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观测|遥感从被动到主动：只有想不到没有做不到

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【观测|遥感从被动到主动：只有想不到没有做不到】2月24日 ， 我国在酒泉卫星发射中心用长征四号丙运载火箭 ， 成功将遥感三十一号03组卫星发射升空 ， 并送入预定轨道 。 卫星主要用于开展电磁环境探测及相关技术试验 。发射遥感卫星 ， 从太空看地球 ， 如今已不是什么新鲜事儿 。 可是这个奇妙的事物给世界带来多少变化 ， 真是难以尽数 。在空间时代起步“欲穷千里目 ， 更上一层楼 。 ”这个道理自古以来人们就知道 。 可是要靠盖更高的楼、爬更高的山去穷极千里目 ， 显然是有局限的 ， 所以人们才有了“背负青天朝下看”的向往 。人类进入空间时代 ， 这样的向往终于变成了现实 。在人造卫星成功发射之前 ， 人们就已经开始了从太空看地球的尝试 。 1946年 ， 技术人员在一枚由V-2火箭改装成的探空火箭上安装了拍照设备 ， 在高空中拍摄了地面的图片 。1957年 ， 苏联成功发射人类第一颗人造卫星 ， 宣告了空间时代的开始 。 美国也迅速跟进 ， 在1958年发射了“探索者1号”和“先锋1号”卫星 。 “先锋1号”对高层大气的情况进行了实地探测 ， 但并没有开展遥感观测 。 而随后发射的“先锋2号” ， 则是第一颗进行对地遥感观测的卫星 。 这种自旋稳定的卫星在运行过程中需要持续旋转以保持卫星姿态稳定 ， 每旋转一次就完成一次扫描成像 ， 由此获得云层中关于云量的信息 。 进入太空后 ， 卫星的遥感设备正常工作 ， 但由于卫星自转轴的方向和计划的不一致 ， 导致信号传输出现问题 ， 实际并未获取大量数据 。对地观测卫星通过遥感设备 ， 在太空中观察地球系统中大气、海洋、陆地等系统的变化 。 通俗地说 ， 遥感可以理解成“照相” ， 但卫星遥感除了能利用人类的眼睛可以感知的可见光外 ， 还可以利用电磁波谱中各个波段的信号 ， 从中解析出不同方面的信息 。1960年 ， 美国的“泰罗斯”卫星从太空中成功传回了数量可观的遥感数据 ， 成为了第一颗成功的对地观测卫星和气象卫星 。 在此基础上 ， 美国研制了多颗NOAA卫星 ， 这种卫星搭载的遥感仪器可以从5个不同波长的通道进行遥感观测 ， 覆盖了可见光和红外信号 ， 开始具备了综合性的对地遥感观测卫星的雏形 。 虽然这些卫星是为了观测与天气变化相关的现象和物理量设计的 ， 但是科学家们随后发现 ， 他们可以利用卫星数据发现陆地、海洋等系统中更丰富的变化 。遥感从被动到主动遥感卫星的性能可以从多个方面衡量 。 最直观的是卫星遥感图像所能识别的最小单元 ， 即空间分辨率 。 空间分辨率越高 ， 就能获得越清晰的图像 ， 从图像中辨识出越细致的信息 。 同时 ， 两次观测之间间隔的时间越小 ， 就能获得越多的时间变化信息 ， 因此时间分辨率也是遥感性能的重要指标之一 。 此外 ， 还有光谱范围和辐射分辨率等指标 。获得最高空间分辨率的对地观测卫星大都位于距离地面较近的轨道上 ， 这种卫星在一个地方上空飞过后 ， 再次飞掠同一个地方的时间间隔称为重访时间 。 重访时间越短 ， 同一地点卫星数据点的更新就能越频繁 。 一般来说 ， 缩短单颗卫星的重访时间难度较大 ， 但使用多颗卫星构成的卫星星座 ， 可以显著地优化这个指标 。