灾难警报从天上发出

□ 张智慧

国际空间站航天员利用WORF进行对地拍摄

国际空间站作为近地轨道空间唯一在轨运行的大型综合实验平台，部署了许多先进的对地观测和遥感设备。使用手持或自动装置，航天员可以灵活开展对地观测活动，尤其是在监测突发自然灾害时，较无人飞行器而言，更具灵活性。作为一个“全球观测与监测站”，国际空间站在收集全球气候、环境变化及自然灾害信息，推动探究和解决地球环境问题以及推动全球对地观测活动的国际合作方面发挥了重要作用。

优于遥感卫星的观测能力

国际空间站究竟提供了怎样的遥感能力？为什么这些能力不能被无人飞行器或卫星所取代呢？

原来，与传统的遥感卫星不同，空间站的轨道是倾斜赤道轨道，而非太阳同步轨道。国际空间站的轨道面投影覆盖了北纬52度至南纬52度之间的区域，可以观测地球表面同一地点在不同光照条件，不同时间的情况。而遥感卫星通常运行在极轨道上，作为太阳同步轨道平面，遥感卫星每天经过地面上同一地点的时刻几乎相同。如果卫星经过地球上某地的时间为中午，则科学家们就无法了解该地早上或晚上的情况。

国际空间站作为观测平台的另一个独到的好处是，航天员可以对时间的演变做出及时反馈。尤其是在拍摄突发灾难事件（如火山爆发、地震及飓风）的照片时，航天员可以同时关注云层、光照等条件调整拍摄。而普通的遥感卫星则无法考虑成像质量问题。

先进多样的遥感设施

自2000年11月国际空间站正式运行以来，作为“乘员对地观测”（CEO）实验项目的一部分，站上航天员利用手持胶片或手持数码相机拍摄了超过600,000张的图像，包括地球表面、海洋、大气层图像以及月球图像。尽管图片数量如此之大，但在遥感科学家眼里，国际空间站此前并非真正意义上的对地观测平台，直到最近两年，一些新的设施和精密传感系统被陆续部署，国际空间站才成为真正的对地观测平台。

目前，作为航天员手持或数码相机的补充，国际空间站外部或内部装配了自动感应系统和设施，提供更强的对地遥感能力。目前，国际空间站已装备或即将装备的遥感设备设施有：

1. 舷窗观测研究设施（WORF）

一个高品质光学天底观察窗，位于美国“命运”号实验舱的下部，为地球科学遥感仪器提供了一个高稳定的内部装备平台。

2.国际空间站农业照相机（ISSAC）

ISSAC由北达科他州的学生和教师设计，主要目的是收集多谱段数据支持农业活动及相关研究。该相机安装在舷窗观测研究设施（WORF）上，但可独立进行操作。该相机分辨率为20米，利用两台带有滤镜的数码相机分别收集可见光中的绿光、红光及近红外波长（3波段）范围的独立图像信息帧，然后可以将这些图像帧合成为单一多谱段图像。这种独特的波长合成能力可以使得ISSAC能够区别不同种类的农作物并检测农作物区域覆盖变化以及农作物健康状况，这对于农业研究和农业生产监测具有非常重要的意义。

沿海海域超光谱成像仪HICO

3.沿海海域超光谱成像仪（HICO）

HICO位于日本“希望”号实验舱外，主要任务是收集沿海海域的水质、底部物质、水深以及近海岸植物等情况。分辨率为90米。该仪器收集可见光及近红外波长的高质量信息。

4.国际空间站环境研究可视化系统（ISERV）

一套由施密特-卡塞格伦望远镜和一台数码摄像系统共同构成的传感器系统，可以以小于3米的分辨率收集可见光波长范围内的影像。该系统将被安置在WORF上，具备高温定和高目标捕获能力。该传感器将支持ISERV计划实现服务开发地球、减灾以及人道主义救援等目的。

比较重要的设备还有日本的“超导亚毫米波边缘发射探测器”（SMILES）。该探测器于2009年9月11日随日本HTV-1货运飞船到达国际空间站，随后被安装在日本“希望”号实验舱的外部暴露平台上。在持续开展了6个月的观测工作后，因一个重要设备组件故障而不得不于2010年4月21日停止工作。

国际空间站农业照相机ISSAC2

此外，欧洲哥伦布实验舱的外部载荷设施（CEPE）有四个载荷装置，可以进行天底、天顶以及侧方观测，也为对地观测装置的部署提供了良好的平台。目前，天顶窗被欧洲航天局用于“太阳能源辐照度”（气候研究的一个重要参数）的监视。2015年，欧洲空间局还将把一台“环境与太空感应检测装置”（ASIM）部署在哥伦布舱上，该装置将开展与雷电天气有关的高能光学与伽马射线研究。

