人人可用的衛(wèi)星成像

編譯 高斯寒

每天，都有衛(wèi)星在我們頭頂運行，捕獲地球表面擁有數(shù)萬億像素的高分辨率圖像。過去，這類信息大多只供給政府或軍方的專業(yè)人員。但在如今，幾乎人人都能使用這些圖像。

這些水下沙丘裝飾著巴哈馬安德羅斯島和?？颂K馬群島之間的海床。右邊的綠松石反映了一片淺淺的碳酸鹽巖灘，而左邊的深色標記著一處名叫“海洋之舌”的局部海淵的邊沿。這幅圖像是2020年4月由NASA的Terra衛(wèi)星上的“中分辨率成像光譜儀”捕獲到的

那是因為發(fā)射載荷（包括將成像衛(wèi)星送入軌道）的成本已經(jīng)大幅下降。高分辨率的衛(wèi)星圖像在過去會花費數(shù)萬美元，如今能用一杯咖啡的價格買到。

此外，隨著近期人工智能領域的進展，各家公司能夠更加省力地從龐大數(shù)據(jù)集中提取出所需信息，其中也包括由衛(wèi)星圖像構成的數(shù)據(jù)集。利用衛(wèi)星圖像來迅速做出商業(yè)決定也許看起來像科幻小說，但這種情況早已在一些行業(yè)里發(fā)生。

本文簡要地概述了普通讀者可以如何獲取這類信息，并利用它來獲益。但是，首先你需要了解一些現(xiàn)代衛(wèi)星成像的工作方式。

地球觀測衛(wèi)星的軌道一般分為兩類：地球同步赤道軌道（geosynchronous equatorial orbit，GEO）和近地軌道（low Earth orbit，LEO）。GEO也被稱為地球靜止軌道。GEO衛(wèi)星位于赤道上方大約3.6萬公里處，繞著地球運行時與地球自轉同步。從地球上觀察，這些衛(wèi)星仿佛是靜止一般，從這層意義上來說，衛(wèi)星的方位角和高度保持恒定。因此，GEO才被稱為地球靜止軌道。

這樣的軌道對于通信中繼來說當然是很有利的，也正是它允許人們將屋頂上的衛(wèi)星電視接收器朝著固定方向安裝。當你想要通過按時捕獲圖像來觀察地球上的某個地區(qū)時，GEO衛(wèi)星也適用。然而，因為衛(wèi)星所處的位置極高，捕獲到的圖像分辨率比較粗糙。所以，GEO主要用于那些旨在追蹤廣闊區(qū)域中天氣狀況變化的觀測衛(wèi)星。

GEO衛(wèi)星與地球保持相對靜止，意味著它們總是在一個下行鏈路站的覆蓋范圍內(nèi)，因此它們能在數(shù)分鐘內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送回地球。這使得它們能幾乎實時地向人類發(fā)出天氣變化的警報。美國國家海洋和大氣管理局的這類數(shù)據(jù)大多數(shù)都可免費獲取。

另一類軌道LEO代表近地軌道。近地軌道中的衛(wèi)星離地表要近得多，這使得它們能捕獲更高分辨率的圖像。而且衛(wèi)星越靠近地面，分辨率越好。譬如說，行星實驗室公司最近完成的衛(wèi)星星座SkySat提高了分辨率，從每像素72厘米提高到每像素50厘米。這是不可思議的成就，而他們依靠的是將衛(wèi)星軌道從地球上空500公里下調到地球上空450公里處，以及改善圖像處理程序。

商業(yè)上可獲取的光學成像最佳空間分辨率是25厘米，這意味著一個像素代表地面上一塊25厘米長、25厘米寬的區(qū)域，差不多就是你的筆記本電腦的尺寸。若干公司用25厘米到1米不等的分辨率捕獲數(shù)據(jù)，這在業(yè)界被認為屬于高分辨率到超高分辨率。一些公司也提供1米到5米分辨率的數(shù)據(jù)，這被認為屬于中等分辨率到高分辨率。多個政府項目已經(jīng)通過開放數(shù)據(jù)項目，讓光學成像數(shù)據(jù)以10米、15米、30米和250米等級的分辨率供大眾免費獲取。其中包括美國宇航局（NASA）和美國地質調查局合作的陸地衛(wèi)星計劃、NASA的中分辨率成像光譜儀（MODIS）項目、歐洲太空總署的哥白尼計劃。這些衛(wèi)星圖像被認為屬于低分辨率。

2021年3月，貨柜船“長賜輪”在蘇伊士運河擱淺，阻塞運河六天。這張用合成孔徑雷達獲得的事件現(xiàn)場衛(wèi)星圖展示了用該項技術可以實現(xiàn)的分辨率

