环境遥感 神奇的太空守望者

环境遥感，虽然大家都已耳熟能详，但如果没有亲身体会和实际接触过，仍会觉得充满着神秘色彩。说其神秘，是因为我们现在所理解的遥感都是与卫星、电脑和通讯等高科技结合在一起的。不过，从本质上看，传统的环境遥感就是一架放在外太空的特殊照相机而已。

　　“遥感”一词是从英语remote sensing翻译过来的；在英语中，remote的含义并非“遥远”，只要是非接触的，都可以称其为remote，比如，遥控器的英语为remote controller，远吗？如此来说，普通的照相机其实也是一个遥感器，甚至我们还可以把B超理解成一个遥感器。不是吗？B超所测定的并非肚皮，而是里面的内脏器官。这才是遥感的广义含义。当然，在说到环境遥感的时候，我们往往特指航空和航天遥感，因为环境遥感需要大范围的实时监测。环境遥感也越来越成为大尺度研究中不可或缺的重要工具，广泛应用于水文建模、气象预报、地理制图、植被覆被、景观规划、灾害监测、作物管理，生产力估算和全球变化模拟等领域。

　　由于大家对照相机的拍摄过程都司空见惯，因此对于理解基于摄影测量的遥感技术来说也并非难事；只不过，遥感波段范围可能更宽，分辨率更高。在照相机发明之前，人们以不能记录的方式在高处观察世界，那个时候称其为遥感的确有些牵强，因此遥感的时代必须从照相机问世开始说起。

　　漫漫来时路

　　1839年，照相机诞生；1849年，法国人艾米·劳塞达特把照相机和望远镜结合起来，成为有目的、有记录遥感发展阶段的标志；1858年，法国人陶纳乔坐在热气球中拍摄巴黎市区的照片，开启了航空遥感的新纪元；1903年，德国人纽布朗纳设计出捆在鸽子身上的微型相机；美国人利用风筝拍摄了1906年的旧金山大地震……这都是飞机诞生之前的遥感工艺。同现代遥感技术相比，还极为简单。

　　1909年，在莱特兄弟发明飞机后的第6年，飞机也应用到了遥感上。“二战”时，微波雷达和红外技术也应用于航空遥感，人们开始利用机载遥感进行大地测量、勘测、制图和军事侦察。这一时期也被称为机载遥感时代。1957年，苏联第一颗人造地球卫星发射成功，之后以苏联的“斯普特尼克1号”（Sputnik-1）和美国的“探索者1号”（Explorer-1）为代表，进入了初级星载遥感时代，并同时成就了全球第一颗气象卫星“泰洛斯1号”（TIROS-1）。在冷战高峰期，间谍卫星“科罗纳”（Corona）被广泛应用，开创了间谍卫星遥感时代。1959年，美国的“先锋2号”（Vanguard-2）拍摄了地球云图，苏联的“月球1号”拍摄到了月球背面的照片，这意味着，遥感技术发展到了更深层的航天遥感阶段。在这一阶段，人们已不再满足于对可见光频段的遥感，成像光谱技术把感测波段推向上千个。虽然这一时期，卫星的发展本质上还是用于军事目的，然而，也就是因为当时的军事竞赛，促使卫星技术得到了蓬勃发展。

　　冷战结束后，很多原本应用于军事领域的技术迅速转化为民用，以遥感影像为主的应用慢慢进入环境和自然资源领域。

　　气象卫星遥感时代是真正的数字记录时代，并拥有了可独立运算的计算机硬件和软件。这个时代将全球监测变成现实，并开创了环境应用的新实践。早期的气象卫星传感器由“地球静止轨道环境业务卫星”（GOES）和极地轨道卫星“诺阿”（NOAA）上的“高级甚高分辨辐射仪”（AVHRR）组成。以美国的“陆地资源卫星”（LANDSAT）系列和法国的“地球观测系统”（SPOT）系列卫星为代表，卫星拥有了更高的分辨率，也完全具备了全球覆盖能力，这是最重要的陆地卫星时代，开启了真正在局域、区域和全球尺度进行广泛环境遥感的新纪元；还有携带星载高光谱遥感器的“地球观测1号”（EO-1），取代陆地资源卫星的升级版的“高级陆地成像仪”（ALI），以及接近亚米级的高空间分辨率卫星“伊克诺斯”（IKONOS）和“快鸟”（QuickBird），让人们有了更清晰认识地球的利器。谷歌公司为增强其地球产品的性能，也开发了分辨率高达0.5米的“视界”（WorldView）系列卫星，加入高分辨率环境遥感的大家庭。

