開(kāi)啟天眼時(shí)代

趙斌

本文想聊的話題，并非是谷歌地球本身，但與谷歌地球有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。谷歌地球的前身是鑰匙孔公司的一款數(shù)字地圖測(cè)繪軟件。這并非是一款面向大眾的軟件，而是為專業(yè)用戶瀏覽衛(wèi)星影像和航空?qǐng)D片服務(wù)的。為便于用戶定位這些圖像，研究人員把衛(wèi)星和航空照片通過(guò)GIS技術(shù)安置在三維地球模型上，由此構(gòu)成了一個(gè)虛擬地球儀的思路。也正是這個(gè)思路引起了谷歌公司的興趣。2004年10月，谷歌公司收購(gòu)鑰匙孔公司，并于2005年6月推出了谷歌地球。難能可貴的是，谷歌地球被定義為免費(fèi)軟件，這就贏得了大量用戶并最終贏得了整個(gè)世界的青睞。

自平民化的谷歌地球誕生以來(lái)，就在不斷改變著我們的生活，互聯(lián)網(wǎng)用戶可以免費(fèi)瀏覽全球各地的地面狀況。不過(guò)，谷歌地球在時(shí)間匹配方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了用戶、特別是專業(yè)用戶的需求。雖然其目前更新速度在加快，大多數(shù)區(qū)域的數(shù)據(jù)更新頻率均少于3年，但仍有部分地區(qū)的資料是10年前的，一些人口稀少地區(qū)的影像更為陳舊。這與谷歌地球的數(shù)據(jù)源獲取有關(guān)。谷歌地球的衛(wèi)星影像部分來(lái)源于美國(guó)的“快鳥(niǎo)”和“伊科諾斯”、法國(guó)的“地球觀測(cè)系統(tǒng)5號(hào)”以及最老牌的陸地衛(wèi)星LANDSAT系列。其中，“地球觀測(cè)系統(tǒng)5號(hào)”的最大空間分辨率為2.5米，“伊科諾斯”為1米，“快鳥(niǎo)”則可達(dá)到0.61米?！翱禅B(niǎo)”曾是全球商用衛(wèi)星中分辨率最高的。它是可變軌衛(wèi)星，所以其獲取的數(shù)據(jù)大多來(lái)自人員密集的大城市。

隨著谷歌地球的圖像越來(lái)越清晰，更新速度越來(lái)越快。我們現(xiàn)在可以利用谷歌地球監(jiān)測(cè)和跟蹤發(fā)生在地球上的一些變化，比如作物、森林的變化，野生動(dòng)物遷移、城市擴(kuò)張和自然災(zāi)害等。如果要更好、更多、更快、更全面地監(jiān)測(cè)地球表面的變化，則需要獲取更高時(shí)間頻率的遙感數(shù)據(jù)。

摩拳擦掌開(kāi)發(fā)小衛(wèi)星群

想象一下，未來(lái)的某一天，成群的小衛(wèi)星包圍著地球，為人們提供接近地球?qū)崨r的圖像。

這已經(jīng)不再是遙不可及的幻想。美國(guó)加州的兩個(gè)初創(chuàng)企業(yè)——行星實(shí)驗(yàn)室和天體成像公司，就計(jì)劃推出成群的成像小衛(wèi)星（也有人稱其為微微衛(wèi)星）。這些衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)量眾多，可以達(dá)到每天數(shù)次、遠(yuǎn)高于當(dāng)前地球觀測(cè)衛(wèi)星的重訪速度。上述公司宣稱，要從太空中獲得地球近乎實(shí)況的流媒體高分辨率數(shù)據(jù)。

行星實(shí)驗(yàn)室成立于2010年，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星群是人類有史以來(lái)規(guī)模最大的。大約1年前，該公司陸續(xù)發(fā)射了4枚衛(wèi)星，以測(cè)試拍攝地球高清圖像的能力。2014年2月11日，攜帶有28顆微衛(wèi)星“鴿子”的“群鳥(niǎo)”1號(hào)發(fā)射升空，并釋放了其中的兩只“鴿子”。每個(gè)烤箱大小的“鴿子”重量不超過(guò)5000克，成像分辨率高達(dá)3～5米，這足以在太空中“看清樹(shù)，但看不到人”，它們將有助于人類以前所未有的角度認(rèn)識(shí)地球。

天體成像公司計(jì)劃發(fā)射24顆衛(wèi)星的任務(wù)也正在緊鑼密鼓地籌備中。這24顆衛(wèi)星，每個(gè)重約100千克，有1米或更高的分辨率。2013年11月21日，該公司發(fā)射了首顆衛(wèi)星，并且已經(jīng)開(kāi)始向公眾發(fā)布其所拍攝的視頻。他們計(jì)劃今年再發(fā)射1顆衛(wèi)星，剩下的衛(wèi)星預(yù)計(jì)在2015～2017年完成發(fā)射。在民用衛(wèi)星中，天體成像公司第一次以高清流媒體的方式提供一小段近乎實(shí)況的地球高分辨率全彩視頻，其分辨率均為1米左右，足以辨別出移動(dòng)的車輛、人群等。