上世纪60年代至70年代 ， 美苏两国互相进行军事侦察的需求推动了对地遥感技术的发展 ， 当军用技术成熟后 ， 能够转化为民用卫星使用 。 在这段时间内 ， 遥感卫星能够使用的波段进一步扩展到微波、无线电、近红外、紫外等波段 ， 遥感卫星的应用也进一步扩展到测绘、农林等新的领域 。 美国的“陆地”系列卫星拥有了8个波段通道的观测能力 ， 空间分辨率提升到30米 ， “光轮”卫星搭载了可见光相机、红外和微波辐射计、紫外后向散射仪等仪器 ， 开始对海洋过程和大气过程、冰原地形展开系统的观测 。在上世纪80年代之前 ， 遥感设备只能被动接收外界发射的信号 ， 而进入80年代后 ， 主动遥感技术开始应用在遥感卫星上 。 主动遥感设备能够自行主动发射遥感信号 ， 接收并分析反射回的信号后获得遥感信息 。合成孔径雷达是一种应用广泛的主动遥感设备 ， 它利用卫星时刻处于移动中的特性 ， 从不同的位置接收发射后返回的信号 ， 能够通过星上尺寸较小的天线 ， 实现等效于大口径天线的接收效果 。 无论白天黑夜、阴晴雨雪 ， 合成孔径雷达总能够得到所探测区域的情况 。偏振成像仪是另一种常用的主动遥感设备 ， 通过检测不同波长的信号的偏振情况 ， 它可以监测到陆地和冰面的微小的运动 。而主动发射激光的激光雷达 ， 可以通过分析反射回的激光 ， 绘制地形和冰川的数字地图 ， 也可以通过荧光测量大气与地球表面的负荷参数 。 植物富含的叶绿素在被激光照射后 ， 会在特定的波长发生荧光现象 ， 检测这种荧光的存在就能获取特定地区植物的分布和数量 。 通过云层内对激光的反射和荧光现象 ， 还能探知云层内气溶胶的信息 。从上世纪90年代到现在 ， 遥感卫星的发展呈现两个主要趋势：一个是NASA、ESA等大型航天组织设计的对地观测卫星向大型化方向发展 。 例如 ， 欧洲的“环境”卫星 ， 其体积大致相当于一辆双层公交车 ， 重量高达数吨 ， 配置了多达11种不同的遥感载荷 ， 能够同时使用多个波段和探测方法 ， 获得卫星之下的地球综合信息 。另一个则是在商业遥感领域 ， 成本低廉、部署快速的微小卫星正在得到越来越广泛的应用 。 由于卫星和发射成本都能够得到控制 ， 以前无法拥有对地观测卫星的国家也能拥有专门为本国服务的对地观测卫星 。 同时 ， 利用大量小卫星组成的对地遥感卫星网络 ， 可以有效地降低卫星对同一区域的重访时间 ， 甚至实现通过低轨卫星星座对全球的高分辨率准实时监测 。 例如 ， 我国的“吉林一号”对地观测卫星 ， 重量不到1吨 ， 个头不到1立方米 。 但它拍摄的照片 ， 分辨率却可以达到0.72米 。 “吉林一号”今后将实现组网运行 ， 计划到2030年 ， 发射138颗卫星 ， 组成庞大的对地观测网络 。 全世界任何一点的实时情况 ， 这个网络都能在10分钟内获得 。应用只有想不到没有做不到巴西的亚马孙雨林被誉为地球之肾 。 然而 ， 自上世纪90年代以来 ， 愈演愈烈的非法砍伐已经成为亚马孙雨林面积缩减的主要原因 ， 巴西执法机关迫切需要一种能够对面积广大的雨林实施有效监控的手段 ， 以及时发现并制止非法砍伐 。 自2004年以来 ， 巴西国家空间研究院开发了一套森林检测系统 ， 利用卫星上的MODIS仪器数据 ， 监测规模高于25公顷的森林砍伐 。 MODIS是一种在可见光、红外等波段进行遥感探测的仪器 。 虽然这套系统提供了一定的监测能力 ， 但在长达5个月的雨季中 ， 被动传感器不能提供云层之下的林区情况 ， 非法砍伐者在这段时间内仍然能逍遥法外 。2007年 ， 巴西开始进一步引入了ALOS卫星的合成孔径雷达数据 。 