冷戰(zhàn)時(shí)期的衛(wèi)星圖像獲得新的生機(jī)

Mitch Leslie

Senior Technology Writer

1967年9月16日，蘇聯(lián)西北部天氣晴朗，為高空掠過的美國偵察衛(wèi)星提供了絕佳的攝影條件。作為名為“日冕”（Corona）的最高機(jī)密計(jì)劃的一部分，“日冕”衛(wèi)星拍攝了一段膠片并繼續(xù)沿軌道運(yùn)行。這些圖像是否在冷戰(zhàn)時(shí)期為美國提供了重要的情報(bào)，我們不得而知，但50多年后，事實(shí)證明它們對威斯康星大學(xué)麥迪遜分校森林和野生動物生態(tài)學(xué)教授Volker Radeloff而言至關(guān)重要，Volker Radeloff教授利用這些圖像研究了土地利用方式隨時(shí)間的變化規(guī)律。

衛(wèi)星曾拍攝的區(qū)域現(xiàn)在橫跨俄羅斯與拉脫維亞共和國之間的邊界，Radeloff及其同事想了解為何該區(qū)域的森林一直在擴(kuò)張。研究人員曾認(rèn)為，樹木在1991年蘇聯(lián)解體后開始重新生長。但正如Radeloff及其同事在2020年所披露的情況[1]，在20世紀(jì)60年代該區(qū)域進(jìn)行了重新造林?？茖W(xué)家可使用20世紀(jì)80年代以來的其他衛(wèi)星圖像，但是“日冕”衛(wèi)星拍攝的圖像可使他們能更深入地了解過去。Radeloff表示：“能夠再追溯20年是很重要的事情?！?/p>

1960—1972年，100多顆“日冕”衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行，拍攝了超過860 000張高分辨率圖像，這些圖像大部分為地表圖像[2,3]。自1995年第一批圖像被解密后不久，研究人員開始分析這些圖像。他們采用這些圖像分析了中東地區(qū)的考古遺址（數(shù)量增加了三倍）[4]，記錄了中亞冰川萎縮情況[5]，跟蹤哈薩克斯坦共和國草原上嚙齒動物種群減少情況[6]，以及開展許多其他研究工作。美國哈佛大學(xué)考古學(xué)和人種學(xué)教授Jason Ur表示，這些圖像對于他的研究領(lǐng)域而言“極其重要”，特別是在中東地區(qū)，那里是“大規(guī)?？脊彭?xiàng)目的起點(diǎn)”。但此類研究可能僅僅是開始。Radeloff表示：“校正圖像失真的軟件會使更多的科學(xué)家能夠?qū)ζ溥M(jìn)行分析。在未來5～10年，我們將看到這些圖像的使用頻率會激增?！?/p>

“日冕”衛(wèi)星曾需要攻克數(shù)項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)突破，使其成為首個(gè)基于太空的地球觀測系統(tǒng)，美國國家工程院于2005年授予“日冕”計(jì)劃德拉普爾獎。1958年2月，美國總統(tǒng)德懷特·艾森豪威爾授權(quán)批準(zhǔn)了該計(jì)劃[7]，時(shí)間恰逢蘇聯(lián)發(fā)射首顆環(huán)地球軌道人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號”（Sputnik 1）后的四個(gè)月[8]。但從事“日冕”圖像研究20余年的美國新罕布什爾州漢諾威達(dá)特茅斯大學(xué)的人類學(xué)教授Jesse Casana表示，“斯普特尼克1號”是一塊金屬。它沒有攜帶相機(jī)或儀器，也不能自行推進(jìn)[9]。盡管像“斯普特尼克1號”一樣，“日冕”衛(wèi)星通過火箭發(fā)射，但是仍希望它們能自動進(jìn)入其最終軌道[10]。一旦到達(dá)最終軌道，它們就必須保持其所有三個(gè)軸的穩(wěn)定性——這是航天器尚未實(shí)現(xiàn)的壯舉[3]——以便機(jī)載相機(jī)可捕獲蘇聯(lián)導(dǎo)彈發(fā)射場以及其他軍事要塞的詳細(xì)圖像。然后，它們必須將這些圖像返回地球以進(jìn)行分析。最重要的是，該計(jì)劃的工程師只有為期兩年的時(shí)間讓該系統(tǒng)正常運(yùn)作[10]。

