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太空“哨兵”,Google Earth身后的遥感卫星

时间:2022-05-14 19:20:03 浏览次数:

Google earth所推出的卫星图片史无前例地满足了亿万普通人对自己生活的地球家园的好奇与关注,同时也激发了他们对Google Earth身后遥感卫星的兴趣。

Google Earth中的大部分卫星图片由美国数字地球(Digital Globe)公司研制的捷鸟(Quick Bird)商业遥感卫星提供,此外也有少部分由美国的陆地遥感卫星(Landsat)提供。这些被称为太空“哨兵”的遥感卫星一直默默无闻地运行在各自的轨道上,恪尽职守地执行着多种对地遥感观测任务。那么,它们究竟是如何工作的?记者就此问题采访了中国科学院光电研究院(中科院天地一体化遥感技术系统总体部)的潘习哲、戴昌达两位研究员,其中潘习哲研究员向我们简要介绍了遥感卫星工作的情况(根据谈话内容整理,有删节)。

《航天员》:我们的读者朋友在来信中表达了对Google Earth身后航天技术的关注,尤其是对卫星遥感技术非常感兴趣,能否谈谈目前卫星遥感的基本原理?

潘习哲:遥感,简单地理解就是“遥远地感知”。我们头顶上的遥感卫星最近的距我们有100多千米,最远的有36 000千米,要从这样一个高度来准确感知地球表面的情况,它们是怎么做到的呢?

我们知道,物体具有反射、吸收、透射和发射电磁波的能力,这种物质所固有的特性统称为电磁波特性,或简称光谱特性。不同物体的电磁波特性是不同的,遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波。人们利用专门的仪器(如遥感器)记录这些电磁波,通过它们与地物的对应关系,分析和确定所要了解物质的信息,实现感知地物的目的。

太空中的卫星是一个非常好的遥感平台。从太空中俯瞰地球,首先是位置非常高,感知的范围广,并且受到地面上空的气流、温差等各方面的影响非常小,有利于卫星察看地球。卫星能够遥感的关键在于卫星安装有“眼睛”—传感器(或敏感器),传感器可以是光学遥感摄影机。根据探测波段的不同,摄影方式一般分为近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影等,这些摄影一般根据从地面物体反射过来的光波进行遥感,多为被动式遥感,受制约比较多,因为需要利用太阳作为它们的光源。传感器也可以是雷达,通过自身主动地不断向地面物体发射电磁波并接收返回的电磁波对物体进行感知,可以实现全天候、全天时工作。这些遥感信号经过一系列光电转化后保存并被传送到地面接收站,地面工作人员对这些信号进行还原、校正、变换和融合处理,就可以得到我们所需要的各种卫星影像数据,包括你们所说的Google Earth卫星影像图。实际上Google Earth里除了卫星图片外,还使用了部分航拍图片进行补充。

《航天员》:目前,太空中的对地遥感卫星主要有哪些?各有怎样的特点和用途?

潘习哲:目前在各种轨道上运行的卫星有几千颗,数量非常多,因此分类的方式也很多。但是我们通常是按照用途将其分为气象卫星系列、海洋卫星系列、陆地卫星(又称地球资源卫星)系列。

气象卫星是最早发展起来的环境卫星,从1960年美国发射第一颗试验性气象卫星“泰诺斯”1号(Tiros-1)以来,目前已经发展到以美国NOAA系列为代表的新阶段。我国使用的主要是自己研发的“风云”系列。气象卫星一般具有运行轨道高、成像面积大、资料来源连续、成本低等特点,可用于气象预报、气象研究、资源调查、海洋研究等。利用它的遥感数据可以绘制云图、冰雪覆盖图及其他天气图,发现旋风、台风、飓风,确定云顶温度和地表温度。除此以外,它还可以广泛应用于农作物长势监测、自然灾害监测、冰情预报等许多非气象领域。

海洋卫星是一种探测海洋表面状况、监测海洋动态的卫星,是目前各国开发海洋的一个重要的高空探测平台。1978年,美国发射了世界上第一颗海洋卫星(Seasat-A)开创了海洋遥感和微波遥感的新阶段。目前世界上主要的海洋卫星有美国的海洋卫星(Seasat-A)、“雨云”7号卫星(Nimbus-7),日本的海洋观测卫星和加拿大的雷达卫星(Radarsat)等。我国也于2002年发射了第一颗用于海洋水色探测的试验型业务卫星(“海洋”1号A)并成功运行,应用成效显著。海洋卫星具有大面积同步覆盖,以微波为主、电磁波与声波、激光相结合的特点。它们的运行为观测海况,研究海面形态、海面温度、风场、海冰、大气含水量等开辟了新途径,如可根据需要获取海洋温度、海流、环流、海貌等海洋数据。海洋卫星能提供全球海洋连续的、全面的、同步的观测数据,这是其他任何观测手段都不可能实现的。

陆地卫星利用所带的遥感器获取地球表面图像数据从而进行资源调查。目前在太空运行的像美国的陆地卫星(Landsat)、法国的斯波特卫星(Spot)、中国资源1号卫星—中巴地球资源卫星(CBERS)等等,可以说是目前所有卫星遥感中应用最广泛、最深入的部分,在地学、军事以及国民经济各个领域都有广泛应用,比如在军事侦察、导航、全球卫星定位、国土普查、地质调查、石油勘探、农业、林业普查与规划、测绘等各个方面,这些遥感卫星都发挥了非常重要的作用。

《航天员》:我们常说的卫星图像分辨率是一个怎样的概念,是不是分辨率越高意味着清晰度越高,遥感技术越强?