除了能够穿透云层、在任何天气下均能提供雨林的监测情况外 ， 这套设备对于人为因素引起的森林面积变化特别敏感 ， 其宽阔的视场可在15天内就对面积为520万平方公里的亚马孙雨林完成一次扫描 ， 让毁坏森林的犯罪分子无处藏身 。为跨越多国的石油管道选定路径是一项复杂的工作 。 输油管道投资巨大、使用周期长 ， 对稳定性和经济性的要求也比较高 。 在规划过程中 ， 需要对沿线的地形地貌和其他自然条件进行勘察 ， 综合各种因素确定管道的路径 。 以往 ， 这项工作往往由人力来完成 ， 费时费力且成本高昂 。 使用飞机作为平台的空中遥感虽然是一种可行的替代方式 ， 但飞机的飞行又受到国家领空范围和空中交通管制的限制 。 而遥感卫星传回的图像则为石油管道的规划提供了一种省时省力的解决方案 。1912年 ， “泰坦尼克”号首航过程中不幸与冰山相撞沉没 ， 酿成了一次世纪大海难 。 时至今日 ， 海上的浮冰仍然是航行安全的重大威胁 ， 而能获取海冰的实时位置 ， 则是保障渔船、货船和邮船等各类船舶安全航行的基础 。 装备合成孔径雷达的遥感卫星可以对海冰提供监测 ， 无论天气、云量如何变化 ， 卫星都能可靠地带来关于海冰的信息 。遥感卫星的应用几乎有着无限可能 ， 某种意义上可以这样说 ， 它只受想象力的局限 。对地遥感的“天网”近年来 ， 我国的航天事业取得了巨大成就 ， 对地观测卫星也在各行业需求的驱动下得到了快速发展 。 据统计 ， 目前遥感卫星约占我国卫星总量的三分之一 ， 在气象、海洋、陆地资源、环境减灾等专门领域 ， 都已经形成了功能齐备的卫星体系 。 虽然同属于对地观测卫星 ， 但不同领域的卫星会根据该领域的需求 ， 有针对性地选择使用观测仪器和频段 。 例如 ， 海洋卫星使用的微波散射计 ， 能够更好地分析海平面附近的变化情况 ， 气象卫星使用的红外分光计 ， 则能够更好地分析大气的温度与湿度情况 。除了专门领域的对地遥感卫星外 ， 我国还实施了简称“高分工程”的通用高分辨率对地观测系统工程 。 截至目前 ， 高分工程已经成功发射了二十多颗卫星 。 这些卫星有些在高度较高的地球同步轨道上凝视星下的区域 ， 获得持续的监测数据 ， 有些则工作在距离地球表面较近的轨道 ， 获取高分辨率的信息 。 通过高分工程的实施 ， 我国建立起来了一个对地遥感观测卫星的“天网” 。高分卫星带来的高分辨率遥感数据 ， 已经在我国的许多领域内得到了广泛应用 。 例如 ， 在国土资源管理方面 ， 卫星数据可以用于土地利用的监测与调查、矿产资源开发的管理与监督 ， 地质灾害的监测与预警 。 在农业生产方面 ， 利用卫星数据可以对农作物的种植面积、长势情况作出监测 ， 对自然灾害影响农业生产的程度做出评价 。 在防灾减灾方面 ， 卫星数据可以反映森林火灾、湖泊海洋生态灾害、地震等自然灾害的整体态势 ， 为救灾调度工作提供不可替代的信息支持 。 在紧急情况下 ， 有关部门还可以让卫星应急变轨 ， 调度更多卫星更频繁地飞经发生自然灾害的区域上空 ， 带来灾区的一手情况 。脑洞大开遥感卫星还能监测疫情从直觉上讲 ， 太空中的卫星似乎对地面上的疫情防控不会有什么直接的帮助 ， 然而 ， 在过去的几年中 ， 科学家们已经成功利用卫星数据预测了非洲一种由蚊子传播的传染病的流行情况 。遥感卫星可以获取全球的大气温度、湿度等情况 ， 将卫星数据与先进的数值模型、强大的超级计算机结合后 ， 我们能够获取全球范围内的一些关键参数随时间和空间变化的情况 。 