开启天眼时代

赵斌

本文想聊的话题，并非是谷歌地球本身，但与谷歌地球有着千丝万缕的联系。谷歌地球的前身是钥匙孔公司的一款数字地图测绘软件。这并非是一款面向大众的软件，而是为专业用户浏览卫星影像和航空图片服务的。为便于用户定位这些图像，研究人员把卫星和航空照片通过GIS技术安置在三维地球模型上，由此构成了一个虚拟地球仪的思路。也正是这个思路引起了谷歌公司的兴趣。2004年10月，谷歌公司收购钥匙孔公司，并于2005年6月推出了谷歌地球。难能可贵的是，谷歌地球被定义为免费软件，这就赢得了大量用户并最终赢得了整个世界的青睐。

自平民化的谷歌地球诞生以来，就在不断改变着我们的生活，互联网用户可以免费浏览全球各地的地面状况。不过，谷歌地球在时间匹配方面远远满足不了用户、特别是专业用户的需求。虽然其目前更新速度在加快，大多数区域的数据更新频率均少于3年，但仍有部分地区的资料是10年前的，一些人口稀少地区的影像更为陈旧。这与谷歌地球的数据源获取有关。谷歌地球的卫星影像部分来源于美国的“快鸟”和“伊科诺斯”、法国的“地球观测系统5号”以及最老牌的陆地卫星LANDSAT系列。其中，“地球观测系统5号”的最大空间分辨率为2.5米，“伊科诺斯”为1米，“快鸟”则可达到0.61米。“快鸟”曾是全球商用卫星中分辨率最高的。它是可变轨卫星，所以其获取的数据大多来自人员密集的大城市。

随着谷歌地球的图像越来越清晰，更新速度越来越快。我们现在可以利用谷歌地球监测和跟踪发生在地球上的一些变化，比如作物、森林的变化，野生动物迁移、城市扩张和自然灾害等。如果要更好、更多、更快、更全面地监测地球表面的变化，则需要获取更高时间频率的遥感数据。

摩拳擦掌开发小卫星群

想象一下，未来的某一天，成群的小卫星包围着地球，为人们提供接近地球实况的图像。

这已经不再是遥不可及的幻想。美国加州的两个初创企业——行星实验室和天体成像公司，就计划推出成群的成像小卫星（也有人称其为微微卫星）。这些卫星的优势在于数量众多，可以达到每天数次、远高于当前地球观测卫星的重访速度。上述公司宣称，要从太空中获得地球近乎实况的流媒体高分辨率数据。

行星实验室成立于2010年，这个实验室开发的卫星群是人类有史以来规模最大的。大约1年前，该公司陆续发射了4枚卫星，以测试拍摄地球高清图像的能力。2014年2月11日，携带有28颗微卫星“鸽子”的“群鸟”1号发射升空，并释放了其中的两只“鸽子”。每个烤箱大小的“鸽子”重量不超过5000克，成像分辨率高达3～5米，这足以在太空中“看清树，但看不到人”，它们将有助于人类以前所未有的角度认识地球。

天体成像公司计划发射24颗卫星的任务也正在紧锣密鼓地筹备中。这24颗卫星，每个重约100千克，有1米或更高的分辨率。2013年11月21日，该公司发射了首颗卫星，并且已经开始向公众发布其所拍摄的视频。他们计划今年再发射1颗卫星，剩下的卫星预计在2015～2017年完成发射。在民用卫星中，天体成像公司第一次以高清流媒体的方式提供一小段近乎实况的地球高分辨率全彩视频，其分辨率均为1米左右，足以辨别出移动的车辆、人群等。

另外一家总部设在加拿大温哥华的地球直播公司也正计划搭乘国际空间站，对地球进行视频监控。该公司孔径达32厘米的摄像机将首先在国际空间站完成组装，然后离开空间站。这也算得上是从空间发射，但这次发射的目标不是深空，仍是地球。摄像机将在太空对地球进行接近实况的高清流媒体彩色视频记录，并将有关资料上传到网络上。2013年12月27日，国际空间站的宇航员通过太空行走，在俄罗斯“星辰”号服务舱上安装了一个分辨率为1米、用于记录高清全彩视频的摄像头和一个分辨率为5米、用于记录静态实况图像的多光谱相机。

信息透明化将带来翻天覆地的变化

传统的成像卫星与一辆货车的大小和重量相当，建造和发射1枚需数亿美元，只有少数运营商、商界大佬有实力资助卫星的发射，因而传统成像卫星的最终发射数量还不到20颗。这些卫星所组成的卫星群提供的数据相对有限，而且它们倾向于为订单客户服务。它们的最大客户是各国政府，特别是情报机构和军队。卫星数据高昂的价格限制了潜在用户的开发，包括农业、森林碳管理、区域和地方规划以及环境管理等。

