人人可用的卫星成像

编译 高斯寒

每天，都有卫星在我们头顶运行，捕获地球表面拥有数万亿像素的高分辨率图像。过去，这类信息大多只供给政府或军方的专业人员。但在如今，几乎人人都能使用这些图像。

这些水下沙丘装饰着巴哈马安德罗斯岛和埃克苏马群岛之间的海床。右边的绿松石反映了一片浅浅的碳酸盐岩滩，而左边的深色标记着一处名叫“海洋之舌”的局部海渊的边沿。这幅图像是2020年4月由NASA的Terra卫星上的“中分辨率成像光谱仪”捕获到的

那是因为发射载荷（包括将成像卫星送入轨道）的成本已经大幅下降。高分辨率的卫星图像在过去会花费数万美元，如今能用一杯咖啡的价格买到。

此外，随着近期人工智能领域的进展，各家公司能够更加省力地从庞大数据集中提取出所需信息，其中也包括由卫星图像构成的数据集。利用卫星图像来迅速做出商业决定也许看起来像科幻小说，但这种情况早已在一些行业里发生。

本文简要地概述了普通读者可以如何获取这类信息，并利用它来获益。但是，首先你需要了解一些现代卫星成像的工作方式。

地球观测卫星的轨道一般分为两类：地球同步赤道轨道（geosynchronous equatorial orbit，GEO）和近地轨道（low Earth orbit，LEO）。GEO也被称为地球静止轨道。GEO卫星位于赤道上方大约3.6万公里处，绕着地球运行时与地球自转同步。从地球上观察，这些卫星仿佛是静止一般，从这层意义上来说，卫星的方位角和高度保持恒定。因此，GEO才被称为地球静止轨道。

这样的轨道对于通信中继来说当然是很有利的，也正是它允许人们将屋顶上的卫星电视接收器朝着固定方向安装。当你想要通过按时捕获图像来观察地球上的某个地区时，GEO卫星也适用。然而，因为卫星所处的位置极高，捕获到的图像分辨率比较粗糙。所以，GEO主要用于那些旨在追踪广阔区域中天气状况变化的观测卫星。

GEO卫星与地球保持相对静止，意味着它们总是在一个下行链路站的覆盖范围内，因此它们能在数分钟内将数据发送回地球。这使得它们能几乎实时地向人类发出天气变化的警报。美国国家海洋和大气管理局的这类数据大多数都可免费获取。

另一类轨道LEO代表近地轨道。近地轨道中的卫星离地表要近得多，这使得它们能捕获更高分辨率的图像。而且卫星越靠近地面，分辨率越好。譬如说，行星实验室公司最近完成的卫星星座SkySat提高了分辨率，从每像素72厘米提高到每像素50厘米。这是不可思议的成就，而他们依靠的是将卫星轨道从地球上空500公里下调到地球上空450公里处，以及改善图像处理程序。

商业上可获取的光学成像最佳空间分辨率是25厘米，这意味着一个像素代表地面上一块25厘米长、25厘米宽的区域，差不多就是你的笔记本电脑的尺寸。若干公司用25厘米到1米不等的分辨率捕获数据，这在业界被认为属于高分辨率到超高分辨率。一些公司也提供1米到5米分辨率的数据，这被认为属于中等分辨率到高分辨率。多个政府项目已经通过开放数据项目，让光学成像数据以10米、15米、30米和250米等级的分辨率供大众免费获取。其中包括美国宇航局（NASA）和美国地质调查局合作的陆地卫星计划、NASA的中分辨率成像光谱仪（MODIS）项目、欧洲太空总署的哥白尼计划。这些卫星图像被认为属于低分辨率。

2021年3月，货柜船“长赐轮”在苏伊士运河搁浅，阻塞运河六天。这张用合成孔径雷达获得的事件现场卫星图展示了用该项技术可以实现的分辨率

提供最高分辨率图像的卫星位于最近地轨道，所以它们一次遥感的区域较小。若要覆盖整个地球，可以把卫星放置在极地轨道上，那样卫星会从北极飞到南极，再回到北极。在卫星运行时，卫星下面的地球在旋转，因此当卫星下一次飞过时，它会处在地球另一部分的上空。

然而，这类卫星中有许多并不直接从地球两极飞过。相反，卫星被置于一条靠近极点的轨道中，这条轨道通过利用一些物理学知识经过了特别的设计。众所周知，自转的地球在赤道微微向外鼓出。赤道位置额外的质量导致极地轨道之外的卫星轨道发生变化，或者用技术术语来说，是进动（precess）。卫星运营商常常利用这个现象，将卫星置入所谓的太阳同步轨道。这样的轨道允许卫星在每天的相同时间不断经过一个给定地点。各次飞行经过时的阴影模式没有变动，这有助于大家利用卫星图像来查出变化所在。

通常来说，处在极地轨道的卫星巡查整个地表要耗费24小时。卫星公司为了更加频密地为整个世界成像，会沿着不同的轨道使用多颗卫星，全都配备同样的传感器。这样，这些公司就能提供某个给定地点的更加频密更新的图像。譬如说，去年发射升空的马克萨尔公司的“世界观测军团”（Worldview Legion）卫星星座就包括6颗卫星。

