環(huán)境遙感 神奇的太空守望者

第第頁環(huán)境遙感神奇的太空守望者環(huán)境遙感，雖然大家都已耳熟能詳，但如果沒有親身體會和實際接觸過，仍會覺得充滿著神秘色彩。說其神秘，是因為我們現(xiàn)在所理解的遙感都是與衛(wèi)星、電腦和通訊等高科技結(jié)合在一起的。不過，從本質(zhì)上看，傳統(tǒng)的環(huán)境遙感就是一架放在外太空的特殊照相機(jī)而已。

“遙感”一詞是從英語remotesensing翻譯過來的；在英語中，remote的含義并非“遙遠(yuǎn)”，只要是非接觸的，都可以稱其為remote，比如，遙控器的英語為remotecontroller，遠(yuǎn)嗎？如此來說，普通的照相機(jī)其實也是一個遙感器，甚至我們還可以把B超理解成一個遙感器。不是嗎？B超所測定的并非肚皮，而是里面的內(nèi)臟器官。這才是遙感的廣義含義。當(dāng)然，在說到環(huán)境遙感的時候，我們往往特指航空和航天遙感，因為環(huán)境遙感需要大范圍的實時監(jiān)測。環(huán)境遙感也越來越成為大尺度研究中不可或缺的重要工具，廣泛應(yīng)用于水文建模、氣象預(yù)報、地理制圖、植被覆被、景觀規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測、作物管理，生產(chǎn)力估算和全球變化模擬等領(lǐng)域。

由于大家對照相機(jī)的拍攝過程都司空見慣，因此對于理解基于攝影測量的遙感技術(shù)來說也并非難事；只不過，遙感波段范圍可能更寬，分辨率更高。在照相機(jī)發(fā)明之前，人們以不能記錄的方式在高處觀察世界，那個時候稱其為遙感的確有些牽強，因此遙感的時代必須從照相機(jī)問世開始說起。

漫漫來時路

1839年，照相機(jī)誕生；1849年，法國人艾米·勞塞達(dá)特把照相機(jī)和望遠(yuǎn)鏡結(jié)合起來，成為有目的、有記錄遙感發(fā)展階段的標(biāo)志；1858年，法國人陶納喬坐在熱氣球中拍攝巴黎市區(qū)的照片，開啟了航空遙感的新紀(jì)元；1903年，德國人紐布朗納設(shè)計出捆在鴿子身上的微型相機(jī)；美國人利用風(fēng)箏拍攝了1906年的舊金山大地震……這都是飛機(jī)誕生之前的遙感工藝。同現(xiàn)代遙感技術(shù)相比，還極為簡單。

1909年，在萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)后的第6年，飛機(jī)也應(yīng)用到了遙感上?！岸?zhàn)”時，微波雷達(dá)和紅外技術(shù)也應(yīng)用于航空遙感，人們開始利用機(jī)載遙感進(jìn)行大地測量、勘測、制圖和軍事偵察。這一時期也被稱為機(jī)載遙感時代。1957年，蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，之后以蘇聯(lián)的“斯普特尼克1號”（Sputnik-1）和美國的“探索者1號”（Explorer-1）為代表，進(jìn)入了初級星載遙感時代，并同時成就了全球第一顆氣象衛(wèi)星“泰洛斯1號”（TIROS-1）。在冷戰(zhàn)高峰期，間諜衛(wèi)星“科羅納”（Corona）被廣泛應(yīng)用，開創(chuàng)了間諜衛(wèi)星遙感時代。1959年，美國的“先鋒2號”（Vanguard-2）拍攝了地球云圖，蘇聯(lián)的“月球1號”拍攝到了月球背面的照片，這意味著，遙感技術(shù)發(fā)展到了更深層的航天遙感階段。在這一階段，人們已不再滿足于對可見光頻段的遙感，成像光譜技術(shù)把感測波段推向上千個。雖然這一時期，衛(wèi)星的發(fā)展本質(zhì)上還是用于軍事目的，然而，也就是因為當(dāng)時的軍事競賽，促使衛(wèi)星技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，很多原本應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為民用，以遙感影像為主的應(yīng)用慢慢進(jìn)入環(huán)境和自然資源領(lǐng)域。