這些挑戰(zhàn)的困難程度通過前12次任務(wù)的失敗而顯現(xiàn)——遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)的典型任務(wù)數(shù)量[10]。但第十三次飛行任務(wù)成功實(shí)施，第十四次任務(wù)于1960年8月發(fā)射“日冕”衛(wèi)星，并首次拍到蘇聯(lián)[10]。美國阿肯色大學(xué)費(fèi)耶特維爾分校地理學(xué)教授Jackson Cothren表示：“在20世紀(jì)60年代，能夠在軌道上建立自主運(yùn)行的繪圖系統(tǒng)是一項(xiàng)了不起的工程?！?/p>

“日冕”計(jì)劃團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的許多創(chuàng)新成為后來的航天器的標(biāo)準(zhǔn)配置。例如，衛(wèi)星首次配備了在三個(gè)軸上記錄偏差的陀螺儀。陀螺儀以及可識別地平線的一對紅外傳感器，讓相機(jī)對準(zhǔn)地面并確保其在拍攝過程中的穩(wěn)定性11]。如果其中一顆衛(wèi)星檢測到其發(fā)生傾斜或滾動，那么它可以通過發(fā)射氮?dú)饬鱽砑m正其姿態(tài)[11]。如今，類似的三軸系統(tǒng)可讓哈勃太空望遠(yuǎn)鏡聚焦遙遠(yuǎn)星云以及其他攝影對象，而且它仍是確保航天器穩(wěn)定性的兩個(gè)主要策略之一[12,13]。

在計(jì)劃實(shí)施過程中，“日冕”衛(wèi)星必不可少的攝像系統(tǒng)得到了顯著改善。相機(jī)使用了定制的70 mm膠片，該膠片結(jié)合了廣域覆蓋和高分辨率特點(diǎn)[14]。不過，最早的圖像呈現(xiàn)出顆粒感（圖1），分辨率通常為8～12 m [15,16]。隨著“日冕”計(jì)劃團(tuán)隊(duì)完善衛(wèi)星姿態(tài)控制能力以及采用配備更好鏡頭的相機(jī)，后來的任務(wù)可使圖像分辨率小于2 m [3,16,17]。

一些衛(wèi)星可拍攝近5 km長的膠片[14]，但無論圖像顯示了多少細(xì)節(jié)，除非情報(bào)分析師可對其進(jìn)行檢查，否則它們均無用。然而Casana表示：“當(dāng)時(shí)尚無任何機(jī)械裝置將這種分辨率的信息傳遞回地球?！痹擁?xiàng)目的工程師提出了一個(gè)大膽的解決方案。一旦衛(wèi)星拍攝了圖像，它就旋轉(zhuǎn)并朝地球傾斜，同時(shí)拋出一個(gè)裝有膠片的太空艙[10]。在制動火箭和降落傘的減速作用下[18]，該膠片從太平洋上空飄落下來，直至到達(dá)離地面約4500 m的位置。然后，一架拖曳著一系列桿子、線纜和掛鉤的美國空軍飛機(jī)會進(jìn)行機(jī)動操作，直至其飛往太空艙上方并可能抓住降落傘（圖2）[14]。盡管這種所謂的“桶抓”方式會失敗，但它在大多數(shù)情況下都是有效果的，并使該計(jì)劃取得多個(gè)第一。例如，第十三次日冕任務(wù)的回收艙是首個(gè)從太空返回的人造物體[10]。

到20世紀(jì)70年代初，“日冕”衛(wèi)星的情報(bào)收集功能已蕩然無存。Cothren表示，但是20多年后，當(dāng)研究人員開始使用衛(wèi)星拍攝的將近650 km長的膠片時(shí)，他們很快就意識到這些圖像是科學(xué)金礦，原因是它們具有高品質(zhì)的“獨(dú)特組合”。Ur指出，中東地區(qū)的許多考古遺址被水庫淹沒（圖3），遺址上建立起擴(kuò)張的城市，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展加劇人們對遺址的開墾，或其他原因?qū)е逻@些遺址被摧毀?！叭彰帷眻D像讓研究人員得以重現(xiàn)那些消失的遺址。Ur表示：“它們就像一臺時(shí)光機(jī)?！?/p>

