基金项目（以下简称“优青项目”）。2013 年—2022 年，遥感科学涉及上述6 类基金项目的申请和资助情况如表1所示。

从表1 可以看出，2013 年—2022 年，遥感科学累计接收上述6 类项目申请9000 项，获资助2049 项，获资助直接经费95994.60 万元。十年来，面上项目、青年基金、地区基金、重点项目、杰青项目和优青项目的申请数分别为3793项、4035项、551 项、212 项、145 项和264 项，其中所获资助的项目数分别为857项、1052项，86项、29项、5项和20 项，获得资助金额分别为53220.50 万元、25794.50万元、3352.60万元、8857万元、1870万元和2900 万元。与2013 年相比，2022 年6 类项目申请数增加344 项，增长45.26%。其中，面上项目申请数增加150 项，增长46.58%；青年基金申请数增加144 项，增长41.62%；地区基金申请数增加34 项；杰青项目申请数增加6 项，优青项目申请数增加13 项；重点项目申请数减少3 项。总体上看，这6类项目在十年间的申请数逐年上升，获资助数量也有小幅度上升。其中，面上项目和青年基金的获资助项目数总体上呈小幅度的增加，虽然在2021 年有小的波动，但不影响整体趋势。对于面上项目，2021 年和2022 年基金委资助的项目数量稍微有所下降，这主要是在新的代码体系下，原来一些单纯利用遥感数据、而没有在遥感机理上寻求突破的应用基础类型的项目，逐渐选择其他申请代码而形成的，这也符合遥感科学申请代码设置的初衷。此外，区域创新发展联合基金发展非常迅速，近四年来遥感科学领域共接收到27项申请，资助6项，资助金额1548万元。

表1 2013年—2022年期间遥感科学项目类型的申请与资助情况Table 1 Application and funding of remote sensing science projects from 2013 to 2022

3.2 依托单位申请及获资助情况

2013 年—2022 年，遥感科学共收到来自665 个依托单位的项目申请，其中326 个依托单位获得资助。对这十年间获资助项目总数排名前20 位的依托单位的申请和资助情况进行分析（表2），累计获资助项目数排名前三的依次是中国科学院空天信息创新研究院（320 项）、武汉大学（117项）和北京师范大学（87项）。累计获资助项目经费排名前三的依次是中国科学院空天信息创新研究院（19614.60万元）、武汉大学（9841.36万元）和北京师范大学（8066.58 万元）。在各依托单位中，中国科学院空天信息创新研究院在面上项目、青年基金、重点项目和杰青项目的每一类项目中，获资助数都是最多的，而武汉大学在优青项目中获资助数最多。通过对各依托单位的基金项目申请与资助数量分析可知，科研院所是申请基金项目的重要单位，其次是高等院校。相对来说，科研院所申请项目涉及的领域比高等院校更广一些。

表2 2013年—2022年期间获资助项目总量前20名依托单位的部分项目申请与资助情况Table 2 Some project applications and grants of the top 20 supporting units of the total funded projects from 2013 to 2022

3.3 遥感科学各研究方向申请情况

在遥感科学领域32 个研究方向中，2021 年和2022 年面上项目和青年基金申请数的统计结果如图1 和图2 所示。从图1 可以看出，在面上项目申请中，2021 年申请数超过30 项的研究方向包括目标识别与信息提取（52项）、农业遥感（46项）和遥感图像分类（42 项）；2022 年则包括农业遥感（58 项）和目标识别与信息提取（37 项）。因此，面上项目的研究热点主要聚焦在农业遥感、目标识别与信息提取和遥感图像分类3 个方向上。2021 年和2022 年的面上项目申请数在10—30 的研究方向差异不大，遥感机理类研究方向包括遥感定量反演与同化理论、遥感探测机理及遥感建模等；遥感模型与方法类研究方向包括植被参量遥感反演与同化、辐射与能量平衡参量遥感反演与同化、大气参量遥感反演与同化变化检测及遥感数据预处理等；遥感应用类研究方向包括环境遥感、城市遥感、林业遥感及湿地遥感等。在面上项目申请的热点研究方向中，遥感机理与方法研究要多于遥感应用研究。近两年的面上项目申请数低于10 项的研究方向主要包括行星遥感、海洋遥感、极地遥感、社会经济遥感、国土资源遥感、遥感器定标及实验遥感等。可见，面上项目申请不太关注遥感应用研究方面。