提供最高分辨率圖像的衛(wèi)星位于最近地軌道，所以它們一次遙感的區(qū)域較小。若要覆蓋整個地球，可以把衛(wèi)星放置在極地軌道上，那樣衛(wèi)星會從北極飛到南極，再回到北極。在衛(wèi)星運行時，衛(wèi)星下面的地球在旋轉，因此當衛(wèi)星下一次飛過時，它會處在地球另一部分的上空。

然而，這類衛(wèi)星中有許多并不直接從地球兩極飛過。相反，衛(wèi)星被置于一條靠近極點的軌道中，這條軌道通過利用一些物理學知識經(jīng)過了特別的設計。眾所周知，自轉的地球在赤道微微向外鼓出。赤道位置額外的質量導致極地軌道之外的衛(wèi)星軌道發(fā)生變化，或者用技術術語來說，是進動（precess）。衛(wèi)星運營商常常利用這個現(xiàn)象，將衛(wèi)星置入所謂的太陽同步軌道。這樣的軌道允許衛(wèi)星在每天的相同時間不斷經(jīng)過一個給定地點。各次飛行經(jīng)過時的陰影模式?jīng)]有變動，這有助于大家利用衛(wèi)星圖像來查出變化所在。

通常來說，處在極地軌道的衛(wèi)星巡查整個地表要耗費24小時。衛(wèi)星公司為了更加頻密地為整個世界成像，會沿著不同的軌道使用多顆衛(wèi)星，全都配備同樣的傳感器。這樣，這些公司就能提供某個給定地點的更加頻密更新的圖像。譬如說，去年發(fā)射升空的馬克薩爾公司的“世界觀測軍團”（Worldview Legion）衛(wèi)星星座就包括6顆衛(wèi)星。

衛(wèi)星捕獲一定數(shù)量的圖像后，所有數(shù)據(jù)需要被發(fā)送回地球，接受處理。所需時間長短不一。

數(shù)字地球公司（馬克薩爾公司在2017年收購了該公司）最近宣布，它已經(jīng)設法在不到1分鐘內(nèi)從一顆衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)到地面站，再儲存于云端。他們可以做到這一步，是因為傳送回的圖像是地面站停車場的圖像，于是衛(wèi)星不必在采集點和進行數(shù)據(jù)“轉儲”必須處在的位置之間移動。

一般來說，近地軌道中的地球觀測衛(wèi)星并不一直捕捉圖像，它們只有在一片特別感興趣的區(qū)域上空時，才會那么做。那是因為，這些衛(wèi)星一次能傳送的數(shù)據(jù)量有限。通常，衛(wèi)星向地面站傳送數(shù)據(jù)時，大約僅能維持10分鐘，然后就會超出范圍。衛(wèi)星不能記錄下比它們 “轉儲”的量更多的數(shù)據(jù)。

目前，地面站大多位于地球兩極附近，這是極地軌道中被訪問次數(shù)最多的區(qū)域。但我們很快就能預計到最近的地面站的距離會縮短，因為亞馬遜和微軟公司都已經(jīng)宣布，它們打算建造大型地面站網(wǎng)絡，那些地面站會分布于全球各地。事實證明，代管每天收集到的數(shù)以萬億字節(jié)計的衛(wèi)星數(shù)據(jù)對于這些公司來說是筆大生意，它們會出售云服務（亞馬遜網(wǎng)絡服務和微軟的Azure）給衛(wèi)星運營商。

就目前而言，假如你在尋找一片遠離地面站的區(qū)域的圖像，那么請預計捕獲數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)之間存在顯著的延遲，也許會達到數(shù)小時之久。然后數(shù)據(jù)還得要接受處理，這又增加些許時間。目前最快的衛(wèi)星圖像供應方能在數(shù)據(jù)捕獲48小時內(nèi)，讓數(shù)據(jù)可供用戶獲取，但不是所有公司都能做到。在理想的天氣條件下，一家商業(yè)實體可以在同一周內(nèi)要求新捕獲圖像并收到所需的數(shù)據(jù)，這樣快速的整備時間依然被認為是前沿做法。

雖然一直使用“圖像”一詞，但重要的一點是要注意到衛(wèi)星捕獲圖像的方式與普通照相機不同。衛(wèi)星中的光學傳感器經(jīng)過校準，能測量電磁光譜特定段的反射率。這意味著它們記錄下地面不同區(qū)域反射的紅色、綠色和藍色光的多寡。接下來，衛(wèi)星運營商會應用各種調整手段來校正顏色，結合毗連的圖像，補償視差，形成所謂的“真彩色合成圖像”，它看上去非常像你用一臺飄浮于高空、徑直對準下方的優(yōu)良相機預期會拍下的圖像。