卫星捕获一定数量的图像后，所有数据需要被发送回地球，接受处理。所需时间长短不一。

数字地球公司（马克萨尔公司在2017年收购了该公司）最近宣布，它已经设法在不到1分钟内从一颗卫星传送数据到地面站，再储存于云端。他们可以做到这一步，是因为传送回的图像是地面站停车场的图像，于是卫星不必在采集点和进行数据“转储”必须处在的位置之间移动。

一般来说，近地轨道中的地球观测卫星并不一直捕捉图像，它们只有在一片特别感兴趣的区域上空时，才会那么做。那是因为，这些卫星一次能传送的数据量有限。通常，卫星向地面站传送数据时，大约仅能维持10分钟，然后就会超出范围。卫星不能记录下比它们 “转储”的量更多的数据。

目前，地面站大多位于地球两极附近，这是极地轨道中被访问次数最多的区域。但我们很快就能预计到最近的地面站的距离会缩短，因为亚马逊和微软公司都已经宣布，它们打算建造大型地面站网络，那些地面站会分布于全球各地。事实证明，代管每天收集到的数以万亿字节计的卫星数据对于这些公司来说是笔大生意，它们会出售云服务（亚马逊网络服务和微软的Azure）给卫星运营商。

就目前而言，假如你在寻找一片远离地面站的区域的图像，那么请预计捕获数据和传输数据之间存在显著的延迟，也许会达到数小时之久。然后数据还得要接受处理，这又增加些许时间。目前最快的卫星图像供应方能在数据捕获48小时内，让数据可供用户获取，但不是所有公司都能做到。在理想的天气条件下，一家商业实体可以在同一周内要求新捕获图像并收到所需的数据，这样快速的整备时间依然被认为是前沿做法。

虽然一直使用“图像”一词，但重要的一点是要注意到卫星捕获图像的方式与普通照相机不同。卫星中的光学传感器经过校准，能测量电磁光谱特定段的反射率。这意味着它们记录下地面不同区域反射的红色、绿色和蓝色光的多寡。接下来，卫星运营商会应用各种调整手段来校正颜色，结合毗连的图像，补偿视差，形成所谓的“真彩色合成图像”，它看上去非常像你用一台飘浮于高空、径直对准下方的优良相机预期会拍下的图像。

成像卫星也能捕获可见光谱外的数据。譬如，近红外光谱带被广泛用于农业，因为这些图像帮助农场主估量作物的健康度。近红外光谱带也能用来探测土壤水分和其他各种土地特征，用其他方法会难以确定那些性质。

波长更长的热红外线擅长穿透烟雾，发现热源，使得它在野火监控上派上用场。合成孔径雷达（SAR）卫星正变得更加常见，因为它们生成的图像不受云团的影响，不需要太阳来照明。

2022年1月15日，南太平洋中的一个无人岛洪阿汤加—洪阿哈阿帕伊岛发生一次威力强大的火山喷发。这次引起广泛影响的大喷发被美国国家海洋和大气管理局的地球静止环境观测17号卫星捕获全况

你也许在揣测，航空影像（譬如用一台无人机拍摄）是否至少和卫星数据一样好用。有时是一样好用，但在许多情况下，使用卫星是更好的策略。卫星能捕获一些难以进入的地区的图像。那些地方可能因为一些原因而难以访问，譬如我们感兴趣的区域太遥远，或可能在冲突区内，在私有土地上，或者是飞机或无人机无法飞越的地方。

因此使用卫星的话，各机构能轻松观测各个遥远地点正在发生的变化。譬如，卫星图像使得管线运营商能够迅速确认非法侵入其通行权区的行为，接着公司就能采取行动，避免灾难性事件，比如在管线附近施工时刺穿天然气管道。

运用卫星图像，能将归档的图像与最近获得的数据进行比较，这对许多行业都能帮上大忙。保险公司有时用卫星数据来侦查欺诈性索赔。金融投资公司使用卫星图像来评估指标，比如基于停车场使用率来预测零售商的未来盈利，或者在农户报告本季产量之前预测作物价格。

卫星图像为寻找未披露的活动地点提供了一种特别有效的办法。比如，阿拉巴马大学的莎拉•帕尔卡克（Sarah Parcak）用卫星图像确定感兴趣的考古遗址的位置。一家荷兰咨询公司52Impact通过训练一个算法来识别光谱特征，找出不为人知的垃圾倾倒场。卫星图像也有助于识别非法捕鱼活动，打击人口贩运，监测石油泄漏，获得COVID-19死亡人数的准确报告。

尽管取得了许多成功，但调查记者和非政府组织并未经常使用卫星数据，原因或许在于，获取卫星图像的小笔花费也是一个阻碍。幸好，一些低分辨率的卫星数据可以免费获取。

寻找免费卫星图像，首先该尝试哥白尼开放获取中心（Copernicus Open Access Hub）和地球探索者（Earth Explorer）网站。这两个网站上都可以免费获取大量开放数据。图像分辨率低于你能购买到的卫星图像，但假如有限的分辨率符合你的需求，那么为何要花钱呢？

