從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識：全球變化與大數(shù)據(jù)的遙感信息科學研究

金亞秋

（復旦大學電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海200433）

卷首文摘

從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識：全球變化與大數(shù)據(jù)的遙感信息科學研究

金亞秋

（復旦大學電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海200433）

金亞秋上海市人，電磁波物理與空間遙感科學家。中國科學院院士、發(fā)展中國家科學院院士?，F(xiàn)任復旦大學教授、電磁波信息科學教育部重點實驗室主任。研究領域為復雜自然環(huán)境中電磁波散射與輻射傳輸、空間遙感與對地對空目標監(jiān)測信息理論與技術、復雜系統(tǒng)中計算電磁學等。

全球變化是全人類共同關心的社會持續(xù)發(fā)展的重大問題。了解地球大氣、氣候、海洋、陸地、水文等時間（多年多季等）與空間（全球與區(qū)域）多尺度的定量定性科學信息，特別包括重大環(huán)境變化的特征信息、變化信息及其響應信息，如極端氣候（高溫、低溫等）、突發(fā)頻發(fā)自然災害事件（暴雪冰凍、暴雨洪澇、干旱、沙暴、臺風、地震、污染等）的檢測、監(jiān)測、預警與及時評估，土壤植被積雪凍土等陸地表和大氣溫濕度等季節(jié)變化對地表生態(tài)系統(tǒng)（如碳、氮釋放與循環(huán)變化等）等是全球時空環(huán)境變化及其引起其他相關變化的科學知識、科學評估與科學對策的關鍵技術。沒有準確的定量化的地球環(huán)境特征參數(shù)與關鍵因子的時空變化信息，也就失去了全球變化研究的科學基礎。

衛(wèi)星空間遙感是20世紀下半葉人類認識自身地球環(huán)境的最重要的科技進展。自20世紀70年代持續(xù)至今的各類多頻段（可見光、紅外、微波）多通道的衛(wèi)星遙感計劃提供與積累了海量般數(shù)據(jù)，也就是今天熱議的“大數(shù)據(jù)”，它徹底改變了人類在有限的時間與空間（如離散地基臺站、離散時間觀測）認識大自然的概念、方式、手段。近三十多年間，我國的風云氣象衛(wèi)星（FY）、海洋衛(wèi)星（HY）也逐步與國際衛(wèi)星遙感一起獲取了對大氣陸地海洋觀測的大量數(shù)據(jù)，取得了可觀的成績。可以說空間遙感是能向全球變化研究提供時間與空間多尺度多類海量觀測數(shù)據(jù)的唯一的高技術手段。全球變化研究迫切需要空間遙感積累的數(shù)據(jù)和能提供的科學信息能力，它可以看成是問題求解的參數(shù)條件、邊界條件、初始條件與實驗驗證。但是，在我國全球變化十多個重大專項中尚缺少以空間遙感技術與數(shù)據(jù)源出發(fā)的全時空尺度變化的數(shù)據(jù)參數(shù)及其定量信息的支撐研究。而在國際上，這方面的研究也尚起步，或許這倒成了我們未能予以注視的理由。

要指出的是，遙感觀測數(shù)據(jù)是復雜自然介質（大氣陸地海洋等）的電磁散射與電磁熱輻射，并不直接是我們需要的各類地球物理參數(shù)（如溫度、濕度、風速、雪深、雨強等）定量信息，更不直接提供自然事件規(guī)律性的科學知識。必須要進行觀測環(huán)境與對象的正演研究、觀測大數(shù)據(jù)的反演和定量科學信息提取的研究，這也就是“從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識”的新技術科學內涵的轉化過程。這就要求開展理論建模、數(shù)值模擬，反演同化、重構、多維度信息融合等研究。因此，今天廣泛熱議的大數(shù)據(jù)研究除了包括發(fā)展大容量高密度數(shù)據(jù)存儲、傳輸、控制、防護、網(wǎng)絡化處理等技術問題外，其大數(shù)據(jù)信息轉化的科學問題與以往的正演反演研究并沒有本質性改變。我們仍然是在做同一件事，即“從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識”。進一步地，若我們簡單地認為大數(shù)據(jù)就是大信息，或僅限于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、四則運算與圖解，忽略了或遮蓋了新技術內涵的科學問題的研究，完全不利于科學研究穩(wěn)步有效的品質上的進展。

由于微波遙感具有全天時、全天候、能穿透云雨和淺層植被、對水含量敏感等特點，隨著多通道、多極化、主被動結合、高分辨率與成像技術的發(fā)展，微波遙感已成為全球性與區(qū)域性環(huán)境變化與目標識別研究的最重要的遙感與監(jiān)測手段?？臻g遙感數(shù)據(jù)的標定與驗證，依據(jù)散射輻射傳輸機理建?！M—反演研究，以特定區(qū)域積雪、旱澇、沙暴、高低溫度等環(huán)境特征變化為典型事件，從“區(qū)域性特征事件遙感數(shù)據(jù)定量信息反演”“遙感信息的全時空尺度變化與驗證”“遙感多維度信息融合”等幾個方面進行研究，提出能支持全球變化研究的多時空（長時間序列與全球多尺度）多事件空間遙感定量信息的新理論新方法新數(shù)據(jù)鏈、應用于全球變化研究的空間遙感信息反演獲取的實用方法與應用實施、提供服務于全球變化研究的遙感大數(shù)據(jù)源與時空定量信息源，是一項十分重要的科學任務。其規(guī)律性認識是今后全球變化科學知識的豐富泉源。

目前的技術困難在于：1）缺少全球各地區(qū)各時候能有效應用的反演算法。這種算法既要適合多變的自然條件，也要有效、簡單，能符合全球與區(qū)域性變化信息的要求。2）多年多計劃（極化與頻率的多通道）星載遙感數(shù)據(jù)如何協(xié)成一致地用于業(yè)務應用，而不只限于一時一事一地的試驗解讀。3）遙感參數(shù)反演（包括結合大氣海洋陸地水文同化）提供什么產(chǎn)品與全球變化所關心的目標相關聯(lián)。這些問題的研究進展是遙感信息新的科學任務。

我國要發(fā)展多類研究型小公司，它們能緊密地吸收國內外大學基礎研究的新成果，同時接受與完成國家需求單位（如國家衛(wèi)星氣象中心、國家海洋預報中心等）的應用任務。例如，圍繞美國國家航空航天局（NASA）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等都有多個研究小公司，它們不屬于國家機構性質的NASA、NOAA，但通過合同直接得到這些單位的經(jīng)費，不必為SCI論文努力，但只要任務做好，就能得到穩(wěn)定的經(jīng)費支撐。這與從事基礎性創(chuàng)新研究的大學是完全不同的，“生、旦、凈、丑”演好自己，這樣從基礎研究到應用開發(fā)形成分工明確的環(huán)節(jié)鏈。在處理全球變化與大數(shù)據(jù)的遙感信息研究中，與其他科學技術創(chuàng)新與發(fā)展的問題一樣，也需要這樣的研究環(huán)節(jié)鏈。

—— 摘自《科技導報》2015年 第3期 第1頁