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(lián)系。谷歌地球的前身是鑰匙孔公司的一款數(shù)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(yè)用戶瀏覽衛(wèi)星影像和航空圖片服務(wù)的。為便于用戶定位這些圖像，研究人員把衛(wèi)星和航空照片通過GIS技術(shù)安置在三維地球模型上，由此構(gòu)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(lián)網(wǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了用戶、特別是專業(yè)用戶的需求。雖然其目前更新速度在加快，大多數(shù)區(qū)域的數(shù)據(jù)更新頻率均少于3年，但仍有部分地區(qū)的資料是10年前的，一些人口稀少地區(qū)的影像更為陳舊。這與谷歌地球的數(shù)據(jù)源獲取有關(guān)。谷歌地球的衛(wèi)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(tǒng)5號”以及最老牌的陸地衛(wèi)星LANDSAT系列。其中，“地球觀測系統(tǒng)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(dá)到0.61米。“快鳥”曾是全球商用衛(wèi)星中分辨率最高的。它是可變軌衛(wèi)星，所以其獲取的數(shù)據(jù)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(xiàn)在可以利用谷歌地球監(jiān)測和跟蹤發(fā)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(kuò)張和自然災(zāi)害等。如果要更好、更多、更快、更全面地監(jiān)測地球表面的變化，則需要獲取更高時間頻率的遙感數(shù)據(jù)。

摩拳擦掌開發(fā)小衛(wèi)星群

想象一下，未來的某一天，成群的小衛(wèi)星包圍著地球，為人們提供接近地球?qū)崨r的圖像。

這已經(jīng)不再是遙不可及的幻想。美國加州的兩個初創(chuàng)企業(yè)——行星實驗室和天體成像公司，就計劃推出成群的成像小衛(wèi)星（也有人稱其為微微衛(wèi)星）。這些衛(wèi)星的優(yōu)勢在于數(shù)量眾多，可以達(dá)到每天數(shù)次、遠(yuǎn)高于當(dāng)前地球觀測衛(wèi)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(shù)據(jù)。

行星實驗室成立于2010年，這個實驗室開發(fā)的衛(wèi)星群是人類有史以來規(guī)模最大的。大約1年前，該公司陸續(xù)發(fā)射了4枚衛(wèi)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(wèi)星“鴿子”的“群鳥”1號發(fā)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(dá)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(rèn)識地球。

天體成像公司計劃發(fā)射24顆衛(wèi)星的任務(wù)也正在緊鑼密鼓地籌備中。這24顆衛(wèi)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(fā)射了首顆衛(wèi)星，并且已經(jīng)開始向公眾發(fā)布其所拍攝的視頻。他們計劃今年再發(fā)射1顆衛(wèi)星，剩下的衛(wèi)星預(yù)計在2015～2017年完成發(fā)射。在民用衛(wèi)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(shè)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(jìn)行視頻監(jiān)控。該公司孔徑達(dá)32厘米的攝像機(jī)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(fā)射，但這次發(fā)射的目標(biāo)不是深空，仍是地球。攝像機(jī)將在太空對地球進(jìn)行接近實況的高清流媒體彩色視頻記錄，并將有關(guān)資料上傳到網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(tài)實況圖像的多光譜相機(jī)。

信息透明化將帶來翻天覆地的變化

傳統(tǒng)的成像衛(wèi)星與一輛貨車的大小和重量相當(dāng)，建造和發(fā)射1枚需數(shù)億美元，只有少數(shù)運營商、商界大佬有實力資助衛(wèi)星的發(fā)射，因而傳統(tǒng)成像衛(wèi)星的最終發(fā)射數(shù)量還不到20顆。這些衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星群提供的數(shù)據(jù)相對有限，而且它們傾向于為訂單客戶服務(wù)。它們的最大客戶是各國政府，特別是情報機(jī)構(gòu)和軍隊。衛(wèi)星數(shù)據(jù)高昂的價格限制了潛在用戶的開發(fā)，包括農(nóng)業(yè)、森林碳管理、區(qū)域和地方規(guī)劃以及環(huán)境管理等。

相比之下，成群的小衛(wèi)星發(fā)射后，由于其數(shù)量眾多，地球上同一地點被拍攝到的頻率從數(shù)小時到數(shù)天不等（與緯度有關(guān)）。為了使衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)更加平民化、信息透明化，新的衛(wèi)星業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)走向民間。同時，小型化衛(wèi)星還降低了發(fā)射成本。這些舉措都逐步擴(kuò)大了小型衛(wèi)星的應(yīng)用范圍。

受益于衛(wèi)星群計劃，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面，使用遙感方法有助于對農(nóng)場進(jìn)行更加科學(xué)的管理。因為這項技術(shù)能夠提供即時的田間作物產(chǎn)量和健康評估，為農(nóng)場主在施肥和灌溉方面的科學(xué)決策提供依據(jù)。這對于大多數(shù)農(nóng)民來說，曾是遙不可及的。

