開啟天眼時代

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縷的聯系。谷歌地球的前身是鑰匙孔公司的一款數字地圖測繪軟件。這并非是一款面向大眾的軟件，而是為專業用戶瀏覽衛星影像和航空圖片服務的。為便于用戶定位這些圖像，研究人員把衛星和航空照片通過GIS技術安置在三維地球模型上，由此構成了一個虛擬地球儀的思路。也正是這個思路引起了谷歌公司的興趣。2004年10月，谷歌公司收購鑰匙孔公司，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軟件，這就贏得了大量用戶并最終贏得了整個世界的青睞。

自平民化的谷歌地球誕生以來，就在不斷改變著我們的生活，互聯網用戶可以免費瀏覽全球各地的地面狀況。不過，谷歌地球在時間匹配方面遠遠滿足不了用戶、特別是專業用戶的需求。雖然其目前更新速度在加快，大多數區域的數據更新頻率均少于3年，但仍有部分地區的資料是10年前的，一些人口稀少地區的影像更為陳舊。這與谷歌地球的數據源獲取有關。谷歌地球的衛星影像部分來源于美國的“快鳥”和“伊科諾斯”、法國的“地球觀測系統5號”以及最老牌的陸地衛星LANDSAT系列。其中，“地球觀測系統5號”的最大空間分辨率為2.5米，“伊科諾斯”為1米，“快鳥”則可達到0.61米。“快鳥”曾是全球商用衛星中分辨率最高的。它是可變軌衛星，所以其獲取的數據大多來自人員密集的大城市。

隨著谷歌地球的圖像越來越清晰，更新速度越來越快。我們現在可以利用谷歌地球監測和跟蹤發生在地球上的一些變化，比如作物、森林的變化，野生動物遷移、城市擴張和自然災害等。如果要更好、更多、更快、更全面地監測地球表面的變化，則需要獲取更高時間頻率的遙感數據。

摩拳擦掌開發小衛星群

想象一下，未來的某一天，成群的小衛星包圍著地球，為人們提供接近地球實況的圖像。

這已經不再是遙不可及的幻想。美國加州的兩個初創企業——行星實驗室和天體成像公司，就計劃推出成群的成像小衛星（也有人稱其為微微衛星）。這些衛星的優勢在于數量眾多，可以達到每天數次、遠高于當前地球觀測衛星的重訪速度。上述公司宣稱，要從太空中獲得地球近乎實況的流媒體高分辨率數據。

行星實驗室成立于2010年，這個實驗室開發的衛星群是人類有史以來規模最大的。大約1年前，該公司陸續發射了4枚衛星，以測試拍攝地球高清圖像的能力。2014年2月11日，攜帶有28顆微衛星“鴿子”的“群鳥”1號發射升空，并釋放了其中的兩只“鴿子”。每個烤箱大小的“鴿子”重量不超過5000克，成像分辨率高達3～5米，這足以在太空中“看清樹，但看不到人”，它們將有助于人類以前所未有的角度認識地球。

天體成像公司計劃發射24顆衛星的任務也正在緊鑼密鼓地籌備中。這24顆衛星，每個重約100千克，有1米或更高的分辨率。2013年11月21日，該公司發射了首顆衛星，并且已經開始向公眾發布其所拍攝的視頻。他們計劃今年再發射1顆衛星，剩下的衛星預計在2015～2017年完成發射。在民用衛星中，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，足以辨別出移動的車輛、人群等。

另外一家總部設在加拿大溫哥華的地球直播公司也正計劃搭乘國際空間站，對地球進行視頻監控。該公司孔徑達32厘米的攝像機將首先在國際空間站完成組裝，然后離開空間站。這也算得上是從空間發射，但這次發射的目標不是深空，仍是地球。攝像機將在太空對地球進行接近實況的高清流媒體彩色視頻記錄，并將有關資料上傳到網絡上。2013年12月27日，國際空間站的宇航員通過太空行走，在俄羅斯“星辰”號服務艙上安裝了一個分辨率為1米、用于記錄高清全彩視頻的攝像頭和一個分辨率為5米、用于記錄靜態實況圖像的多光譜相機。

信息透明化將帶來翻天覆地的變化

傳統的成像衛星與一輛貨車的大小和重量相當，建造和發射1枚需數億美元，只有少數運營商、商界大佬有實力資助衛星的發射，因而傳統成像衛星的最終發射數量還不到20顆。這些衛星所組成的衛星群提供的數據相對有限，而且它們傾向于為訂單客戶服務。它們的最大客戶是各國政府，特別是情報機構和軍隊。衛星數據高昂的價格限制了潛在用戶的開發，包括農業、森林碳管理、區域和地方規劃以及環境管理等。

