“數(shù)字地球”的開(kāi)路先鋒

紫曉

地球的各種信息，都可以用數(shù)字來(lái)表現(xiàn)，這就是遙感衛(wèi)星的饋贈(zèng)。

去年11月29日至12月2日，由中國(guó)科學(xué)院主辦，國(guó)內(nèi)17個(gè)部門(mén)聯(lián)合發(fā)起的“數(shù)字地球”國(guó)際會(huì)議在北京召開(kāi)。來(lái)自27個(gè)不同國(guó)度、不同膚色的科學(xué)家們滿(mǎn)懷欣喜之情，用不同的語(yǔ)言描繪著數(shù)字地球的前景。在新的世紀(jì)，以資源衛(wèi)星為代表的遙感衛(wèi)星將大出風(fēng)頭，“數(shù)字地球”將把人類(lèi)生活帶入更加美好的未來(lái)。

中國(guó)龍年春節(jié)的喜慶氣氛未盡，由中國(guó)和巴西聯(lián)合研制的中巴地球資源衛(wèi)星正式交付使用了。它的成功運(yùn)行，不僅給奔跑在數(shù)字化大道上的中國(guó)再添羽翼，而且還將給人類(lèi)構(gòu)筑的“數(shù)字地球”帶來(lái)福音。

進(jìn)入外層空間是20世紀(jì)最偉大的技術(shù)成果之一，而以資源衛(wèi)星為代表的對(duì)地遙感衛(wèi)星的出現(xiàn)，信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和遙感影像空間分辨率的提高，進(jìn)一步加深了對(duì)地球的了解。

“數(shù)字地球”這一概念是由美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐?998年首次提出的。數(shù)字地球的目標(biāo)是要建立一個(gè)完全信息化的地球。把地球上每一點(diǎn)的所有信息，按照地球坐標(biāo)，整理構(gòu)成一個(gè)不但具有時(shí)間維而且具有空間維的全球信息模型，這樣就可以使每一個(gè)人都能夠快速、準(zhǔn)確、完整地了解和利用地球上的各種信息。這些信息包括：高分辨率的地球衛(wèi)星圖像、數(shù)字地圖及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和人口統(tǒng)計(jì)等。數(shù)字地球所提供的數(shù)據(jù)和信息將有助于解決資源、環(huán)境和災(zāi)害問(wèn)題，對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有重要的意義?！皵?shù)字地球”與空間對(duì)地觀測(cè)密切相關(guān)，它的發(fā)展必須建立在空間對(duì)地觀測(cè)的基礎(chǔ)之上。空間對(duì)地觀測(cè)的飛速發(fā)展，為發(fā)展數(shù)字地球創(chuàng)造了必要條件。

太空閃爍“千里眼”

千百年來(lái)，人們觀察地球的手段是多種多樣的，隨著地球資源衛(wèi)星的出現(xiàn)，航天觀測(cè)便由此誕生，這種觀測(cè)方法，克服了地面、地下和航空三種觀測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且局限性較大、動(dòng)態(tài)性較差的弱點(diǎn)。

地球資源衛(wèi)星之所以神通廣大，是因?yàn)樗镜酶?、看得遠(yuǎn)，對(duì)地球大范圍的情況能夠一覽無(wú)遺，可以對(duì)資源進(jìn)行宏觀、綜合、動(dòng)態(tài)、快速的調(diào)查，同時(shí)，它還具有適時(shí)地、不間斷地傳遞信息的功能。它的出現(xiàn)，從根本上改變了人類(lèi)觀測(cè)地球的方法，它不僅使人類(lèi)從宇宙空間觀測(cè)地球上的大千世界及其變化，而且把人的視覺(jué)從可見(jiàn)光范圍擴(kuò)展到紫外、紅外以及微波輻射區(qū)，使人類(lèi)對(duì)地球的觀測(cè)進(jìn)入全新階段。

地球資源衛(wèi)星是在氣象衛(wèi)星的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它經(jīng)歷了60年代的奠基，70年代的發(fā)展，80年代的輝煌的階段。今天，在我們居住的地球外層空間，有數(shù)以百計(jì)對(duì)地遙感衛(wèi)星，每時(shí)每刻都在注視著地球，資源衛(wèi)星以其豐碩的成果成為閃爍長(zhǎng)空的璀璨明星。