　　在陆地卫星发展得如火如荼之时，随着20世纪末“图谱合一”的“中分辨率成像光谱仪”（MODIS）的发射，环境遥感技术进入了对地观测系统时代，带来了覆盖全球、重复性高、产品多样，易于获取和免费访问等全新监测体系。

　　一般来说，由于数据采集和传输的瓶颈，卫星遥感要想同时获得高光谱分辨率、高空间分辨率和高时间分辨率的“三高”数据是非常困难的。而中分辨率成像光谱仪权衡了这几个技术指标，从实用性的角度基本上解决了这个问题，使得它在地球资源观测中具有绝对的优势。它的36个波段不仅分布广，而且光谱波段范围连续。中分辨率成像光谱仪的重复周期很高，“特拉”（Terra）和“阿卡”（Aqua）两颗卫星在过境时间上互补，“特拉”上午过境，“阿卡”下午过境，这样在一天内可以获得同一地区的两幅图像，这样的数据更新频率在实时地球观测和应急处理中很有必要。相比较而言，另一个系列的陆地资源卫星（TM/ETM）则需要16天。

　　如火如荼新时代

　　随着新世纪的到来，环境遥感技术上的新千年时代也随之到来。在新世纪前后，各种新型遥感器层出不穷，下面举几个例子加以说明。

　　上述基于摄影测量的光学遥感技术也叫被动遥感，探测器只能获取和记录目标物体自身发射或是反射（一般指太阳）的电磁波信息。这种遥感方式的一个重要特点是必须在特定的日照条件下拍摄，而且抗干扰能力差，简单的云层遮盖就会让遥感器变成“睁眼瞎”。自20世纪90年代以来，欧航局发射的“地球资源卫星”（ERS）、日本发射的“日本地球遥感卫星”（JERS），均使用微波雷达技术，它们可获取全天候与全天时的图像，被称为主动遥感。除此之外，比起传统的光学遥感图像，这类卫星还有更多不可替代的优势。例如，对于雪和冰，微波可以透过，因此可以获得被雪或冰覆盖的地面信息，地球资源卫星的C波段就可以对海洋及海冰下的地物进行成像，水的微波辐射通常比较低，发射率随温度及盐分变化，因此可借此估计海温。而日本地球遥感卫星的L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。与空旷地相比，植被表面的发射较低，而当植被覆盖度增加时，微波辐射的水平极化和垂直极化的差别减小，因此可用于评估植被覆盖度。湿润土壤的微波辐射主要来自表面薄层，而对于干燥土壤，微波辐射可以深入到地下，因此可用于深处土壤湿度的监测。传统的地形测量一直费时费力，而利用环境遥感技术进行的陆地立体测绘可以替代这些繁杂的劳动。在这方面，科研人员主要发展了两种卫星测绘技术。一种是以法国“地球观测系统5号”（SPOT-5）为代表的利用星载立体光学测绘相机，实现同轨立体测绘；另一种是美国2000年2月11日发射的“奋进”号航天飞机，上面搭载了“机载雷达地形测量”（SRTM）系统，共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取北纬60度至南纬60度之间总面积超过1.19亿平方千米的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面。机载雷达地形测量系统获取的雷达影像的数据量约为9.8万亿字节，经过两年多的数据处理，科研人员制成了数字地形高程模型，即现在的SRTM地形产品数据。这个基于航天飞机的测量任务在遥感史上堪称轰动性的。