潘习哲:卫图(卫星图像)是各种卫星上传感器所获信息的产物,是遥感探测目标的信息载体。遥感解译人员通过遥感图像获取三方面的信息:目标地物的大小、形状及空间分布特点,目标地物的属性特点和目标地物的动态变化特点,因此相应地将遥感图像归纳为三方面特征,即几何特征、物理特征和时间特征,这三方面特征的表现参数即为空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率。而作为科普来讲,平时大家所关注的卫图分辨率通常是指卫图的空间分辨率,它是指在卫星图像上能够分辨地面最小景物的大小,是一个用于描述目标地物构成图像的像素(又称像元)密集程度的单位。这里所说的像素是构成图像的最小单元。

例如,我们通常所讲的2米分辨率就是指1个像素表示地面大约2米×2米的面积,相当于我们用肉眼从1.8千米高的距离看到地面物体的形状;分辨率为0.5米是指0.5米×0.5米的面积在图像中占一个像素,相当于我们用肉眼从300米的天空观看到地面物体的清晰度。因此可以说,分辨率越高,图像越清晰,就能探测到越小的物体。

但是不能就此说分辨率越高,遥感技术越强。遥感技术是一个复杂的综合体,分辨率只是其中的一项指标,其高低需要根据卫星的用途设计。例如,我们前面所说的气象卫星一般是从一个大范围内观测云图、气流的活动状况,此时就不宜用分辨率高的影像,分辨率越高,信息存量就越大,无用信息也就越多,就越难以判断气候状况。当然,综观整个遥感技术的发展历程,分辨率的提高也是遥感技术不断增强的一个重要表现。从地面遥感到航空遥感再到卫星遥感,我们延伸了自身的视觉、听觉和触觉,把研究地球的起点从地面、低空扩展到太空,从而可以对地球进行多角度、大面积、连续性的深层次的观测,使我们对自己所居住的地球及其周围环境有更全面、更清晰、更深刻的认识。

附:捷鸟(Quick Bird)商业遥感卫星简介

因为Google Earth而众所周知的捷鸟(Quick Bird,国内也称作“快鸟”)卫星隶属于美国数字地球(Digital Globe)公司,是由鲍尔航天技术公司(Ball Aerospace & Technologies)、柯达(Kodak)公司和福克空间公司(Fokker Space)联合研制的商业高分辨率遥感卫星。它从450千米外的太空固定轨道拍摄地球表面上的地物、地貌等空间信息,最大成图比例尺可达1∶1500,其黑白(全色)波段的图像分辨率可高达0.61米,彩色(多光谱波段)的分辨率为2.44米,为全球首颗突破1米以下分辨率的商用光学卫星(美国艾科诺斯卫星的分辨率可达1米左右,法国斯波特卫星影像的分辨率为2.5米,分别列第二、第三)。同时,捷鸟卫星为太阳同步轨道卫星,平均4~6天即可拍摄同一地点的影像。目前捷鸟正在进行改进,以期获取0.5米分辨率的图像。

美国五角大楼每年都会在资金与技术上给捷鸟所属的商业卫星公司进行资助,当然作为回报,自然是捷鸟卫星数据在第一时间交给五角大楼作为军事应用,而且针对某些敏感区域在规定的时限内不允许商业化。

★捷鸟卫星详细技术参数★

发射时间:

2001年10月18日

运载火箭:

德尔塔-2

发射地点:

美国范登堡空军基地

轨道高度及倾角:

450千米 98°太阳同步轨道

重访周期:

1~3.5天

视角:

沿轨道方向和垂直轨道方向均可调整

轨道周期:93.4分钟

每轨拍摄:57帧左右

幅宽与图像大小:

星下点:16.5千米;可达到地面幅宽:544千米(中心点为卫星地面轨迹,偏离星下点30°)

定位精度:

圆误差为23米,线误差为17米(无地面控制点)

传感器分辨率和光谱波段:

全色波段星下点:61厘米,波长445~990纳米;多光谱波段星下点:2.44米,蓝450~520纳米,绿520~600纳米,红630~690纳米,近红外760~900纳米

数据编码方式:

11位 B

卫星姿态控制系统:

三轴稳定/恒星跟踪稳定/惯性平台/飞轮/GPS(全球卫星定位系统)

星上存储器:128GB

卫星设计寿命:7年

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