作為地球資源衛(wèi)星的鼻祖，1972年7月23日，美國(guó)發(fā)射了世界上第一顆資源衛(wèi)星“陸地衛(wèi)星”1號(hào)，而在此后的10年里，相繼發(fā)射了“陸地衛(wèi)星”2號(hào)和3號(hào)。這2顆衛(wèi)星屬于第一代資源衛(wèi)星，裝有返束光導(dǎo)攝像機(jī)和多光譜掃描儀，分別有3、4個(gè)譜段，分辨率80米，幅寬185公里。據(jù)有關(guān)部門(mén)估計(jì)，世界各國(guó)從這3顆衛(wèi)星上共接收?qǐng)D像45萬(wàn)幅，投資收益比達(dá)1∶14。這3顆衛(wèi)星的成功，還使資源衛(wèi)星的實(shí)用價(jià)值得到了充分的展現(xiàn)。

1982年7月和1984年3月，美國(guó)又分別發(fā)射了第二代資源衛(wèi)星“陸地衛(wèi)星”4、5號(hào)。這兩顆衛(wèi)星屬于實(shí)用型衛(wèi)星，在技術(shù)上有了較大的改進(jìn)，衛(wèi)星平臺(tái)采用了新設(shè)計(jì)的多任務(wù)模塊結(jié)構(gòu)，增加了主題繪圖儀，可通過(guò)“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”傳輸數(shù)據(jù)。

“陸地衛(wèi)星”6和1999年4月15日升空的“陸地衛(wèi)星”7是美國(guó)第三代資源衛(wèi)星，這顆造價(jià)8億美元的衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命提高到5年，采用了增強(qiáng)的主題繪圖儀，熱紅外波段探測(cè)器由過(guò)去4個(gè)提高到8個(gè)。它能在8個(gè)不同譜段對(duì)來(lái)自地球的可見(jiàn)光、紅外線和反射的全色光進(jìn)行遙感，分辨率達(dá)15米。該衛(wèi)星存儲(chǔ)能力強(qiáng)，數(shù)傳速較快，可以把數(shù)據(jù)存在衛(wèi)星上，然后利用X波段天線把數(shù)據(jù)發(fā)送給進(jìn)入衛(wèi)星視線的地面站。

在今天資源衛(wèi)星家族中，能與“陸地衛(wèi)星”并駕齊驅(qū)的是法國(guó)的“斯波特”衛(wèi)星。該系列衛(wèi)星自1986年升空以來(lái)，先后發(fā)射了4顆，前3顆分辨率達(dá)20米。1998年3月23日升空的“斯波特”4號(hào)是前三顆的改進(jìn)型，它裝有2臺(tái)可側(cè)視的高分辨率相機(jī)，還裝有植被儀，分辨率達(dá)10～20米。

印度作為資源衛(wèi)星后起之秀，其衛(wèi)星圖片質(zhì)量與美國(guó)和法國(guó)的相當(dāng)，價(jià)格卻便宜了許多。俄羅斯“資源”－F系列衛(wèi)星以“東方”號(hào)為基礎(chǔ)的照相偵察衛(wèi)星兼作資源探測(cè)，這種衛(wèi)星是膠片回收型，能提供5～8米高分辨率圖像。其“資源”－0系列衛(wèi)星是傳輸型遙感衛(wèi)星，類(lèi)似于美國(guó)的“陸地衛(wèi)星”，攜帶兩套中、高分辨率多光譜掃描儀。1991年，俄羅斯發(fā)射了新型遙感衛(wèi)星“鉆石”－1，其主要特點(diǎn)是裝有合成孔徑雷達(dá)。

多年來(lái)，資源衛(wèi)星的遙感技術(shù)日趨成熟，已從可見(jiàn)光發(fā)展到微波遙感，從被動(dòng)遙感發(fā)展到主動(dòng)遙感，并向高光譜分辨率、高空間分辨率和高輻射分辨率發(fā)展。

福星高照“地球村”

大量的實(shí)踐證明，在現(xiàn)今時(shí)代，人類(lèi)最先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)手段是地球資源衛(wèi)星。20多年來(lái)，許多國(guó)家應(yīng)用資源衛(wèi)星圖片成果，進(jìn)行資源調(diào)查、國(guó)土普查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等，收到了可喜的成效。

