人人可用的衛星成像

編譯 高斯寒

每天，都有衛星在我們頭頂運行，捕獲地球表面擁有數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埃克蘇馬群島之間的海床。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衛星上的“中分辨率成像光譜儀”捕獲到的

那是因為發射載荷（包括將成像衛星送入軌道）的成本已經大幅下降。高分辨率的衛星圖像在過去會花費數萬美元，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據集中提取出所需信息，其中也包括由衛星圖像構成的數據集。利用衛星圖像來迅速做出商業決定也許看起來像科幻小說，但這種情況早已在一些行業里發生。

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代衛星成像的工作方式。

地球觀測衛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，這些衛星仿佛是靜止一般，從這層意義上來說，衛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時，GEO衛星也適用。然而，因為衛星所處的位置極高，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域中天氣狀況變化的觀測衛星。

GEO衛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，因此它們能在數分鐘內將數據發送回地球。這使得它們能幾乎實時地向人類發出天氣變化的警報。美國國家海洋和大氣管理局的這類數據大多數都可免費獲取。

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據，這在業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米分辨率的數據，這被認為屬于中等分辨率到高分辨率。多個政府項目已經通過開放數據項目，讓光學成像數據以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場衛星圖展示了用該項技術可以實現的分辨率

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

然而，這類衛星中有許多并不直接從地球兩極飛過。相反，衛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星軌道發生變化，或者用技術術語來說，是進動（precess）。衛星運營商常常利用這個現象，將衛星置入所謂的太陽同步軌道。這樣的軌道允許衛星在每天的相同時間不斷經過一個給定地點。各次飛行經過時的陰影模式沒有變動，這有助于大家利用衛星圖像來查出變化所在。

通常來說，處在極地軌道的衛星巡查整個地表要耗費24小時。衛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，去年發射升空的馬克薩爾公司的“世界觀測軍團”（Worldview Legion）衛星星座就包括6顆衛星。

衛星捕獲一定數量的圖像后，所有數據需要被發送回地球，接受處理。所需時間長短不一。

數字地球公司（馬克薩爾公司在2017年收購了該公司）最近宣布，它已經設法在不到1分鐘內從一顆衛星傳送數據到地面站，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，于是衛星不必在采集點和進行數據“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星并不一直捕捉圖像，它們只有在一片特別感興趣的區域上空時，才會那么做。那是因為，這些衛星一次能傳送的數據量有限。通常，衛星向地面站傳送數據時，大約僅能維持10分鐘，然后就會超出范圍。衛星不能記錄下比它們 “轉儲”的量更多的數據。

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最多的區域。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宣布，它們打算建造大型地面站網絡，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以萬億字節計的衛星數據對于這些公司來說是筆大生意，它們會出售云服務（亞馬遜網絡服務和微軟的Azure）給衛星運營商。

就目前而言，假如你在尋找一片遠離地面站的區域的圖像，那么請預計捕獲數據和傳輸數據之間存在顯著的延遲，也許會達到數小時之久。然后數據還得要接受處理，這又增加些許時間。目前最快的衛星圖像供應方能在數據捕獲48小時內，讓數據可供用戶獲取，但不是所有公司都能做到。在理想的天氣條件下，一家商業實體可以在同一周內要求新捕獲圖像并收到所需的數據，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星捕獲圖像的方式與普通照相機不同。衛星中的光學傳感器經過校準，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域反射的紅色、綠色和藍色光的多寡。接下來，衛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、徑直對準下方的優良相機預期會拍下的圖像。

成像衛星也能捕獲可見光譜外的數據。譬如，近紅外光譜帶被廣泛用于農業，因為這些圖像幫助農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，發現熱源，使得它在野火監控上派上用場。合成孔徑雷達（SAR）衛星正變得更加常見，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—洪阿哈阿帕伊島發生一次威力強大的火山噴發。這次引起廣泛影響的大噴發被美國國家海洋和大氣管理局的地球靜止環境觀測17號衛星捕獲全況

你也許在揣測，航空影像（譬如用一臺無人機拍攝）是否至少和衛星數據一樣好用。有時是一樣好用，但在許多情況下，使用衛星是更好的策略。衛星能捕獲一些難以進入的地區的圖像。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域太遙遠，或可能在沖突區內，在私有土地上，或者是飛機或無人機無法飛越的地方。

因此使用衛星的話，各機構能輕松觀測各個遙遠地點正在發生的變化。譬如，衛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。

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

衛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。衛星圖像也有助于識別非法捕魚活動，打擊人口販運，監測石油泄漏，獲得COVID-19死亡人數的準確報告。

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

尋找免費衛星圖像，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）網站。這兩個網站上都可以免費獲取大量開放數據。圖像分辨率低于你能購買到的衛星圖像，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據，那么你也許可以向相關的衛星運營商直接購買。衛星運營商最近經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。大多數供應方都有商業分支，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業已經涌現，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據集訪問權，有時一張圖像只需幾美元。有些提供地理信息系統的公司（包括Esri、L3Harris和 Safe Software）也已經與衛星圖像提供商談妥轉售協議。

傳統的轉售商是中間人，他們會派出一名銷售員聯系你，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先日程。阿波羅制圖、歐洲太空成像、衛星成像公司、Geocento、LandInfo和許多其他公司都是這樣做的。更為創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

這張衛星圖像呈現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

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據集的能力。這些公司對于那些尋求整合數據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據，符合公司的服務條款和許可協議。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據。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據（向衛星部署任務）的資源整合商。

今時今日，衛星圖像的數量充足，容易訪問，而兩個正在出現的改變會進一步擴展我們用衛星數據所能做到的事：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星被置入軌道，衛星捕獲的圖像也就越多越頻繁。因此，一塊既定區域被衛星捕捉下圖像的頻次會變密。目前，通常是一周兩三次。預計衛星回訪速度很快會變成一天數次。衛星圖像的一個挑戰是云團會掩蓋你想要查看的地區，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任務的兩顆衛星的數據可以免費獲取，已經使得不少公司在最近幾年涉足SAR。

擁有SAR的衛星向下發送無線電波，測量地表反射的回波信號。衛星持續進行這項操作，而且用精巧的處理手段來將數據轉成圖像。無線電波的運用使得這些衛星能穿過云團看到地面，而且無論日夜都能收集測量數據。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據集，對于SAR衛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，但它現在才開始出現于商用產品。然而，你可以預計，SAR圖像的商用會大幅增長。

投入這個行業的大部分資金正在流向大型SAR衛星星座，包括Capella Space、Iceye、Synspective、XpressSAR和其他公司的產品。SAR衛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，地球觀測衛星獲取的數據也許會變得像GPS一樣無所不在，而GPS這項衛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。”

資料來源 IEEE Spectrum