另外一家總部設(shè)在加拿大溫哥華的地球直播公司也正計(jì)劃搭乘國(guó)際空間站，對(duì)地球進(jìn)行視頻監(jiān)控。該公司孔徑達(dá)32厘米的攝像機(jī)將首先在國(guó)際空間站完成組裝，然后離開(kāi)空間站。這也算得上是從空間發(fā)射，但這次發(fā)射的目標(biāo)不是深空，仍是地球。攝像機(jī)將在太空對(duì)地球進(jìn)行接近實(shí)況的高清流媒體彩色視頻記錄，并將有關(guān)資料上傳到網(wǎng)絡(luò)上。2013年12月27日，國(guó)際空間站的宇航員通過(guò)太空行走，在俄羅斯“星辰”號(hào)服務(wù)艙上安裝了一個(gè)分辨率為1米、用于記錄高清全彩視頻的攝像頭和一個(gè)分辨率為5米、用于記錄靜態(tài)實(shí)況圖像的多光譜相機(jī)。

信息透明化將帶來(lái)翻天覆地的變化

傳統(tǒng)的成像衛(wèi)星與一輛貨車的大小和重量相當(dāng)，建造和發(fā)射1枚需數(shù)億美元，只有少數(shù)運(yùn)營(yíng)商、商界大佬有實(shí)力資助衛(wèi)星的發(fā)射，因而傳統(tǒng)成像衛(wèi)星的最終發(fā)射數(shù)量還不到20顆。這些衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星群提供的數(shù)據(jù)相對(duì)有限，而且它們傾向于為訂單客戶服務(wù)。它們的最大客戶是各國(guó)政府，特別是情報(bào)機(jī)構(gòu)和軍隊(duì)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)高昂的價(jià)格限制了潛在用戶的開(kāi)發(fā)，包括農(nóng)業(yè)、森林碳管理、區(qū)域和地方規(guī)劃以及環(huán)境管理等。

相比之下，成群的小衛(wèi)星發(fā)射后，由于其數(shù)量眾多，地球上同一地點(diǎn)被拍攝到的頻率從數(shù)小時(shí)到數(shù)天不等（與緯度有關(guān)）。為了使衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)更加平民化、信息透明化，新的衛(wèi)星業(yè)務(wù)一直試圖挖掘更多新用戶，希望通過(guò)提供更大的折扣，甚至為個(gè)人和非政府組織免費(fèi)提供圖像來(lái)吸引更多客戶，讓近乎實(shí)時(shí)觀測(cè)的數(shù)據(jù)走向民間。同時(shí)，小型化衛(wèi)星還降低了發(fā)射成本。這些舉措都逐步擴(kuò)大了小型衛(wèi)星的應(yīng)用范圍。

受益于衛(wèi)星群計(jì)劃，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面，使用遙感方法有助于對(duì)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行更加科學(xué)的管理。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能夠提供即時(shí)的田間作物產(chǎn)量和健康評(píng)估，為農(nóng)場(chǎng)主在施肥和灌溉方面的科學(xué)決策提供依據(jù)。這對(duì)于大多數(shù)農(nóng)民來(lái)說(shuō)，曾是遙不可及的。

當(dāng)裝載于衛(wèi)星上的遙感相機(jī)完全啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)，有關(guān)公司可以針對(duì)商業(yè)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)一些新的用戶，例如監(jiān)控交通、港口和工廠的媒體和組織。這些圖像的商業(yè)應(yīng)用還包括制圖、房地產(chǎn)和建筑、石油和天然氣監(jiān)測(cè)。過(guò)去，人們使用直升飛機(jī)監(jiān)測(cè)石油管道是否泄漏，而今，小型衛(wèi)星完全可以取代或補(bǔ)充直升飛機(jī)在這方面的應(yīng)用，因?yàn)樾l(wèi)星群可以快速收集相關(guān)圖像。

氣候變化問(wèn)題是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。了解地球變化的實(shí)時(shí)信息，有助于人們?cè)鰪?qiáng)對(duì)地球系統(tǒng)和環(huán)境保護(hù)的感性認(rèn)識(shí)。比如，利用衛(wèi)星群在各個(gè)區(qū)域自動(dòng)拍攝的圖像數(shù)據(jù)，人們能夠制作專題圖，監(jiān)測(cè)森林砍伐狀況和極地冰蓋的變化，可以隨時(shí)了解和感受到全球環(huán)境問(wèn)題的存在。

伴隨衛(wèi)星群數(shù)據(jù)對(duì)公眾開(kāi)放，人們能近乎實(shí)時(shí)地看到地球的流媒體直播。專家預(yù)測(cè)，這種情況會(huì)使人們的生活產(chǎn)生一些目前無(wú)法預(yù)料的變化。endprint

