□ 張智慧

國(guó)際空間站航天員利用WORF進(jìn)行對(duì)地拍攝

國(guó)際空間站作為近地軌道空間唯一在軌運(yùn)行的大型綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，部署了許多先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)和遙感設(shè)備。使用手持或自動(dòng)裝置，航天員可以靈活開(kāi)展對(duì)地觀測(cè)活動(dòng)，尤其是在監(jiān)測(cè)突發(fā)自然災(zāi)害時(shí)，較無(wú)人飛行器而言，更具靈活性。作為一個(gè)“全球觀測(cè)與監(jiān)測(cè)站”，國(guó)際空間站在收集全球氣候、環(huán)境變化及自然災(zāi)害信息，推動(dòng)探究和解決地球環(huán)境問(wèn)題以及推動(dòng)全球?qū)Φ赜^測(cè)活動(dòng)的國(guó)際合作方面發(fā)揮了重要作用。

優(yōu)于遙感衛(wèi)星的觀測(cè)能力

國(guó)際空間站究竟提供了怎樣的遙感能力？為什么這些能力不能被無(wú)人飛行器或衛(wèi)星所取代呢？

原來(lái)，與傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星不同，空間站的軌道是傾斜赤道軌道，而非太陽(yáng)同步軌道。國(guó)際空間站的軌道面投影覆蓋了北緯52度至南緯52度之間的區(qū)域，可以觀測(cè)地球表面同一地點(diǎn)在不同光照條件，不同時(shí)間的情況。而遙感衛(wèi)星通常運(yùn)行在極軌道上，作為太陽(yáng)同步軌道平面，遙感衛(wèi)星每天經(jīng)過(guò)地面上同一地點(diǎn)的時(shí)刻幾乎相同。如果衛(wèi)星經(jīng)過(guò)地球上某地的時(shí)間為中午，則科學(xué)家們就無(wú)法了解該地早上或晚上的情況。

國(guó)際空間站作為觀測(cè)平臺(tái)的另一個(gè)獨(dú)到的好處是，航天員可以對(duì)時(shí)間的演變做出及時(shí)反饋。尤其是在拍攝突發(fā)災(zāi)難事件（如火山爆發(fā)、地震及颶風(fēng)）的照片時(shí)，航天員可以同時(shí)關(guān)注云層、光照等條件調(diào)整拍攝。而普通的遙感衛(wèi)星則無(wú)法考慮成像質(zhì)量問(wèn)題。

先進(jìn)多樣的遙感設(shè)施

自2000年11月國(guó)際空間站正式運(yùn)行以來(lái)，作為“乘員對(duì)地觀測(cè)”（CEO）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的一部分，站上航天員利用手持膠片或手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)拍攝了超過(guò)600,000張的圖像，包括地球表面、海洋、大氣層圖像以及月球圖像。盡管圖片數(shù)量如此之大，但在遙感科學(xué)家眼里，國(guó)際空間站此前并非真正意義上的對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)，直到最近兩年，一些新的設(shè)施和精密傳感系統(tǒng)被陸續(xù)部署，國(guó)際空間站才成為真正的對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)。

目前，作為航天員手持或數(shù)碼相機(jī)的補(bǔ)充，國(guó)際空間站外部或內(nèi)部裝配了自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)和設(shè)施，提供更強(qiáng)的對(duì)地遙感能力。目前，國(guó)際空間站已裝備或即將裝備的遙感設(shè)備設(shè)施有：

1. 舷窗觀測(cè)研究設(shè)施（WORF）

一個(gè)高品質(zhì)光學(xué)天底觀察窗，位于美國(guó)“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的下部，為地球科學(xué)遙感儀器提供了一個(gè)高穩(wěn)定的內(nèi)部裝備平臺(tái)。

2.國(guó)際空間站農(nóng)業(yè)照相機(jī)（ISSAC）

ISSAC由北達(dá)科他州的學(xué)生和教師設(shè)計(jì)，主要目的是收集多譜段數(shù)據(jù)支持農(nóng)業(yè)活動(dòng)及相關(guān)研究。該相機(jī)安裝在舷窗觀測(cè)研究設(shè)施（WORF）上，但可獨(dú)立進(jìn)行操作。該相機(jī)分辨率為20米，利用兩臺(tái)帶有濾鏡的數(shù)碼相機(jī)分別收集可見(jiàn)光中的綠光、紅光及近紅外波長(zhǎng)（3波段）范圍的獨(dú)立圖像信息幀，然后可以將這些圖像幀合成為單一多譜段圖像。這種獨(dú)特的波長(zhǎng)合成能力可以使得ISSAC能夠區(qū)別不同種類的農(nóng)作物并檢測(cè)農(nóng)作物區(qū)域覆蓋變化以及農(nóng)作物健康狀況，這對(duì)于農(nóng)業(yè)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)具有非常重要的意義。