氣象衛(wèi)星遙感時代是真正的數(shù)字記錄時代，并擁有了可獨立運算的計算機(jī)硬件和軟件。這個時代將全球監(jiān)測變成現(xiàn)實，并開創(chuàng)了環(huán)境應(yīng)用的新實踐。早期的氣象衛(wèi)星傳感器由“地球靜止軌道環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”（GOES）和極地軌道衛(wèi)星“諾阿”（NOAA）上的“高級甚高分辨輻射儀”（AVHRR）組成。以美國的“陸地資源衛(wèi)星”（LANDSAT）系列和法國的“地球觀測系統(tǒng)”（SPOT）系列衛(wèi)星為代表，衛(wèi)星擁有了更高的分辨率，也完全具備了全球覆蓋能力，這是最重要的陸地衛(wèi)星時代，開啟了真正在局域、區(qū)域和全球尺度進(jìn)行廣泛環(huán)境遙感的新紀(jì)元；還有攜帶星載高光譜遙感器的“地球觀測1號”（EO-1），取代陸地資源衛(wèi)星的升級版的“高級陸地成像儀”（ALI），以及接近亞米級的高空間分辨率衛(wèi)星“伊克諾斯”（IKONOS）和“快鳥”（QuickBird），讓人們有了更清晰認(rèn)識地球的利器。谷歌公司為增強其地球產(chǎn)品的性能，也開發(fā)了分辨率高達(dá)0.5米的“視界”（WorldView）系列衛(wèi)星，加入高分辨率環(huán)境遙感的大家庭。

在陸地衛(wèi)星發(fā)展得如火如荼之時，隨著20世紀(jì)末“圖譜合一”的“中分辨率成像光譜儀”（MODIS）的發(fā)射，環(huán)境遙感技術(shù)進(jìn)入了對地觀測系統(tǒng)時代，帶來了覆蓋全球、重復(fù)性高、產(chǎn)品多樣，易于獲取和免費訪問等全新監(jiān)測體系。

一般來說，由于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)钠款i，衛(wèi)星遙感要想同時獲得高光譜分辨率、高空間分辨率和高時間分辨率的“三高”數(shù)據(jù)是非常困難的。而中分辨率成像光譜儀權(quán)衡了這幾個技術(shù)指標(biāo)，從實用性的角度基本上解決了這個問題，使得它在地球資源觀測中具有絕對的優(yōu)勢。它的36個波段不僅分布廣，而且光譜波段范圍連續(xù)。中分辨率成像光譜儀的重復(fù)周期很高，“特拉”（Terra）和“阿卡”（Aqua）兩顆衛(wèi)星在過境時間上互補，“特拉”上午過境，“阿卡”下午過境，這樣在一天內(nèi)可以獲得同一地區(qū)的兩幅圖像，這樣的數(shù)據(jù)更新頻率在實時地球觀測和應(yīng)急處理中很有必要。相比較而言，另一個系列的陸地資源衛(wèi)星（TM/ETM）則需要16天。