相比之下，成群的小衛星發射后，由于其數量眾多，地球上同一地點被拍攝到的頻率從數小時到數天不等（與緯度有關）。為了使衛星影像數據更加平民化、信息透明化，新的衛星業務一直試圖挖掘更多新用戶，希望通過提供更大的折扣，甚至為個人和非政府組織免費提供圖像來吸引更多客戶，讓近乎實時觀測的數據走向民間。同時，小型化衛星還降低了發射成本。這些舉措都逐步擴大了小型衛星的應用范圍。

受益于衛星群計劃，在精準農業方面，使用遙感方法有助于對農場進行更加科學的管理。因為這項技術能夠提供即時的田間作物產量和健康評估，為農場主在施肥和灌溉方面的科學決策提供依據。這對于大多數農民來說，曾是遙不可及的。

當裝載于衛星上的遙感相機完全啟動并運行時，有關公司可以針對商業市場開發一些新的用戶，例如監控交通、港口和工廠的媒體和組織。這些圖像的商業應用還包括制圖、房地產和建筑、石油和天然氣監測。過去，人們使用直升飛機監測石油管道是否泄漏，而今，小型衛星完全可以取代或補充直升飛機在這方面的應用，因為衛星群可以快速收集相關圖像。

氣候變化問題是人們關注的熱點問題之一。了解地球變化的實時信息，有助于人們增強對地球系統和環境保護的感性認識。比如，利用衛星群在各個區域自動拍攝的圖像數據，人們能夠制作專題圖，監測森林砍伐狀況和極地冰蓋的變化，可以隨時了解和感受到全球環境問題的存在。

伴隨衛星群數據對公眾開放，人們能近乎實時地看到地球的流媒體直播。專家預測，這種情況會使人們的生活產生一些目前無法預料的變化。endprint

谷歌地球每天更新一次

由于組成衛星群的衛星還未完成全部發射任務，科學家還需要對衛星傳回的圖像質量進行更多評估。但它們1～5米的衛星空間分辨率遠高于大多數科學衛星。例如，美國宇航局的地球觀測主力——陸地衛星系列的分辨率只有15～100米，可見光范圍為30米。當然，這樣中等程度的影像分辨率對許多應用來說已經足夠了，但更高的分辨率仍然會給人們帶來更多益處。

有科學家認為，衛星群數據的科學價值將“完全依賴”其質量。衛星影像分辨率的提高也帶來了新的問題。例如，如何將來自多顆衛星彼此重疊的高頻圖像數據無縫組合，就是一項巨大的挑戰，因為不同衛星的性能可能會有所不同，而且它們還會隨時間發生變化。

盡管如此，科學家還是對這些衛星的應用前景充滿期待。這些衛星群的重訪率是目前任何衛星系統都無法比擬的，這幾乎相當于谷歌地球每天更新一次。衛星群所采集的圖像覆蓋了從赤道到南北緯52度以內的區域，包括地球上絕大多數人口密集地區和農業產區。衛星群的飛行軌道比大多數衛星都要低，僅在距離地球之上380～650千米的范圍內。一旦衛星群計劃成功，由此將形成一個全天不間斷的地球全景數據網絡，而且這些數據全是免費的。

未知的改變

在地面安置攝像頭對小區、道路和城市進行視頻監控，在今天的人們看來已不是什么新鮮事兒，許多地方甚至已經能夠做到無縫覆蓋。但是，在遙感衛星上安裝流媒體記錄設備，大大挑戰了傳統環境遙感的想象力。雖然人們尚不完全清楚空間視頻監控的科學潛力，但其潛在的科學應用非常廣泛，包括觀察火山噴發、森林火災、颶風和野生動物遷移。空間視頻的其他應用則包括監測洪水、地震和其他自然災害，乃至人道主義危機。例如，類似于日本福島核泄漏這樣為全球矚目的問題，如果有定期的空間視頻片段，就會為實施救援提供無以倫比的寶貴信息。這些數據完全可以整合到聯合國業務衛星應用項目中，為聯合國和其他組織提供衛星圖像。

當然，類似的計劃也是有局限性的。天體成像公司的衛星和空間站在低地球軌道以每小時數千千米的速度運動，所以地球上任何一個地方的視頻時長必然相當短暫。這些公司打算使用可控攝像機鎖定他們選定的目標，使這些目標獲得60～90秒的視頻序列。這樣的衛星也令我們想到能提供同一位置連續視頻片段的高空無人機。兩者盡管有諸多相似之處，但高空無人機在全球范圍飛行時，需要得到訪問國的領空授權。另外，當自然災害來襲時，無人機可能并不在該區域附近，也無法及時趕到。相比之下，天空中的衛星并不需要飛行許可授權，能更快速到達非常偏遠的地區并獲得最新的信息，自身優勢相對更明顯一些。

未來，高時頻、高清晰度的地球照片和地球視頻監控會如何改變我們的生活呢？讓我們拭目以待。

【責任編輯】趙 菲endprint