有效的对地遥感应用

利用上述设施，国际空间站进行了大量对地观测项目，内容涵盖地球资源管理、大气环境监控、自然灾害拍摄以及海洋运输等各个领域。

1.利用国际空间站影像帮助岛国管理珊瑚礁

对于位于赤道附近的太平洋和印度洋岛国而言，珊瑚礁是其重要的国家资源，不仅直接影响着其渔业和旅游业的发展，而且与岛国气候变化也有很大关系。近些年来，全球气温变暖引发的海平面上升、海洋酸化以及沿海居民对海洋的过度开发、过度捕捞等活动导致大量珊瑚岛礁消失。岛礁系统的崩溃不仅严重威胁着那些依靠岛礁资源的国家，而且对全球海洋生物多样化造成不良影响。

2011年6月10日，ISSAC 传回的首张图片是夏洛特海港区域图片。红色部分代表植物，灰色代表城市，黑色代表水域，白色代表云层

国际空间站环境研究可视化系统（ISERV）

利用国际空间站上观测设备拍摄的印度洋上法属群岛的地貌。该群岛由于有海龟和海鸟栖息地而受到保护

利用航天员拍摄图片与地图组合而成的威尼斯潟湖图景

为了研究并有效保护珊瑚礁资源，十年前，科学家们呼吁建立全球珊瑚岛礁数据资源。但他们发现：（1）缺乏准确的全球珊瑚岛礁分布图。（2）详细的珊瑚岛礁数据分布图对当地资源管理至关重要。（3）对地遥感卫星几乎无法拍摄所需范围的图像。

国际空间站航天员对地观测有效弥补了上述不足，航天员可以拍摄分辨率为5米～6米且无云层干扰的高分辨率图像，并可拍摄覆盖全球范围内的珊瑚岛礁分布情况，从而有助于建立全球岛礁分布情况图并有效监控这些珊瑚岛礁的变化。未来，航天员还可利用站上遥感设施，服务珊瑚岛礁测绘工作。

2.帮助检测威尼斯水域的变化

2010年，一张国际空间站航天员在太空无意中拍摄到的威尼斯潟湖图片引起了意大利环境保护专家Alessandro Mulazzani博士的注意。他对这幅照片进行了高度评价，他说：“这种图片非常有用，能及时反映威尼斯水域环境的变化，帮助科学家随时了解相关情况，同时对公众和学生极具吸引力，能唤起社会公众对威尼斯环境的关注。”从此，对威尼斯潟湖的拍摄成为国际空间站上“乘员对地观测”项目的固定内容。

利用不同分辨率的设备，在不同的光照和云层条件下，航天员拍摄了大量的威尼斯潟湖图片。目前，这些图片数据已经形成一个较为完备的数据库，不仅为科学家研究威尼斯水域生态系统变化提供了重要参考，而且对帮助公众树立环保意识、有效保护威尼斯潟湖生态系统发挥了积极作用。

除上述两个事例外，还有一些典型应用，如利用ISSAC成功检测对北达科州迈诺特市的苏里斯河水灾、利用沿海海域超光谱成像仪（HREP-HICO）呈现地球海岸的空前视觉形象、利用国际空间站捕获日本北部地震海啸情况等。

国际空间站各合作国也开展了不同类型的对地遥感项目。俄罗斯航天局利用空间站遥感设施开展了地球灾难监测的“飓风”计划，不仅用来检测风暴、地震、火灾等自然灾害，而且还用来监测海上原油污染等人为灾害。日本宇宙探索局利用“超导亚毫米波边缘发射探测器”（SMILES）研究大气同温层（臭氧层）的修复和稳定性。欧洲空间局利用其“哥伦布”舱外的载荷设施平台开展了一系列地球气候变化研究项目，另外，欧洲空间局还在“哥伦布”舱外安装了甚高频天线，成功联通地面海港通信网与远航船只的通信，从而实现了对全球海洋运输的监控。

集成遥感能力将发挥更大作用

当前，许多科学团队开发了多种传感器系统来进行地球遥感研究。未来，国际空间站上将会构建一套中央数据存取设施，将所有有人操作系统和自动感应系统的遥感能力相结合，这将会显著提升对地观测和自然灾害响应能力，集成空间站对地感测系统是对卫星遥感系统的有益补充，将为人类提供了解地球、改善生存环境提供更多帮助。

火灾监测

2011年3月13日，日本大地震期间，在远离地球350千米的国际空间站上的航天员拍摄了这张图片。图上显示，在日本仙台东部的日本北海岸，由海啸引发的洪水正向内陆的农田和土地蔓延，机场也被洪水环绕