如火如荼新時代

隨著新世紀(jì)的到來，環(huán)境遙感技術(shù)上的新千年時代也隨之到來。在新世紀(jì)前后，各種新型遙感器層出不窮，下面舉幾個例子加以說明。

上述基于攝影測量的光學(xué)遙感技術(shù)也叫被動遙感，探測器只能獲取和記錄目標(biāo)物體自身發(fā)射或是反射（一般指太陽）的電磁波信息。這種遙感方式的一個重要特點是必須在特定的日照條件下拍攝，而且抗干擾能力差，簡單的云層遮蓋就會讓遙感器變成“睜眼瞎”。自20世紀(jì)90年代以來，歐航局發(fā)射的“地球資源衛(wèi)星”（ERS）、日本發(fā)射的“日本地球遙感衛(wèi)星”（JERS），均使用微波雷達(dá)技術(shù)，它們可獲取全天候與全天時的圖像，被稱為主動遙感。除此之外，比起傳統(tǒng)的光學(xué)遙感圖像，這類衛(wèi)星還有更多不可替代的優(yōu)勢。例如，對于雪和冰，微波可以透過，因此可以獲得被雪或冰覆蓋的地面信息，地球資源衛(wèi)星的C波段就可以對海洋及海冰下的地物進(jìn)行成像，水的微波輻射通常比較低，發(fā)射率隨溫度及鹽分變化，因此可借此估計海溫。而日本地球遙感衛(wèi)星的L波段可以更深地穿透植被，所以在林業(yè)及植被研究中更有用。與空曠地相比，植被表面的發(fā)射較低，而當(dāng)植被覆蓋度增加時，微波輻射的水平極化和垂直極化的差別減小，因此可用于評估植被覆蓋度。濕潤土壤的微波輻射主要來自表面薄層，而對于干燥土壤，微波輻射可以深入到地下，因此可用于深處土壤濕度的監(jiān)測。

傳統(tǒng)的地形測量一直費時費力，而利用環(huán)境遙感技術(shù)進(jìn)行的陸地立體測繪可以替代這些繁雜的勞動。在這方面，科研人員主要發(fā)展了兩種衛(wèi)星測繪技術(shù)。一種是以法國“地球觀測系統(tǒng)5號”（SPOT-5）為代表的利用星載立體光學(xué)測繪相機(jī)，實現(xiàn)同軌立體測繪；另一種是美國2000年2月11日發(fā)射的“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)，上面搭載了“機(jī)載雷達(dá)地形測量”（SRTM）系統(tǒng)，共計進(jìn)行了222小時23分鐘的數(shù)據(jù)采集工作，獲取北緯60度至南緯60度之間總面積超過1.19億平方千米的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，覆蓋地球80%以上的陸地表面。機(jī)載雷達(dá)地形測量系統(tǒng)獲取的雷達(dá)影像的數(shù)據(jù)量約為9.8萬億字節(jié)，經(jīng)過兩年多的數(shù)據(jù)處理，科研人員制成了數(shù)字地形高程模型，即現(xiàn)在的SRTM地形產(chǎn)品數(shù)據(jù)。這個基于航天飛機(jī)的測量任務(wù)在遙感史上堪稱轟動性的。

牛頓肯定不是第一個感受重力的人，但他讓我們從本質(zhì)上理解了重力是什么。自此，人們一直想全面監(jiān)測地球的重力。不過，受到人類在地面活動范圍的限制，全球的重力場測量一直只是人們的一個夢想。隨著環(huán)境遙感技術(shù)的日新月異，在太空通過衛(wèi)星來測量地球重力場已成為現(xiàn)實。2002年，由美國航空航天局和德國航天局合作研制的“重力反演和氣候?qū)嶒炐l(wèi)星”（GRACE）發(fā)射升空。GRACE的兩顆衛(wèi)星在同一軌道平面上，彼此距離約220±50千米。當(dāng)這對衛(wèi)星在繞行地球時，地球上重力場較強的地區(qū)會先影響到前一顆衛(wèi)星，把它拉得離后面的衛(wèi)星遠(yuǎn)一點。然后當(dāng)后面那顆衛(wèi)星經(jīng)過這一重力異常的地區(qū)時，又會被拉得離前一顆衛(wèi)星近一些。這些距離變化的改變是我們?nèi)庋鬯鶡o法察覺的，但GRACE上的微波測距系統(tǒng)可以精確地測量出兩顆衛(wèi)星之間距離的細(xì)微變化。在衛(wèi)星的中央有一個高精確度的加度測量器，它可以測得因非重力所引起的加速度變化，只有由重力所造成的加速度才會被考慮進(jìn)來。衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)（GPS）可以測得衛(wèi)星所在的確切位置，誤差在1厘米之內(nèi)。GRACE每30天完整掃描全球一次，就能提供全球的重力場分布，而且比以往的重力測量精確百倍以上。讓我們感覺更有趣的是，以GRACE為代表的重力測量衛(wèi)星，本身就是衛(wèi)星監(jiān)測領(lǐng)域的一次巨大創(chuàng)新，因為它不是測量地表反射的電磁波能量，而是根據(jù)自身的運行狀況進(jìn)行測量，甚至GRACE兩顆衛(wèi)星之間的距離變化也被作為重力場測量的重要參數(shù)。