假如你需要中等分辨率和高分辨率的数据，那么你也许可以向相关的卫星运营商直接购买。卫星运营商最近经历了一系列合并和收购，只留下若干供应方，西方世界最大的三家公司是美国的马克萨尔公司和行星实验室公司，德国的空中巴士公司。亚洲也有几家大型供应方，譬如韩国的SI成像服务公司，中国的二十一世纪空间技术应用公司。大多数供应方都有商业分支，但它们主要瞄准政府买家，而且它们常常要求金额颇大的最小购买量。

幸运的是，找卫星运营商并非唯一选择。在过去五年里，一个由咨询公司和本地转售商构成的小产业已经涌现，他们与大公司签订独占契约，服务某一块市场，或与多家供应方议定合同，于是能以更具吸引力的价格向顾客提供数据集访问权，有时一张图像只需几美元。有些提供地理信息系统的公司（包括Esri、L3Harris和 Safe Software）也已经与卫星图像提供商谈妥转售协议。

传统的转售商是中间人，他们会派出一名销售员联系你，讨论你的需求，代表你向供应方获得报价，洽谈价格和图像捕捉或处理的优先日程。阿波罗制图、欧洲太空成像、卫星成像公司、Geocento、LandInfo和许多其他公司都是这样做的。更为创新的转售商会给予你电子平台的访问权，你能在平台上查看你所需的图像是否可从某个档案中获取，再下订单。这类公司的例子包括EOS公司的土地查看器（LandViewer）和阿波罗制图公司的图像猎手（Image Hunter）。

这张SkySat捕获的图像显示了2020年12月30日发生在挪威阿斯克村的一次山地滑坡造成的破坏。滑坡带来的泥石流摧毁建筑，造成10人死亡

这张卫星图像呈现了巴基斯坦旁遮普省的一处固定烟囱式的椭圆形布尔沟窑的典型，这种沟窑在南亚被广泛运用于制砖业

近来，新一批资源整合商开始向顾客提供用程序访问地球观测数据集的能力。这些公司对于那些寻求整合数据到自身应用或工作流程中的人最适用。具体例子包括SkyWatch公司的EarthCache服务，空中客车公司的UP42服务，Sinergise公司的Sentinel Hub服务。

你仍然会需要与一名销售代表交谈后，才能激活你的账户，这常常是为了核实你会合理使用数据，符合公司的服务条款和许可协议。一旦你被授权访问公司的应用，你就能用程序来向一个或多个供应方定购档案数据。然而，SkyWatch是唯一一家允许用户用程序来请求在未来收集某些数据（向卫星部署任务）的资源整合商。

今时今日，卫星图像的数量充足，容易访问，而两个正在出现的改变会进一步扩展我们用卫星数据所能做到的事：更快速的回访，SAR得到更广的运用。

第一项进展一点不让人惊奇。随着更多地球观测卫星被置入轨道，卫星捕获的图像也就越多越频繁。因此，一块既定区域被卫星捕捉下图像的频次会变密。目前，通常是一周两三次。预计卫星回访速度很快会变成一天数次。卫星图像的一个挑战是云团会掩盖你想要查看的地区，新进展不会完全解决问题，但会有所助益。

第二项进展更加细微。来自欧洲太空总署的“哨兵一号”SAR任务的两颗卫星的数据可以免费获取，已经使得不少公司在最近几年涉足SAR。

拥有SAR的卫星向下发送无线电波，测量地表反射的回波信号。卫星持续进行这项操作，而且用精巧的处理手段来将数据转成图像。无线电波的运用使得这些卫星能穿过云团看到地面，而且无论日夜都能收集测量数据。依靠所用的雷达带，SAR图像能用来判断材料性质、含水量、精准移动和海拔高度。

随着更多公司熟悉这类数据集，对于SAR卫星图像的要求无疑会越来越大，而从20世纪70年代起，军方对此已有广泛应用，但它现在才开始出现于商用产品。然而，你可以预计，SAR图像的商用会大幅增长。

投入这个行业的大部分资金正在流向大型SAR卫星星座，包括Capella Space、Iceye、Synspective、XpressSAR和其他公司的产品。SAR卫星的市场很快会变得入场者众多，这对顾客们来说是个佳音。这意味着，顾客将能获得他们感兴趣的地点的高分辨率、每小时拍摄（或者更短时间）的SAR图像，无论是白天还是黑夜，无论是乌云笼罩还是万里晴空都一样毫无阻碍。

人们无疑会想出新颖的方式来利用这些信息，所以越多人拥有访问权越好。在不远的未来某天，地球观测卫星获取的数据也许会变得像GPS一样无所不在，而GPS这项卫星技术最初诞生时也是仅被军方使用。想想你在未来可以拿出手机，向它下令：“显示今天早上格罗弗角高中的土壤水分图，我想看看棒球场是否依然湿乎乎的。”

资料来源 IEEE Spectrum