图1 2021年—2022年遥感领域研究方向面上项目申请数统计结果图Fig. 1 Statistical results of applications for General Program in the research direction of remote sensing from 2021 to 2022

在图2 中，青年基金申请数在2021 年超过30项的研究方向包括农业遥感（46项）、目标识别与信息提取（41项）、城市遥感（34项）和植被参量遥感反演与同化（33项）；2022年则包括农业遥感（46 项）、遥感图像分类（43 项）、目标识别与信息提取（42项）、环境遥感（31项）和植被参量遥感反演与同化（30项）。它的研究热点与面上项目相一致，主要聚焦在农业遥感、目标识别与信息提取和遥感图像分类3个方向上。这两年的青年基金申请数在10—30 的研究方向主要包括湿地遥感、林业遥感、遥感数据预处理、水文遥感、灾害遥感、国土资源遥感及变化检测等；申请数低于10项的研究方向主要包括海洋遥感、极地遥感、行星遥感、社会经济遥感及实验遥感等。

图2 2021年—2022年遥感领域研究方向青年基金申请数统计结果图Fig. 2 Statistics of the number of applications for Young Scientists Fund in remote sensing research from 2021 to 2022

通过横向比较，不论是面上项目还是青年基金，申请人大都在关注农业遥感、目标识别与信息提取和遥感图像分类3个研究方向。这些研究热点与国家的政策相辅相成：农业遥感的研究可以有效地推动国家粮食安全、“乡村振兴”、“一带一路”战略；目标识别与信息提取、遥感图像分类则是在当前大数据时代下，遥感科学与人工智能交叉的前沿研究方向。在面上项目和青年基金两种类型的项目中，行星遥感、极地遥感、社会经济遥感及实验遥感等研究方向没有得到申请人应有的重视，在以后的评审和资助工作中，同等条件下可以予以倾斜。

3.4 项目申请人的年龄结构

2013 年—2022 年，遥感科学领域的全部基金项目申请人年龄结构如图3所示，可以看出，十年来45 岁以下的申请人比例超过了85%，45 岁以上的还不到15%，其中比例最大的是30—34岁年龄段的申请人，说明遥感科学基础研究队伍非常年轻。

图3 2013年—2022年所有申请人的年龄结构分布Fig. 3 Age structure distribution of total applicants from 2013 to 2022

2013 年—2022 年，面上项目和青年基金申请人的年龄结构如图4 和图5 所示。十年来面上项目申请人的年龄变化趋势与所有项目申请人的年龄变化趋势基本一致，都是以45 岁以下的申请人为主，其比例一直都超过80%。但是，面上项目的申请人中几乎没有30 岁以下的，这主要是由于面上项目申请人在取得博士学位后一般在28—30岁，他们会首先选择申请青年基金，而不是直接申请面上项目，这批人获得青年基金再申请面上项目时一般会在30 岁以上。大部分面上项目申请人在35—44 岁，人数比例超过了55%，而大于50 岁的申请人较少，比例还不到10%。在青年基金项目中，大部分申请人集中在30—33 岁，人数比例超过60%。

图4 2013年—2022年面上项目申请人的年龄结构分布Fig. 4 Age structure distribution of General Program applicants from 2013 to 2022

图5 2013年—2022年青年基金申请人的年龄结构分布Fig. 5 Age structure distribution of Young Scientists Fund applicants from 2013 to 2022

另外，有两个值得注意的现象：一个是无论在所有项目还是在面上项目中，30 岁以下的申请人数在近十年内比例逐渐减少，这是否预示着近几年会出现遥感科学基础研究的人才断层，需要引起广大遥感科学界同仁的关注。另一个是在最近十年，每年都有年龄60 多岁、甚至70 多岁的面上项目和重点项目申请人，说明仍然有一批退休的遥感科学老专家活跃在基础研究的一线。