相比之下，成群的小卫星发射后，由于其数量众多，地球上同一地点被拍摄到的频率从数小时到数天不等（与纬度有关）。为了使卫星影像数据更加平民化、信息透明化，新的卫星业务一直试图挖掘更多新用户，希望通过提供更大的折扣，甚至为个人和非政府组织免费提供图像来吸引更多客户，让近乎实时观测的数据走向民间。同时，小型化卫星还降低了发射成本。这些举措都逐步扩大了小型卫星的应用范围。

受益于卫星群计划，在精准农业方面，使用遥感方法有助于对农场进行更加科学的管理。因为这项技术能够提供即时的田间作物产量和健康评估，为农场主在施肥和灌溉方面的科学决策提供依据。这对于大多数农民来说，曾是遥不可及的。

当装载于卫星上的遥感相机完全启动并运行时，有关公司可以针对商业市场开发一些新的用户，例如监控交通、港口和工厂的媒体和组织。这些图像的商业应用还包括制图、房地产和建筑、石油和天然气监测。过去，人们使用直升飞机监测石油管道是否泄漏，而今，小型卫星完全可以取代或补充直升飞机在这方面的应用，因为卫星群可以快速收集相关图像。

气候变化问题是人们关注的热点问题之一。了解地球变化的实时信息，有助于人们增强对地球系统和环境保护的感性认识。比如，利用卫星群在各个区域自动拍摄的图像数据，人们能够制作专题图，监测森林砍伐状况和极地冰盖的变化，可以随时了解和感受到全球环境问题的存在。

伴随卫星群数据对公众开放，人们能近乎实时地看到地球的流媒体直播。专家预测，这种情况会使人们的生活产生一些目前无法预料的变化。endprint

谷歌地球每天更新一次

由于组成卫星群的卫星还未完成全部发射任务，科学家还需要对卫星传回的图像质量进行更多评估。但它们1～5米的卫星空间分辨率远高于大多数科学卫星。例如，美国宇航局的地球观测主力——陆地卫星系列的分辨率只有15～100米，可见光范围为30米。当然，这样中等程度的影像分辨率对许多应用来说已经足够了，但更高的分辨率仍然会给人们带来更多益处。

有科学家认为，卫星群数据的科学价值将“完全依赖”其质量。卫星影像分辨率的提高也带来了新的问题。例如，如何将来自多颗卫星彼此重叠的高频图像数据无缝组合，就是一项巨大的挑战，因为不同卫星的性能可能会有所不同，而且它们还会随时间发生变化。

尽管如此，科学家还是对这些卫星的应用前景充满期待。这些卫星群的重访率是目前任何卫星系统都无法比拟的，这几乎相当于谷歌地球每天更新一次。卫星群所采集的图像覆盖了从赤道到南北纬52度以内的区域，包括地球上绝大多数人口密集地区和农业产区。卫星群的飞行轨道比大多数卫星都要低，仅在距离地球之上380～650千米的范围内。一旦卫星群计划成功，由此将形成一个全天不间断的地球全景数据网络，而且这些数据全是免费的。

未知的改变

在地面安置摄像头对小区、道路和城市进行视频监控，在今天的人们看来已不是什么新鲜事儿，许多地方甚至已经能够做到无缝覆盖。但是，在遥感卫星上安装流媒体记录设备，大大挑战了传统环境遥感的想象力。虽然人们尚不完全清楚空间视频监控的科学潜力，但其潜在的科学应用非常广泛，包括观察火山喷发、森林火灾、飓风和野生动物迁移。空间视频的其他应用则包括监测洪水、地震和其他自然灾害，乃至人道主义危机。例如，类似于日本福岛核泄漏这样为全球瞩目的问题，如果有定期的空间视频片段，就会为实施救援提供无以伦比的宝贵信息。这些数据完全可以整合到联合国业务卫星应用项目中，为联合国和其他组织提供卫星图像。

当然，类似的计划也是有局限性的。天体成像公司的卫星和空间站在低地球轨道以每小时数千千米的速度运动，所以地球上任何一个地方的视频时长必然相当短暂。这些公司打算使用可控摄像机锁定他们选定的目标，使这些目标获得60～90秒的视频序列。这样的卫星也令我们想到能提供同一位置连续视频片段的高空无人机。两者尽管有诸多相似之处，但高空无人机在全球范围飞行时，需要得到访问国的领空授权。另外，当自然灾害来袭时，无人机可能并不在该区域附近，也无法及时赶到。相比之下，天空中的卫星并不需要飞行许可授权，能更快速到达非常偏远的地区并获得最新的信息，自身优势相对更明显一些。

未来，高时频、高清晰度的地球照片和地球视频监控会如何改变我们的生活呢？让我们拭目以待。

【责任编辑】赵 菲endprint