谷歌地球每天更新一次

由于組成衛(wèi)星群的衛(wèi)星還未完成全部發(fā)射任務(wù)，科學(xué)家還需要對(duì)衛(wèi)星傳回的圖像質(zhì)量進(jìn)行更多評(píng)估。但它們1～5米的衛(wèi)星空間分辨率遠(yuǎn)高于大多數(shù)科學(xué)衛(wèi)星。例如，美國(guó)宇航局的地球觀測(cè)主力——陸地衛(wèi)星系列的分辨率只有15～100米，可見(jiàn)光范圍為30米。當(dāng)然，這樣中等程度的影像分辨率對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，但更高的分辨率仍然會(huì)給人們帶來(lái)更多益處。

有科學(xué)家認(rèn)為，衛(wèi)星群數(shù)據(jù)的科學(xué)價(jià)值將“完全依賴”其質(zhì)量。衛(wèi)星影像分辨率的提高也帶來(lái)了新的問(wèn)題。例如，如何將來(lái)自多顆衛(wèi)星彼此重疊的高頻圖像數(shù)據(jù)無(wú)縫組合，就是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌l(wèi)星的性能可能會(huì)有所不同，而且它們還會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。

盡管如此，科學(xué)家還是對(duì)這些衛(wèi)星的應(yīng)用前景充滿期待。這些衛(wèi)星群的重訪率是目前任何衛(wèi)星系統(tǒng)都無(wú)法比擬的，這幾乎相當(dāng)于谷歌地球每天更新一次。衛(wèi)星群所采集的圖像覆蓋了從赤道到南北緯52度以內(nèi)的區(qū)域，包括地球上絕大多數(shù)人口密集地區(qū)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)。衛(wèi)星群的飛行軌道比大多數(shù)衛(wèi)星都要低，僅在距離地球之上380～650千米的范圍內(nèi)。一旦衛(wèi)星群計(jì)劃成功，由此將形成一個(gè)全天不間斷的地球全景數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，而且這些數(shù)據(jù)全是免費(fèi)的。

未知的改變

在地面安置攝像頭對(duì)小區(qū)、道路和城市進(jìn)行視頻監(jiān)控，在今天的人們看來(lái)已不是什么新鮮事兒，許多地方甚至已經(jīng)能夠做到無(wú)縫覆蓋。但是，在遙感衛(wèi)星上安裝流媒體記錄設(shè)備，大大挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)環(huán)境遙感的想象力。雖然人們尚不完全清楚空間視頻監(jiān)控的科學(xué)潛力，但其潛在的科學(xué)應(yīng)用非常廣泛，包括觀察火山噴發(fā)、森林火災(zāi)、颶風(fēng)和野生動(dòng)物遷移?？臻g視頻的其他應(yīng)用則包括監(jiān)測(cè)洪水、地震和其他自然災(zāi)害，乃至人道主義危機(jī)。例如，類似于日本福島核泄漏這樣為全球矚目的問(wèn)題，如果有定期的空間視頻片段，就會(huì)為實(shí)施救援提供無(wú)以倫比的寶貴信息。這些數(shù)據(jù)完全可以整合到聯(lián)合國(guó)業(yè)務(wù)衛(wèi)星應(yīng)用項(xiàng)目中，為聯(lián)合國(guó)和其他組織提供衛(wèi)星圖像。

當(dāng)然，類似的計(jì)劃也是有局限性的。天體成像公司的衛(wèi)星和空間站在低地球軌道以每小時(shí)數(shù)千千米的速度運(yùn)動(dòng)，所以地球上任何一個(gè)地方的視頻時(shí)長(zhǎng)必然相當(dāng)短暫。這些公司打算使用可控?cái)z像機(jī)鎖定他們選定的目標(biāo)，使這些目標(biāo)獲得60～90秒的視頻序列。這樣的衛(wèi)星也令我們想到能提供同一位置連續(xù)視頻片段的高空無(wú)人機(jī)。兩者盡管有諸多相似之處，但高空無(wú)人機(jī)在全球范圍飛行時(shí)，需要得到訪問(wèn)國(guó)的領(lǐng)空授權(quán)。另外，當(dāng)自然災(zāi)害來(lái)襲時(shí)，無(wú)人機(jī)可能并不在該區(qū)域附近，也無(wú)法及時(shí)趕到。相比之下，天空中的衛(wèi)星并不需要飛行許可授權(quán)，能更快速到達(dá)非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)并獲得最新的信息，自身優(yōu)勢(shì)相對(duì)更明顯一些。

未來(lái)，高時(shí)頻、高清晰度的地球照片和地球視頻監(jiān)控會(huì)如何改變我們的生活呢？讓我們拭目以待。

【責(zé)任編輯】趙 菲endprint