據(jù)報(bào)道，早在七八十年代，一些西方國(guó)家就利用資源衛(wèi)星進(jìn)行小麥、大豆、水稻、玉米和馬鈴薯等農(nóng)作物的估產(chǎn)，以增加或減少某種農(nóng)作物的種植面積或確定糧食政策。

航天大國(guó)美國(guó)更是利用地球資源衛(wèi)星的行家。據(jù)報(bào)道，美國(guó)不僅用資源衛(wèi)星遙感圖像估測(cè)本國(guó)小麥產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量，還主要觀測(cè)俄羅斯、澳大利亞、阿根廷、印度、加拿大、中國(guó)等世界主要小麥產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量，每年耗資1500萬(wàn)美元?？窟@些信息，美國(guó)制定本國(guó)糧食儲(chǔ)藏調(diào)運(yùn)、食品加工等各項(xiàng)計(jì)劃，確定對(duì)外貿(mào)易策略和價(jià)格政策，并在國(guó)家貿(mào)易談判中處于主導(dǎo)地位，僅此每年就獲利高達(dá)數(shù)億美元。

在高科技領(lǐng)域積極合作，一向是歐盟國(guó)家的傳統(tǒng)，在資源衛(wèi)星的利用上同樣不例外。他們利用法國(guó)“斯波特”衛(wèi)星等技術(shù)資源，積極推進(jìn)遙感技術(shù)的利用和發(fā)展，在農(nóng)作物的產(chǎn)量評(píng)估、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害的預(yù)報(bào)等方面，取得了令人矚目的成果，已經(jīng)建立了包括地理信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，作為歐盟統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的重要補(bǔ)充，在農(nóng)業(yè)和環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用。

印度把有限資金使用到發(fā)展地球資源衛(wèi)星上來(lái)，以開(kāi)發(fā)資源帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，利用資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)解決實(shí)際問(wèn)題，已經(jīng)成為印度航天政策的一大特點(diǎn)，利用地球資源衛(wèi)星圖像已相當(dāng)普遍。

遙感技術(shù)在中國(guó)

中國(guó)是一個(gè)人口眾多而自然資源卻十分有限的國(guó)家，怎樣合理開(kāi)發(fā)和利用現(xiàn)有資源，是擺在我們面前的重要課題。然而，直至70年代末，我國(guó)對(duì)自己的家底并不清楚。

全國(guó)土地面積有多少，耕地面積有多少，這直接影響到我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量在21世紀(jì)能承受多少人口的問(wèn)題，也影響到個(gè)每年農(nóng)產(chǎn)品的進(jìn)出口計(jì)劃。此外，對(duì)城市化帶來(lái)的與農(nóng)業(yè)爭(zhēng)地問(wèn)題到底程度如何，可耕土地到底還有多少潛力，資源供需情況能否滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境與生態(tài)平衡問(wèn)題，我國(guó)西部地區(qū)的環(huán)境情況如何布局等問(wèn)題，國(guó)家都急需搞清楚。資源衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為回答這些問(wèn)題提供了有效的手段，為國(guó)家級(jí)宏觀決策提供了依據(jù)。

20年來(lái)，我國(guó)有關(guān)部門(mén)利用資源衛(wèi)星進(jìn)行了全國(guó)和區(qū)域性的土地利用調(diào)查，北方冬小麥估產(chǎn)，草場(chǎng)資源監(jiān)測(cè)，森林、水利、海岸帶灘涂及旅游資源調(diào)查，以及進(jìn)行了部分地區(qū)環(huán)境污染、河湖變遷、水土流失、城市環(huán)境調(diào)查等，都取得了可喜的成果。

1997年～1998年，農(nóng)業(yè)部利用美國(guó)“陸地衛(wèi)星”的圖像，對(duì)黑龍江、內(nèi)蒙古、甘肅和新疆等省的土地利用情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和有關(guān)情況的評(píng)估。結(jié)果顯示，1997年前的十年間，我國(guó)北方地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)不盡合理，草地退化嚴(yán)重，土地荒漠化加劇，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境日益惡化，耕地開(kāi)墾有一定的盲目性，新開(kāi)墾的土地基礎(chǔ)設(shè)施不足。這些研究成果為政府提供了重要的決策依據(jù)。