4 遥感科学领域研究热点和取得的主要成果

4.1 遥感科学领域研究热点

在2013 年—2022 年间，遥感科学领域的面上项目和青年基金的研究热点如图6 所示。总体来看，基金委资助的关于遥感科学领域的面上项目和青年基金研究热点聚集于高光谱遥感、多光谱遥感、热红外遥感和可见光—近红外遥感4大前沿领域，近年来深度学习已经成为遥感图像处理、特征提取技术的热点方法。在遥感科学领域获批的面上项目与青年基金的区别在于前者的研究更加倾向于领域，后者的研究更加倾向于方法，例如面上项目申请人还在关注多角度遥感、雷达遥感及光学遥感等方面；青年基金申请人还在关注土壤水分、地表温度及特征提取等方面。

图6 遥感科学获资助项目的关键词热点Fig. 6 Key words of funded projects

4.2 遥感科学领域研究取得的主要成果

2013 年—2022 年共有1139 项顺利结题。共获得国家级奖励31 项，省部级奖励204 项；发表期刊论文14282 篇，其中SCI/SSCI 论文8130 篇，EI论文3765 篇；共计申请专利981 项，授权专利894 项；培养出站博士后92 名，研究生3513 名。在国家自然科学基金项目的持续支持下，相继在全球气候变化、全球碳循环、水环境研究等多个领域取得重要的研究成果，对西部测图、农业灾害监测、航天重大工程、环境质量监测、全球地表覆盖制图、高光谱遥感、地表水热反演等多个方面的先进科学技术成果进行了推广应用，促进了高新技术产业化，并在此过程中做出了创造性贡献。

2013 年—2022 年，中国遥感科学领域科学家在Science、Nature Geoscience、PNAS 等国际综合性学术期刊上发表论文，且发表数量不断增多。例如，在全球气候变化方面，北京大学朴世龙教授团队利用MODIS 卫星遥感数据，系统分析了中国的新增人工林如何通过辐射和湍流能量改变地表温度以及潜在的气候效益，为未来造林项目提供了重要的理论支撑，成果于2014年发表在PNAS上（Peng 等，2014）。在全球碳循环方面，南京大学张永光教授团队利用长时序卫星遥感数据，系统分析了全球植被二氧化碳施肥效应的长期变化格局，发现近40 年全球植被二氧化碳施肥效应呈显著减弱趋势，为未来全球陆地碳汇潜力评估提供了重要的理论支撑，成果于2020 年发表在Science 上（Wang 等，2020）。在水环境研究方面，南方科技大学冯炼教授团队提出了基于水体绿度的藻华遥感全自动识别算法，并通过对1982 年—2019 年的全球248243 个淡水湖泊的藻华信息提取，发现了全球藻华暴发频率与暴发面积在2010 年后显著增加，成果于2022 年发表在Nature Geoscience上（Hou等，2022）。

2013 年—2022 年，在基金委的支持下，遥感科学领域相关研究获得了多项国家奖励。中国测绘科学研究院张继贤研究员团队完成的项目“机载多波段多极化干涉SAR 测图系统”和“国家西部测图工程技术体系及其应用”分别在2013 年和2014 年两次荣获国家科技进步奖二等奖；中国农业科学院唐华俊研究员团队完成的项目“农业旱涝灾害遥感监测技术”获2014 年度国家科技进步奖二等奖；同济大学童小华教授团队完成的项目“航天重大工程的遥感空间信息可信度理论与关键技术”和生态环境部卫星环境应用中心王桥研究员团队完成的项目“国家环境质量遥感监测体系研究与业务化应用”分别获2016 年度国家科技进步奖一等奖和二等奖；国家基础地理信息中心陈军教授团队完成的项目“全球30 m 地表覆盖遥感制图关键技术与产品研发”获2017 年度国家科技进步奖二等奖；中国科学院空天信息创新研究院张兵研究员团队完成的项目“高光谱遥感信息机理与多学科应用”获2018 年度国家科技进步奖二等奖；中国科学院地理科学与资源研究所李召良研究员团队完成的项目“地表水热关键参数热红外遥感反演理论与方法”获2019 年度国家自然科学奖二等奖。