沿海海域超光譜成像儀HICO

3.沿海海域超光譜成像儀（HICO）

HICO位于日本“希望”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙外，主要任務(wù)是收集沿海海域的水質(zhì)、底部物質(zhì)、水深以及近海岸植物等情況。分辨率為90米。該儀器收集可見(jiàn)光及近紅外波長(zhǎng)的高質(zhì)量信息。

4.國(guó)際空間站環(huán)境研究可視化系統(tǒng)（ISERV）

一套由施密特-卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡和一臺(tái)數(shù)碼攝像系統(tǒng)共同構(gòu)成的傳感器系統(tǒng)，可以以小于3米的分辨率收集可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的影像。該系統(tǒng)將被安置在WORF上，具備高溫定和高目標(biāo)捕獲能力。該傳感器將支持ISERV計(jì)劃實(shí)現(xiàn)服務(wù)開(kāi)發(fā)地球、減災(zāi)以及人道主義救援等目的。

比較重要的設(shè)備還有日本的“超導(dǎo)亞毫米波邊緣發(fā)射探測(cè)器”（SMILES）。該探測(cè)器于2009年9月11日隨日本HTV-1貨運(yùn)飛船到達(dá)國(guó)際空間站，隨后被安裝在日本“希望”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的外部暴露平臺(tái)上。在持續(xù)開(kāi)展了6個(gè)月的觀測(cè)工作后，因一個(gè)重要設(shè)備組件故障而不得不于2010年4月21日停止工作。

國(guó)際空間站農(nóng)業(yè)照相機(jī)ISSAC2

此外，歐洲哥倫布實(shí)驗(yàn)艙的外部載荷設(shè)施（CEPE）有四個(gè)載荷裝置，可以進(jìn)行天底、天頂以及側(cè)方觀測(cè)，也為對(duì)地觀測(cè)裝置的部署提供了良好的平臺(tái)。目前，天頂窗被歐洲航天局用于“太陽(yáng)能源輻照度”（氣候研究的一個(gè)重要參數(shù)）的監(jiān)視。2015年，歐洲空間局還將把一臺(tái)“環(huán)境與太空感應(yīng)檢測(cè)裝置”（ASIM）部署在哥倫布艙上，該裝置將開(kāi)展與雷電天氣有關(guān)的高能光學(xué)與伽馬射線研究。

有效的對(duì)地遙感應(yīng)用

利用上述設(shè)施，國(guó)際空間站進(jìn)行了大量對(duì)地觀測(cè)項(xiàng)目，內(nèi)容涵蓋地球資源管理、大氣環(huán)境監(jiān)控、自然災(zāi)害拍攝以及海洋運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域。

1.利用國(guó)際空間站影像幫助島國(guó)管理珊瑚礁

對(duì)于位于赤道附近的太平洋和印度洋島國(guó)而言，珊瑚礁是其重要的國(guó)家資源，不僅直接影響著其漁業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展，而且與島國(guó)氣候變化也有很大關(guān)系。近些年來(lái)，全球氣溫變暖引發(fā)的海平面上升、海洋酸化以及沿海居民對(duì)海洋的過(guò)度開(kāi)發(fā)、過(guò)度捕撈等活動(dòng)導(dǎo)致大量珊瑚島礁消失。島礁系統(tǒng)的崩潰不僅嚴(yán)重威脅著那些依靠島礁資源的國(guó)家，而且對(duì)全球海洋生物多樣化造成不良影響。

2011年6月10日，ISSAC 傳回的首張圖片是夏洛特海港區(qū)域圖片。紅色部分代表植物，灰色代表城市，黑色代表水域，白色代表云層

國(guó)際空間站環(huán)境研究可視化系統(tǒng)（ISERV）

利用國(guó)際空間站上觀測(cè)設(shè)備拍攝的印度洋上法屬群島的地貌。該群島由于有海龜和海鳥(niǎo)棲息地而受到保護(hù)

利用航天員拍攝圖片與地圖組合而成的威尼斯?jié)暫D景

為了研究并有效保護(hù)珊瑚礁資源，十年前，科學(xué)家們呼吁建立全球珊瑚島礁數(shù)據(jù)資源。但他們發(fā)現(xiàn)：（1）缺乏準(zhǔn)確的全球珊瑚島礁分布圖。（2）詳細(xì)的珊瑚島礁數(shù)據(jù)分布圖對(duì)當(dāng)?shù)刭Y源管理至關(guān)重要。（3）對(duì)地遙感衛(wèi)星幾乎無(wú)法拍攝所需范圍的圖像。