近年來(lái)，中國(guó)土地勘測(cè)規(guī)劃院、中科院空間中心等單位，利用衛(wèi)星圖像進(jìn)行了縣級(jí)土地資源調(diào)查及相應(yīng)的制圖工作，取得了很好的成果。經(jīng)過(guò)10年多年的調(diào)查，投入了10多億元資金，50多萬(wàn)人參加，終于利用資源衛(wèi)星圖片，查清了我國(guó)土地資源的家底，其中耕地面積為20億畝(階段性數(shù)據(jù))，占土地總面積141％，比1994年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的1424億畝多出40％。值得一提的是，這一成果給我國(guó)制定農(nóng)業(yè)規(guī)劃及農(nóng)業(yè)政策起到了重要作用。

不僅如此，資源衛(wèi)星圖像還在我國(guó)其它領(lǐng)域發(fā)揮作用。

1998年，我國(guó)長(zhǎng)江、嫩江、松花江流域發(fā)生百年不遇的洪水，我國(guó)有關(guān)部門(mén)緊急調(diào)用國(guó)外包括資源衛(wèi)星在內(nèi)的6顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，對(duì)洪澇災(zāi)害全方位監(jiān)測(cè)。這些衛(wèi)星對(duì)于迅速查清災(zāi)情，預(yù)測(cè)洪澇災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)政府作出決策，奪取抗洪斗爭(zhēng)的勝利，發(fā)揮了重要的作用。我國(guó)石油戰(zhàn)線利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，找到了十多個(gè)石油勘探區(qū)，有的已見(jiàn)到工業(yè)油氣流。

有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)衛(wèi)星遙感應(yīng)用在資源環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的效益和常規(guī)方法相比，衛(wèi)星遙感費(fèi)用是常規(guī)方法的1／3～1／13，在某些資源環(huán)境調(diào)查方面，其比例甚至可達(dá)幾百分之一。1980～1983年，利用“陸地衛(wèi)星”資料進(jìn)行國(guó)土地利用情況調(diào)查，采用了1000多幅衛(wèi)星合成照片，資料費(fèi)只用了50萬(wàn)元，如果采用航空攝影方法，約需3500萬(wàn)元，有衛(wèi)星遙感方法的投入只是常規(guī)方法的六分之一。據(jù)有關(guān)部門(mén)估計(jì)，20年來(lái)我國(guó)在衛(wèi)星遙感上投入約21億元，若按上述1∶6的比例計(jì)算，我國(guó)利用衛(wèi)星遙感手段進(jìn)行資源環(huán)境等遙感調(diào)查，節(jié)約經(jīng)費(fèi)100多億元?！百Y源”一號(hào)用處大

去年10月14日，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心，中國(guó)和巴西聯(lián)合研制的地球資源衛(wèi)星上天，從此，中國(guó)和巴西開(kāi)始了利用自己的資源衛(wèi)星的時(shí)代。

“資源”一號(hào)衛(wèi)星肩負(fù)著十分重要的任務(wù)。這顆被命名為“中巴地球資源衛(wèi)星”(CBERS)的衛(wèi)星(我國(guó)稱(chēng)“資源”一號(hào)衛(wèi)星)，是適時(shí)傳輸型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，其中有效載荷包括一臺(tái)5譜段CCD相機(jī)，一套傳輸上述遙感器數(shù)據(jù)的X波段數(shù)傳系統(tǒng)，以及高密度磁帶機(jī)等。衛(wèi)星總重1540公斤，可展開(kāi)式單翼太陽(yáng)電池的輸出功率為1100瓦。衛(wèi)星軌道為距地面778公里高的太陽(yáng)同步軌道，衛(wèi)星姿態(tài)為三軸穩(wěn)定控制，設(shè)計(jì)壽命二年。

“資源”一號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第一代傳輸型對(duì)地觀察衛(wèi)星，通過(guò)不同的遙感器可獲得可見(jiàn)光、近紅外、熱紅外等多譜段的遙感圖像，這些圖像被地球地面站接收后，經(jīng)過(guò)處理可以直接使用，也可以相互比較分析，如可見(jiàn)光譜段圖像可用于繪制地圖，水系、交通和城市規(guī)劃圖，測(cè)量耕地、森林覆蓋面積；近紅外譜段圖像可用于環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)，農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)情況調(diào)查和估產(chǎn)，還可用于地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)資源的勘查和規(guī)劃；熱紅外圖像可用于植被和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