5 遥感科学领域存在的主要挑战

5.1 聚焦遥感机理的基础研究有待加强

遥感科学是一门以地球科学、物理学、计算机科学、光学等多门学科为基础的交叉学科，其物理机理、建模与反演研究涉及到传感器性能、大气条件、地物分布、观测平台尺度等多个复杂因素。针对众多因素，虽然中国已经在单个因素机理性研究上取得了多项成果，但综合考虑遥感辐射传输过程多个因素耦合的基础研究仍显不足，亟需开展顾及全谱段、全天候、全链路、空天地人多尺度平台、多类型地物交错分布因素的遥感机理基础性研究，建立系统完善的多因素耦合的遥感辐射传输基础理论体系。

5.2 引导传感器研发能力有限

目前，中国遥感科学领域研发了多种遥感传感器，并运用于国产高空间、高光谱、雷达、微光、视频等各类遥感卫星成像，在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率上取得巨大的突破。然而，中国遥感传感器载荷研制与实际应用的关联性不强，在科学前沿性上也存在不足，在面向重大国家需求与行业应用时，引导传感器设计与载荷研制的能力有限。新型遥感传感器研发不仅要追求空间、光谱、时间等技术与精度指标，更要着重考虑科学和应用需求。为此，可以在以下两个方面进行考虑：一个是着重考虑应用中的重点监测目标的电磁波谱敏感特性，设计相应空间分辨率、中心波长、光谱分辨率、光谱范围与成像模态的专用遥感传感器载荷；另一个是探求新的成像技术和成像模式，持续突破和实现存在技术“卡脖子”的传感器的国产化，加大新体制遥感成像载荷研发与应用研究支持力度，例如智能遥感卫星系统、多星协同与组网模式等，实现高频次、大范围、全天候、全天时兼顾的覆盖能力。

5.3 支撑国家重大需求的能力有待提升

遥感科学同“乡村振兴”、“自然生态保护与修复”、“国土空间用途管制”、“一带一路”、“可持续发展”等国家重大发展战略关系密不可分。随着遥感技术的发展，为自然资源监管、重要生态屏障监测、粮食稳产增产等方面提供了全面的数据保障。但是，当前遥感科学的基金申请在水文遥感、灾害遥感等方向的申请数量较少。

对于如何推演出各行业所关心的地学规律，进行精准推测和决策，则是当前难题，支撑国家重大需求的能力仍需提高。亟需在遥感大数据解译与定量反演等方法体系中引入行业领域知识，将遥感物理模型、地学知识和人工智能技术结合，构建多模态遥感大数据驱动和知识引导下的智能化遥感信息处理、反演与推测体系，充分挖掘遥感数据价值并提升其应用水平，以更有效地服务国家战略需求。

5.4 基于国产高分遥感卫星的研究有待提高

十年来，国产高分遥感系列卫星不断升空，中国在高分辨率系列遥感卫星的建设上取得显著成就，特别是“高分辨率对地观测系统重大专项”和“国家民用空间基础设施”的实施，使中国在高分遥感领域有了体系化的成果。但是，围绕国产高分遥感卫星的基金项目的申报数量仍然偏少，还不到整体的10%，并没有随着高分系列卫星的丰富而得到实质增长，更多的研究主要还是使用国外遥感卫星数据。后续需要开展更多的关于国产高分遥感卫星数据的研究，例如，进一步提高国产高分遥感数据的管理能力、进一步增强国产高分遥感数据的应用能力、进一步挖掘国产高分遥感数据中的大数据价值，推动国产高分遥感卫星数据的研究迈上新台阶。

6 结 语

十年来，遥感科学领域的基金项目申请数持续升高，申请质量也越来越高，并且越来越重视遥感科学的基础研究。遥感科学领域鼓励综合性、探索性和前瞻性项目申请，鼓励围绕“生态文明建设”、“一带一路”、“乡村振兴”、“国土空间规划”等国家重大需求开展前沿交叉研究。遥感技术的兴起和快速发展，已经成为当前地理科学研究最为重要的大数据来源，同人工智能进行交叉融合引发了地理科学研究范式的改变，在地理科学领域中开创了数据驱动的地理知识与规律的自动提取，推动了地理事件与现象的可解释性因果分析，提升了人类对地理问题的认识和预测能力，支撑了构建时空大数据分析的科学范式和技术体系。国家自然科学基金将从国家急迫需要和长远需求出发，持之以恒加强遥感科学的基础研究，推动中国“十四五”时期以及更长一个时期在遥感科学领域的发展。