　　牛顿肯定不是第一个感受重力的人，但他让我们从本质上理解了重力是什么。自此，人们一直想全面监测地球的重力。不过，受到人类在地面活动范围的限制，全球的重力场测量一直只是人们的一个梦想。随着环境遥感技术的日新月异，在太空通过卫星来测量地球重力场已成为现实。2002年，由美国航空航天局和德国航天局合作研制的“重力反演和气候实验卫星”（GRACE）发射升空。GRACE的两颗卫星在同一轨道平面上，彼此距离约220±50千米。当这对卫星在绕行地球时，地球上重力场较强的地区会先影响到前一颗卫星，把它拉得离后面的卫星远一点。然后当后面那颗卫星经过这一重力异常的地区时，又会被拉得离前一颗卫星近一些。这些距离变化的改变是我们肉眼所无法察觉的，但GRACE上的微波测距系统可以精确地测量出两颗卫星之间距离的细微变化。在卫星的中央有一个高精确度的加度测量器，它可以测得因非重力所引起的加速度变化，只有由重力所造成的加速度才会被考虑进来。卫星的全球定位系统（GPS）可以测得卫星所在的确切位置，误差在1厘米之内。GRACE每30天完整扫描全球一次，就能提供全球的重力场分布，而且比以往的重力测量精确百倍以上。让我们感觉更有趣的是，以GRACE为代表的重力测量卫星，本身就是卫星监测领域的一次巨大创新，因为它不是测量地表反射的电磁波能量，而是根据自身的运行状况进行测量，甚至GRACE两颗卫星之间的距离变化也被作为重力场测量的重要参数。

　　未来观测什么

　　在谈及遥感卫星之时，一定不能忘记一位超期服役其设计寿命10倍之久的元老级卫星“陆地资源卫星5号”（Landsat-5）。2013年1月6日，这位为我们连续工作了近30年之久的卫星终于沉默了，无法再像往日一样向人们传递地球照片。其实，Landsat-5在工作生涯中也曾发生过故障，甚至有些时候还会出现暂时失效的情况，但它都挺过来了。虽然陆地资源卫星5号退役是迟早的事儿，但当真正失去它的时候，许多人还是感觉像突然失去一位老朋友般地感伤。因此，英国《自然》周刊中甚至有人撰文这样评价：全世界科学家们在哀悼它的消逝之时，也感谢它坚忍不拔的顽强工作能力，这颗卫星已经破纪录地工作了28年，拍摄了无数的地球图像，其继任者却纷纷陨落。这里所说的继任者包括“陆地资源卫星6号”（Landsat-6）和“陆地资源卫星7号”（Landsat-7）。“陆地资源卫星6号”没有发射成功，“陆地资源卫星7号”虽然也熬过了13个年头；但是从2005年开始，就处于半盲状态，维持其继续工作的燃料也非常有限，已经处于摇摇欲坠的边缘。毋庸置疑，“陆地资源卫星5号”为全球的科学研究积累了连续观测历时最长也或许是最有影响力的数据资源。为了让连续观测能持续下去，另一个后继者 “陆地资源卫星8号”（Landsat-8）于2013年2月11日从美国加州万登伯格空军基地成功发射升空。与之前这个家族的卫星相比，“陆地资源卫星8号”的光线、热量感应器精准度更高，同时其“视野”也更广，有助于科学家们进行大气气溶胶、高空卷云、水质、耗水量等方面的研究。

　　可见，环境卫星的观测越来越丰富，那么下一代将要观测什么？不同的国家可能有各自不同的重点观测方向。例如，欧洲航天局发展的对地观测战略，其重要基础就是“地球探索者”任务和“对地观测”任务的双使命战略。欧洲目前有3颗地球探索者卫星在轨运行，主要用于监测地球重力场细微变化的“重力场和海洋环流探测卫星”（GOCE，2009年3月17日成功发射），它能够揭示冰块和洋流的变化；监测土壤湿度和海洋盐度变化的“土壤湿度及海洋盐度卫星”（SMOS，2009年11月2日成功发射）；以及监测海冰厚度变化和巨大冰原、冰川质量变化的“克里赛特2号”（CryoSat-2，2010年4月8日成功发射）。另外3次发射任务会在未来3年内推出，分别监测地球磁场、全球风剖面特性以及云、气溶胶和辐射。

　　再下一步，第7次发射任务应该做什么呢？由于欧洲正面临财政危机，何时发射似乎变成了一个艰难的决策。

　　2012年6月，欧洲确定了3个候选者：Biomass（测量森林生物量，评估陆地碳储量及通量）、CoReH2O（填补积雪、冰川和地表水的信息）和PREMIER（推进人们对对流层上层和平流层下层的痕量气体、辐射和化学等相关过程的理解）。今年3月，在奥地利格拉茨市会议上，欧洲确定最终的发射任务为Biomass。可以测期的是，环境遥感卫星将为人类未来的发展和监测带来越来越多、越来越有趣、越来越挑战人类智力的新技术，它将时时刻刻守望着我们的地球。