圖1. 1960年首次成功開展的“日冕”計(jì)劃所拍攝的圖像，顯示了西伯利亞東北部地區(qū)的蘇聯(lián)飛機(jī)起落跑道。圖像分辨率遠(yuǎn)低于后來開展的任務(wù)所拍攝的圖像，后續(xù)任務(wù)采用了優(yōu)良的鏡頭，可以更好地控制拍攝穩(wěn)定性。圖片來源：US National Reconnaissance Oきce (Wikimedia, ublic domain)。

圖2. 1960年8月，美國空軍飛機(jī)試圖用“桶抓”方式取回“日冕”衛(wèi)星釋放的裝有膠片的太空艙。太空艙懸掛在飛機(jī)打算進(jìn)行捕獲的降落傘下方。圖片來源：US Air Force (Wikimedia, public domain)。

這些圖像還具有其他優(yōu)點(diǎn)。盡管當(dāng)今的衛(wèi)星圖像具有更高分辨率，但是與其他廣泛使用的歷史圖像[如許多“陸地”（Landsat）衛(wèi)星拍攝的圖像。首顆“陸地”衛(wèi)星于1972年發(fā)射，所拍攝的圖像分辨率為80 m]相比，“日冕”衛(wèi)星拍攝的圖像仍提供了更多細(xì)節(jié)[16,19]。Casana表示，我們也很容易獲得這些圖像。所有原始膠片仍存在，僅需支付30美元，研究人員就可從美國地質(zhì)勘探局（US Geological Survey, USGS）獲得特定位置的高分辨率掃描圖[16]。此外，Casana指出：“‘日冕’衛(wèi)星的拍攝范圍可以覆蓋整個(gè)大陸,這使其具有獨(dú)一無二的強(qiáng)大能力。”

Ur表示，這些圖像為自己的學(xué)術(shù)生涯奠定了基礎(chǔ)。Ur是利用衛(wèi)星這種強(qiáng)大能力的研究人員之一。他使用這些圖像繪制了敘利亞北部和伊拉克北部6000多公里的道路，揭示了4000多年前該地區(qū)各部落間的出人意料的互動程度[20]。對于Casana而言，此類圖像不可或缺。2014年，Casana使用此類圖像對中東地區(qū)的考古遺址進(jìn)行了普查。當(dāng)時(shí)，研究人員已查明該地區(qū)有大約4500個(gè)考古遺址，但Casana及其同事通過分析“日冕”圖像確定了另外10 000個(gè)考古遺址，包括廢棄的城市[4]。

圖3. 1969年8月1日，“日冕”衛(wèi)星拍攝的土耳其東南部薩姆薩特古城的一張圖像。3000多年來，薩姆薩特一直是一個(gè)重要的城市中心，但自1990年阿塔圖爾克大壩建成后，薩姆薩特就被完全淹沒于水中。圖片來源：CORONA Atlas Project, US Geological Survey (public domain)。

盡管具有如此久經(jīng)考驗(yàn)的實(shí)用性，但因其失真，“日冕”圖像仍難以被利用[21]。衛(wèi)星通過全景相機(jī)拍攝了很長的膠片，結(jié)果圖像看起來像被拉伸了一樣，圖像邊緣的分辨率比中央?yún)^(qū)域的分辨率低[16]。山脈和其他地形以及衛(wèi)星運(yùn)動進(jìn)一步扭曲了圖像。Cothren表示：“要進(jìn)行認(rèn)真的大規(guī)模分析，你需要對圖像進(jìn)行校正。”最近開發(fā)的軟件使這項(xiàng)校正任務(wù)變得更容易。Radeloff和他的團(tuán)隊(duì)使用市售軟件包來調(diào)整“日冕”圖像以開展其2020年進(jìn)行的研究。Casana和Cothren共同指導(dǎo)CORONA Atlas項(xiàng)目。該項(xiàng)目已對2000多張“日冕”圖像進(jìn)行了正射校正，并且提供了一個(gè)免費(fèi)工具，可讓研究人員自行完成這項(xiàng)工作[21]。Radeloff表示，僅掃描了大約5%的“日冕”圖像，對其余圖像進(jìn)行分析很重要——這樣可使研究人員“看到一個(gè)不同的世界”。