當(dāng)裝載于衛(wèi)星上的遙感相機(jī)完全啟動并運行時，有關(guān)公司可以針對商業(yè)市場開發(fā)一些新的用戶，例如監(jiān)控交通、港口和工廠的媒體和組織。這些圖像的商業(yè)應(yīng)用還包括制圖、房地產(chǎn)和建筑、石油和天然氣監(jiān)測。過去，人們使用直升飛機(jī)監(jiān)測石油管道是否泄漏，而今，小型衛(wèi)星完全可以取代或補充直升飛機(jī)在這方面的應(yīng)用，因為衛(wèi)星群可以快速收集相關(guān)圖像。

氣候變化問題是人們關(guān)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(tǒng)和環(huán)境保護(hù)的感性認(rèn)識。比如，利用衛(wèi)星群在各個區(qū)域自動拍攝的圖像數(shù)據(jù)，人們能夠制作專題圖，監(jiān)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(huán)境問題的存在。

伴隨衛(wèi)星群數(shù)據(jù)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(yù)測，這種情況會使人們的生活產(chǎn)生一些目前無法預(yù)料的變化。endprint

谷歌地球每天更新一次

由于組成衛(wèi)星群的衛(wèi)星還未完成全部發(fā)射任務(wù)，科學(xué)家還需要對衛(wèi)星傳回的圖像質(zhì)量進(jìn)行更多評估。但它們1～5米的衛(wèi)星空間分辨率遠(yuǎn)高于大多數(shù)科學(xué)衛(wèi)星。例如，美國宇航局的地球觀測主力——陸地衛(wèi)星系列的分辨率只有15～100米，可見光范圍為30米。當(dāng)然，這樣中等程度的影像分辨率對許多應(yīng)用來說已經(jīng)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(xué)家認(rèn)為，衛(wèi)星群數(shù)據(jù)的科學(xué)價值將“完全依賴”其質(zhì)量。衛(wèi)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(wèi)星彼此重疊的高頻圖像數(shù)據(jù)無縫組合，就是一項巨大的挑戰(zhàn)，因為不同衛(wèi)星的性能可能會有所不同，而且它們還會隨時間發(fā)生變化。

盡管如此，科學(xué)家還是對這些衛(wèi)星的應(yīng)用前景充滿期待。這些衛(wèi)星群的重訪率是目前任何衛(wèi)星系統(tǒng)都無法比擬的，這幾乎相當(dāng)于谷歌地球每天更新一次。衛(wèi)星群所采集的圖像覆蓋了從赤道到南北緯52度以內(nèi)的區(qū)域，包括地球上絕大多數(shù)人口密集地區(qū)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)。衛(wèi)星群的飛行軌道比大多數(shù)衛(wèi)星都要低，僅在距離地球之上380～650千米的范圍內(nèi)。一旦衛(wèi)星群計劃成功，由此將形成一個全天不間斷的地球全景數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，而且這些數(shù)據(jù)全是免費的。

未知的改變

在地面安置攝像頭對小區(qū)、道路和城市進(jìn)行視頻監(jiān)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(jīng)能夠做到無縫覆蓋。但是，在遙感衛(wèi)星上安裝流媒體記錄設(shè)備，大大挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)環(huán)境遙感的想象力。雖然人們尚不完全清楚空間視頻監(jiān)控的科學(xué)潛力，但其潛在的科學(xué)應(yīng)用非常廣泛，包括觀察火山噴發(fā)、森林火災(zāi)、颶風(fēng)和野生動物遷移?？臻g視頻的其他應(yīng)用則包括監(jiān)測洪水、地震和其他自然災(zāi)害，乃至人道主義危機(jī)。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(shù)據(jù)完全可以整合到聯(lián)合國業(yè)務(wù)衛(wèi)星應(yīng)用項目中，為聯(lián)合國和其他組織提供衛(wèi)星圖像。

當(dāng)然，類似的計劃也是有局限性的。天體成像公司的衛(wèi)星和空間站在低地球軌道以每小時數(shù)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(dāng)短暫。這些公司打算使用可控攝像機(jī)鎖定他們選定的目標(biāo)，使這些目標(biāo)獲得60～90秒的視頻序列。這樣的衛(wèi)星也令我們想到能提供同一位置連續(xù)視頻片段的高空無人機(jī)。兩者盡管有諸多相似之處，但高空無人機(jī)在全球范圍飛行時，需要得到訪問國的領(lǐng)空授權(quán)。另外，當(dāng)自然災(zāi)害來襲時，無人機(jī)可能并不在該區(qū)域附近，也無法及時趕到。相比之下，天空中的衛(wèi)星并不需要飛行許可授權(quán)，能更快速到達(dá)非常偏遠(yuǎn)的地區(qū)并獲得最新的信息，自身優(yōu)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(jiān)控會如何改變我們的生活呢？讓我們拭目以待。

【責(zé)任編輯】趙 菲endprint