成像衛(wèi)星也能捕獲可見光譜外的數(shù)據(jù)。譬如，近紅外光譜帶被廣泛用于農(nóng)業(yè)，因為這些圖像幫助農(nóng)場主估量作物的健康度。近紅外光譜帶也能用來探測土壤水分和其他各種土地特征，用其他方法會難以確定那些性質。

波長更長的熱紅外線擅長穿透煙霧，發(fā)現(xiàn)熱源，使得它在野火監(jiān)控上派上用場。合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星正變得更加常見，因為它們生成的圖像不受云團的影響，不需要太陽來照明。

2022年1月15日，南太平洋中的一個無人島洪阿湯加—洪阿哈阿帕伊島發(fā)生一次威力強大的火山噴發(fā)。這次引起廣泛影響的大噴發(fā)被美國國家海洋和大氣管理局的地球靜止環(huán)境觀測17號衛(wèi)星捕獲全況

你也許在揣測，航空影像（譬如用一臺無人機拍攝）是否至少和衛(wèi)星數(shù)據(jù)一樣好用。有時是一樣好用，但在許多情況下，使用衛(wèi)星是更好的策略。衛(wèi)星能捕獲一些難以進入的地區(qū)的圖像。那些地方可能因為一些原因而難以訪問，譬如我們感興趣的區(qū)域太遙遠，或可能在沖突區(qū)內(nèi)，在私有土地上，或者是飛機或無人機無法飛越的地方。

因此使用衛(wèi)星的話，各機構能輕松觀測各個遙遠地點正在發(fā)生的變化。譬如，衛(wèi)星圖像使得管線運營商能夠迅速確認非法侵入其通行權區(qū)的行為，接著公司就能采取行動，避免災難性事件，比如在管線附近施工時刺穿天然氣管道。

運用衛(wèi)星圖像，能將歸檔的圖像與最近獲得的數(shù)據(jù)進行比較，這對許多行業(yè)都能幫上大忙。保險公司有時用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來偵查欺詐性索賠。金融投資公司使用衛(wèi)星圖像來評估指標，比如基于停車場使用率來預測零售商的未來盈利，或者在農(nóng)戶報告本季產(chǎn)量之前預測作物價格。

衛(wèi)星圖像為尋找未披露的活動地點提供了一種特別有效的辦法。比如，阿拉巴馬大學的莎拉?帕爾卡克（Sarah Parcak）用衛(wèi)星圖像確定感興趣的考古遺址的位置。一家荷蘭咨詢公司52Impact通過訓練一個算法來識別光譜特征，找出不為人知的垃圾傾倒場。衛(wèi)星圖像也有助于識別非法捕魚活動，打擊人口販運，監(jiān)測石油泄漏，獲得COVID-19死亡人數(shù)的準確報告。

盡管取得了許多成功，但調查記者和非政府組織并未經(jīng)常使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，原因或許在于，獲取衛(wèi)星圖像的小筆花費也是一個阻礙。幸好，一些低分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以免費獲取。

尋找免費衛(wèi)星圖像，首先該嘗試哥白尼開放獲取中心（Copernicus Open Access Hub）和地球探索者（Earth Explorer）網(wǎng)站。這兩個網(wǎng)站上都可以免費獲取大量開放數(shù)據(jù)。圖像分辨率低于你能購買到的衛(wèi)星圖像，但假如有限的分辨率符合你的需求，那么為何要花錢呢？

假如你需要中等分辨率和高分辨率的數(shù)據(jù)，那么你也許可以向相關的衛(wèi)星運營商直接購買。衛(wèi)星運營商最近經(jīng)歷了一系列合并和收購，只留下若干供應方，西方世界最大的三家公司是美國的馬克薩爾公司和行星實驗室公司，德國的空中巴士公司。亞洲也有幾家大型供應方，譬如韓國的SI成像服務公司，中國的二十一世紀空間技術應用公司。大多數(shù)供應方都有商業(yè)分支，但它們主要瞄準政府買家，而且它們常常要求金額頗大的最小購買量。

幸運的是，找衛(wèi)星運營商并非唯一選擇。在過去五年里，一個由咨詢公司和本地轉售商構成的小產(chǎn)業(yè)已經(jīng)涌現(xiàn)，他們與大公司簽訂獨占契約，服務某一塊市場，或與多家供應方議定合同，于是能以更具吸引力的價格向顧客提供數(shù)據(jù)集訪問權，有時一張圖像只需幾美元。有些提供地理信息系統(tǒng)的公司（包括Esri、L3Harris和 Safe Software）也已經(jīng)與衛(wèi)星圖像提供商談妥轉售協(xié)議。