“資源”一號(hào)衛(wèi)星光譜范圍廣，最高分辨率可達(dá)20米。雖然衛(wèi)星觀測(cè)一遍地球需要26天，但由于其攜帶的CCD像機(jī)有側(cè)視功能，同一地區(qū)觀測(cè)周期為3天，廣角相機(jī)5天就可以覆蓋我國(guó)國(guó)土一遍，因此，將為資源衛(wèi)星圖像的開(kāi)發(fā)和利用創(chuàng)造條件。

在“資源”一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功的同時(shí)，我國(guó)政府已經(jīng)建成包括中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心、北京、廣州、烏魯木齊3個(gè)地面站在內(nèi)的資源衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)工程。資源衛(wèi)星的產(chǎn)品分為數(shù)字產(chǎn)品和光學(xué)產(chǎn)品，即磁帶、軟盤(pán)、光盤(pán)、膠片和反轉(zhuǎn)片等。膠片沖洗能力為每天50片，各種圖像生產(chǎn)能力為每天100片，產(chǎn)品生產(chǎn)周期一般為3～7天，必要時(shí)可隨時(shí)安排。

“資源”一號(hào)衛(wèi)星可以繪制1∶100000比例尺的數(shù)字地圖，取代我國(guó)目前正在使用的美國(guó)“陸地衛(wèi)星”和法國(guó)“斯波特”衛(wèi)星，進(jìn)行國(guó)土資源調(diào)查。國(guó)土資源部計(jì)劃將在今后5年到2010年組織開(kāi)展新一輪國(guó)土資源大調(diào)查，其主要任務(wù)是更新1∶250000比例尺為主的地學(xué)基礎(chǔ)系列圖件，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)一批礦產(chǎn)地，建立全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和防治以及重要地帶的地下水勘查開(kāi)發(fā)等。

未來(lái)星空更燦爛

據(jù)有關(guān)資料，一些國(guó)家正研制能夠克服遙感周期長(zhǎng)等不足的資源衛(wèi)星，預(yù)計(jì)資源衛(wèi)星將朝著即有高分辨率圖像，又有寬觀測(cè)帶，高時(shí)間頻率圖像的多種遙感器；多光譜遙感器和全天候全天時(shí)的雷達(dá)衛(wèi)星方向發(fā)展。屆時(shí)，人類(lèi)將徹底攻克在惡劣天氣條件下獲取遙感信息難的狀況，對(duì)地區(qū)的監(jiān)測(cè)將更準(zhǔn)確、更及時(shí)，真正做到“風(fēng)雨無(wú)阻”。

據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)資源衛(wèi)星將沿著大型綜合系統(tǒng)、小衛(wèi)星系統(tǒng)、多種衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)作，由光學(xué)遙感向微波遙感、單一遙感向多功能遙感等方向發(fā)展。衛(wèi)星的空間分辨率、光譜分辨率都將大大提高，CCD相機(jī)分辨率可達(dá)1米，特殊用途的甚至可達(dá)10厘米。

據(jù)報(bào)道，在發(fā)射大型地球資源衛(wèi)星的同時(shí)，美國(guó)等國(guó)家將發(fā)射數(shù)顆小型衛(wèi)星作為大型資源衛(wèi)星的補(bǔ)充，以滿(mǎn)足用戶(hù)高精度、高時(shí)效、低成本和多信息源等多種需求。據(jù)悉，法國(guó)正在研制第二代資源衛(wèi)星“斯波特”5號(hào)，它裝備兩臺(tái)新型遙感器，分辨率為5米，能獲得高分辨率的立體圖像，2002年發(fā)射。俄羅斯新型“鉆石”－1B遙感衛(wèi)星也將于近年發(fā)射。日本、加拿大、印度等國(guó)也都在進(jìn)一步研制地球資源衛(wèi)星，尤其是印度更是采取咄咄逼人的態(tài)勢(shì)。印度遙感衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展到第二代，其研制的遙感衛(wèi)星幅寬為70公里，分辨率可達(dá)58米，而且價(jià)格便宜，受到不少?lài)?guó)家的青睞。

中巴首顆地球資源衛(wèi)星發(fā)射成功后，兩國(guó)第二顆地球資源衛(wèi)星計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng)，按計(jì)劃該星將于2001年升空，以接替“資源”一號(hào)衛(wèi)星。

在新的千年，資源衛(wèi)星必將有一個(gè)飛速的發(fā)展，利用資源衛(wèi)星觀測(cè)我們所居住地球的熱潮必將到來(lái)?！?/p>