未來觀測什么

在談及遙感衛(wèi)星之時，一定不能忘記一位超期服役其設(shè)計壽命10倍之久的元老級衛(wèi)星“陸地資源衛(wèi)星5號”（Landsat-5）。2013年1月6日，這位為我們連續(xù)工作了近30年之久的衛(wèi)星終于沉默了，無法再像往日一樣向人們傳遞地球照片。其實，Landsat-5在工作生涯中也曾發(fā)生過故障，甚至有些時候還會出現(xiàn)暫時失效的情況，但它都挺過來了。雖然陸地資源衛(wèi)星5號退役是遲早的事兒，但當(dāng)真正失去它的時候，許多人還是感覺像突然失去一位老朋友般地感傷。因此，英國《自然》周刊中甚至有人撰文這樣評價：全世界科學(xué)家們在哀悼它的消逝之時，也感謝它堅忍不拔的頑強工作能力，這顆衛(wèi)星已經(jīng)破紀(jì)錄地工作了28年，拍攝了無數(shù)的地球圖像，其繼任者卻紛紛隕落。這里所說的繼任者包括“陸地資源衛(wèi)星6號”（Landsat-6）和“陸地資源衛(wèi)星7號”（Landsat-7）?！瓣懙刭Y源衛(wèi)星6號”沒有發(fā)射成功，“陸地資源衛(wèi)星7號”雖然也熬過了13個年頭；但是從2005年開始，就處于半盲狀態(tài)，維持其繼續(xù)工作的燃料也非常有限，已經(jīng)處于搖搖欲墜的邊緣。毋庸置疑，“陸地資源衛(wèi)星5號”為全球的科學(xué)研究積累了連續(xù)觀測歷時最長也或許是最有影響力的數(shù)據(jù)資源。為了讓連續(xù)觀測能持續(xù)下去，另一個后繼者“陸地資源衛(wèi)星8號”（Landsat-8）于2013年2月11日從美國加州萬登伯格空軍基地成功發(fā)射升空。與之前這個家族的衛(wèi)星相比，“陸地資源衛(wèi)星8號”的光線、熱量感應(yīng)器精準(zhǔn)度更高，同時其“視野”也更廣，有助于科學(xué)家們進(jìn)行大氣氣溶膠、高空卷云、水質(zhì)、耗水量等方面的研究。

可見，環(huán)境衛(wèi)星的觀測越來越豐富，那么下一代將要觀測什么？不同的國家可能有各自不同的重點觀測方向。例如，歐洲航天局發(fā)展的對地觀測戰(zhàn)略，其重要基礎(chǔ)就是“地球探索者”任務(wù)和“對地觀測”任務(wù)的雙使命戰(zhàn)略。歐洲目前有3顆地球探索者衛(wèi)星在軌運行，主要用于監(jiān)測地球重力場細(xì)微變化的“重力場和海洋環(huán)流探測衛(wèi)星”（GOCE，2009年3月17日成功發(fā)射），它能夠揭示冰塊和洋流的變化；監(jiān)測土壤濕度和海洋鹽度變化的“土壤濕度及海洋鹽度衛(wèi)星”（SMOS，2009年11月2日成功發(fā)射）；以及監(jiān)測海冰厚度變化和巨大冰原、冰川質(zhì)量變化的“克里賽特2號”（CryoSat-2，2010年4月8日成功發(fā)射）。另外3次發(fā)射任務(wù)會在未來3年內(nèi)推出，分別監(jiān)測地球磁場、全球風(fēng)剖面特性以及云、氣溶膠和輻射。

再下一步，第7次發(fā)射任務(wù)應(yīng)該做什么呢？由于歐洲正面臨