國(guó)際空間站航天員對(duì)地觀測(cè)有效彌補(bǔ)了上述不足，航天員可以拍攝分辨率為5米～6米且無(wú)云層干擾的高分辨率圖像，并可拍攝覆蓋全球范圍內(nèi)的珊瑚島礁分布情況，從而有助于建立全球島礁分布情況圖并有效監(jiān)控這些珊瑚島礁的變化。未來(lái)，航天員還可利用站上遙感設(shè)施，服務(wù)珊瑚島礁測(cè)繪工作。

2.幫助檢測(cè)威尼斯水域的變化

2010年，一張國(guó)際空間站航天員在太空無(wú)意中拍攝到的威尼斯?jié)暫D片引起了意大利環(huán)境保護(hù)專家Alessandro Mulazzani博士的注意。他對(duì)這幅照片進(jìn)行了高度評(píng)價(jià)，他說(shuō)：“這種圖片非常有用，能及時(shí)反映威尼斯水域環(huán)境的變化，幫助科學(xué)家隨時(shí)了解相關(guān)情況，同時(shí)對(duì)公眾和學(xué)生極具吸引力，能喚起社會(huì)公眾對(duì)威尼斯環(huán)境的關(guān)注?！睆拇耍瑢?duì)威尼斯?jié)暫呐臄z成為國(guó)際空間站上“乘員對(duì)地觀測(cè)”項(xiàng)目的固定內(nèi)容。

利用不同分辨率的設(shè)備，在不同的光照和云層條件下，航天員拍攝了大量的威尼斯?jié)暫D片。目前，這些圖片數(shù)據(jù)已經(jīng)形成一個(gè)較為完備的數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅為科學(xué)家研究威尼斯水域生態(tài)系統(tǒng)變化提供了重要參考，而且對(duì)幫助公眾樹(shù)立環(huán)保意識(shí)、有效保護(hù)威尼斯?jié)暫鷳B(tài)系統(tǒng)發(fā)揮了積極作用。

除上述兩個(gè)事例外，還有一些典型應(yīng)用，如利用ISSAC成功檢測(cè)對(duì)北達(dá)科州邁諾特市的蘇里斯河水災(zāi)、利用沿海海域超光譜成像儀（HREP-HICO）呈現(xiàn)地球海岸的空前視覺(jué)形象、利用國(guó)際空間站捕獲日本北部地震海嘯情況等。

國(guó)際空間站各合作國(guó)也開(kāi)展了不同類型的對(duì)地遙感項(xiàng)目。俄羅斯航天局利用空間站遙感設(shè)施開(kāi)展了地球?yàn)?zāi)難監(jiān)測(cè)的“颶風(fēng)”計(jì)劃，不僅用來(lái)檢測(cè)風(fēng)暴、地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害，而且還用來(lái)監(jiān)測(cè)海上原油污染等人為災(zāi)害。日本宇宙探索局利用“超導(dǎo)亞毫米波邊緣發(fā)射探測(cè)器”（SMILES）研究大氣同溫層（臭氧層）的修復(fù)和穩(wěn)定性。歐洲空間局利用其“哥倫布”艙外的載荷設(shè)施平臺(tái)開(kāi)展了一系列地球氣候變化研究項(xiàng)目，另外，歐洲空間局還在“哥倫布”艙外安裝了甚高頻天線，成功聯(lián)通地面海港通信網(wǎng)與遠(yuǎn)航船只的通信，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球海洋運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控。

集成遙感能力將發(fā)揮更大作用

當(dāng)前，許多科學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了多種傳感器系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行地球遙感研究。未來(lái)，國(guó)際空間站上將會(huì)構(gòu)建一套中央數(shù)據(jù)存取設(shè)施，將所有有人操作系統(tǒng)和自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)的遙感能力相結(jié)合，這將會(huì)顯著提升對(duì)地觀測(cè)和自然災(zāi)害響應(yīng)能力，集成空間站對(duì)地感測(cè)系統(tǒng)是對(duì)衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，將為人類提供了解地球、改善生存環(huán)境提供更多幫助。

火災(zāi)監(jiān)測(cè)

2011年3月13日，日本大地震期間，在遠(yuǎn)離地球350千米的國(guó)際空間站上的航天員拍攝了這張圖片。圖上顯示，在日本仙臺(tái)東部的日本北海岸，由海嘯引發(fā)的洪水正向內(nèi)陸的農(nóng)田和土地蔓延，機(jī)場(chǎng)也被洪水環(huán)繞