2016年 ， 科学家们发现当年盛行的厄尔尼诺现象导致肯尼亚出现了反常的多雨和高温天气 ， 为蚊子的繁殖提供了理想的条件 ， 暴发传染病的风险极高 。 预警发出后 ， 相关地区采取了必要的防控措施 ， 避免了瘟疫的流行 。 而在十年前 ， 同样的瘟疫曾经给当地造成了巨大的损失 。一个研究团队利用SeaWiFS海洋观测卫星在过去十多年中积累的数据 ， 通过卫星数据反演的水体叶绿素含量 ， 分析了水体洁净程度、当地人口情况与霍乱疫情的关系 。 在也门等国抗击霍乱疫情的过程中 ， 这个研究团队的研究结论提供了很大的帮助 。在去年新冠肺炎的大流行过程中 ， 对地观测卫星还从许多不同的角度观察到了疫情对各国生产生活的影响 。 卫星监测显示 ， 德国勃兰登堡州地区2020年3月至4月间种植的一种主要农产品的面积 ， 比上一年度减少了20%至30% 。 这可能是由于疫情引发的各国旅行限制 ， 让其他国家的工人无法像往年一样来到德国进行农业生产 。 美国航天局根据卫星获得的夜间灯光数据 ， 推算出旧金山的出行限制措施使得中心商务区的人员活动明显减少 。 使用人工智能算法对卫星获取的图像进行解析后 ， 科学家们发现 ， 3月时繁忙的纽约港口几乎成了一座“空港” ， 只有区区6艘船舶停靠在港口内 ， 表明全球供应链受到了疫情破坏 。 欧空局的“哥白尼前哨”5P卫星能够分析大气对流层中的甲烷、一氧化碳和二氧化氮的情况 ， 这颗卫星的数据表明 ， 疫情减少了人类的活动 ， 欧洲的大气污染也因此降低 。明察秋毫获取夜间灯光看经济长期以来 ， 一些习惯戴有色眼镜看中国的西方人 ， 对中国经济的高速发展持怀疑态度 ， 认为中国经济增长的数字中有“水分” 。 然而 ， 2017年三位美国研究者通过卫星获取的夜间灯光数据 ， 分析了中国经济活动的变化 。 他们的分析结果表明 ， 中国经济的实际增长速度不但没有被夸大 ， 反而有可能被低估了 。以往的不少研究都证实了经济水平和夜间灯光之间存在正相关关系 。 简单地说 ， 经济越发达的地区 ， 夜晚的灯光就会越明亮 。 对于可能由于种种因素出现误差的经济统计数据 ， 对地观测卫星提供的夜间灯光数据提供了观察经济活动的另一个信息源 。 这些美国学者利用对地观测卫星记录下的中国夜间灯光亮度 ， 与铁路货运量、耗电量等宏观数据一起建立模型 ， 得出了结论：中国经济的确以可观速度增长 ， 增长速度似乎比统计数字还要高 。天眼辟谣卫星图片戳穿“三峡大坝扭曲”谣言2019年 ， 一条“三峡大坝出现扭曲”的谣言在网络上出现 。 谣言的制造者在谷歌地图提供的卫星图中 ， 发现三峡大坝呈现扭曲的情况 ， 随即炮制了这条谣言 。 实际上 ， 三峡大坝一切正常 。 中国航天科技集团的微博晒出了我国高分六号卫星拍摄的图片 ， 笔直的三峡大坝没有出现任何问题 。造成谷歌地图图像出现错误的原因 ， 可能是在后期的处理出现了偏差 。 由于光学原理的固有限制 ， 能够获得大范围影像的设备 ， 输出的图像中可能会出现扭曲失真的畸变现象 。 在后期处理中 ， 需要对畸变进行改正 。 而对于卫星地图来说 ， 还涉及不同时刻、位置拍摄的图像的融合 。 由于目前对地观测卫星获取的数据量极大 ， 图像的后期处理一般依靠相关算法或人工智能自动处理 ， 在没有人工检查干预校正的情况下 ， 畸变导致出现大坝扭曲的失真错误 。（_原题遥感卫星 人类的“千里目”）来源：北京日报作者：李会超

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