傳統(tǒng)的轉售商是中間人，他們會派出一名銷售員聯(lián)系你，討論你的需求，代表你向供應方獲得報價，洽談價格和圖像捕捉或處理的優(yōu)先日程。阿波羅制圖、歐洲太空成像、衛(wèi)星成像公司、Geocento、LandInfo和許多其他公司都是這樣做的。更為創(chuàng)新的轉售商會給予你電子平臺的訪問權，你能在平臺上查看你所需的圖像是否可從某個檔案中獲取，再下訂單。這類公司的例子包括EOS公司的土地查看器（LandViewer）和阿波羅制圖公司的圖像獵手（Image Hunter）。

這張SkySat捕獲的圖像顯示了2020年12月30日發(fā)生在挪威阿斯克村的一次山地滑坡造成的破壞。滑坡帶來的泥石流摧毀建筑，造成10人死亡

這張衛(wèi)星圖像呈現(xiàn)了巴基斯坦旁遮普省的一處固定煙囪式的橢圓形布爾溝窯的典型，這種溝窯在南亞被廣泛運用于制磚業(yè)

近來，新一批資源整合商開始向顧客提供用程序訪問地球觀測數(shù)據(jù)集的能力。這些公司對于那些尋求整合數(shù)據(jù)到自身應用或工作流程中的人最適用。具體例子包括SkyWatch公司的EarthCache服務，空中客車公司的UP42服務，Sinergise公司的Sentinel Hub服務。

你仍然會需要與一名銷售代表交談后，才能激活你的賬戶，這常常是為了核實你會合理使用數(shù)據(jù)，符合公司的服務條款和許可協(xié)議。一旦你被授權訪問公司的應用，你就能用程序來向一個或多個供應方定購檔案數(shù)據(jù)。然而，SkyWatch是唯一一家允許用戶用程序來請求在未來收集某些數(shù)據(jù)（向衛(wèi)星部署任務）的資源整合商。

今時今日，衛(wèi)星圖像的數(shù)量充足，容易訪問，而兩個正在出現(xiàn)的改變會進一步擴展我們用衛(wèi)星數(shù)據(jù)所能做到的事：更快速的回訪，SAR得到更廣的運用。

第一項進展一點不讓人驚奇。隨著更多地球觀測衛(wèi)星被置入軌道，衛(wèi)星捕獲的圖像也就越多越頻繁。因此，一塊既定區(qū)域被衛(wèi)星捕捉下圖像的頻次會變密。目前，通常是一周兩三次。預計衛(wèi)星回訪速度很快會變成一天數(shù)次。衛(wèi)星圖像的一個挑戰(zhàn)是云團會掩蓋你想要查看的地區(qū)，新進展不會完全解決問題，但會有所助益。

第二項進展更加細微。來自歐洲太空總署的“哨兵一號”SAR任務的兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)可以免費獲取，已經(jīng)使得不少公司在最近幾年涉足SAR。

擁有SAR的衛(wèi)星向下發(fā)送無線電波，測量地表反射的回波信號。衛(wèi)星持續(xù)進行這項操作，而且用精巧的處理手段來將數(shù)據(jù)轉成圖像。無線電波的運用使得這些衛(wèi)星能穿過云團看到地面，而且無論日夜都能收集測量數(shù)據(jù)。依靠所用的雷達帶，SAR圖像能用來判斷材料性質、含水量、精準移動和海拔高度。

隨著更多公司熟悉這類數(shù)據(jù)集，對于SAR衛(wèi)星圖像的要求無疑會越來越大，而從20世紀70年代起，軍方對此已有廣泛應用，但它現(xiàn)在才開始出現(xiàn)于商用產(chǎn)品。然而，你可以預計，SAR圖像的商用會大幅增長。

投入這個行業(yè)的大部分資金正在流向大型SAR衛(wèi)星星座，包括Capella Space、Iceye、Synspective、XpressSAR和其他公司的產(chǎn)品。SAR衛(wèi)星的市場很快會變得入場者眾多，這對顧客們來說是個佳音。這意味著，顧客將能獲得他們感興趣的地點的高分辨率、每小時拍攝（或者更短時間）的SAR圖像，無論是白天還是黑夜，無論是烏云籠罩還是萬里晴空都一樣毫無阻礙。

人們無疑會想出新穎的方式來利用這些信息，所以越多人擁有訪問權越好。在不遠的未來某天，地球觀測衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)也許會變得像GPS一樣無所不在，而GPS這項衛(wèi)星技術最初誕生時也是僅被軍方使用。想想你在未來可以拿出手機，向它下令：“顯示今天早上格羅弗角高中的土壤水分圖，我想看看棒球場是否依然濕乎乎的?！?/p>

資料來源 IEEE Spectrum