將攝影作為工作中的手段，其器械并不局限于我們手里小小的相機(jī)，操作的主體也不僅僅是個(gè)人。當(dāng)我們抬頭望向天空，或許會(huì)有幸與高遠(yuǎn)的探測(cè)衛(wèi)星四目相對(duì)；打開(kāi)谷歌地球，就像暫時(shí)擁有了“上帝視角”……這些體驗(yàn)都是當(dāng)下的遙感技術(shù)（remote sensing）為我們帶來(lái)的。通過(guò)電磁波的傳播與接收，我們借助遙感技術(shù)感知甚至觀測(cè)目標(biāo)的特性并加以分析，被捕獲的訊息能夠以圖像的方式表現(xiàn)出來(lái)。自1858年納達(dá)爾坐上熱氣球從高空拍下巴黎的鳥(niǎo)瞰照片，嘗試用照相機(jī)拓展人類視野的那一刻起，對(duì)“遙感”的實(shí)踐就開(kāi)始在攝影的范疇內(nèi)萌發(fā)，并在新興科技的推動(dòng)下將“攝影之眼”越推越遠(yuǎn)。

本刊記者針對(duì)遙感技術(shù)在原理和應(yīng)用層面的基本知識(shí)，以及遙感與一般意義上攝影的關(guān)聯(lián)和區(qū)別等方面的問(wèn)題，采訪了微波遙感及航天應(yīng)用工程科學(xué)專家，中國(guó)工程院院士姜景山。

請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下遙感技術(shù)的原理和應(yīng)用范圍。

遙感技術(shù)概念已存在了比較長(zhǎng)的時(shí)間，自從有了照相機(jī)以后，遙感技術(shù)就已經(jīng)開(kāi)始實(shí)踐，只是那時(shí)候不叫遙感。遙感這個(gè)概念是美國(guó)人在上世紀(jì)60年代正式定名的，但是它的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)在18、19世紀(jì)都有了。遙感的原理很自然地跟人的功能相關(guān)，人的功能受限制，所以遙感的目的是看我們能不能把人的“視線”更延伸一點(diǎn)，能看的東西不局限于眼睛能看到的這個(gè)范圍。仿生生物學(xué)里面就有很多用仿生的方法來(lái)拓展人的功能。比如說(shuō)蝙蝠，它就可以看到紅外。

遙感技術(shù)要為民生服務(wù)，同時(shí)為國(guó)家安全服務(wù)。現(xiàn)在遙感無(wú)孔不入。比如說(shuō)災(zāi)害，災(zāi)害的分析檢測(cè)和災(zāi)后的重建工作都有遙感技術(shù)介入。最近四川九寨溝地震，地震以后馬上公布了災(zāi)情什么樣，災(zāi)情以后重建怎么辦，這都是用飛機(jī)遙感就能看得很清楚的。

遙感設(shè)備和技術(shù)所應(yīng)用的平臺(tái)包括哪些？

遙感的平臺(tái)，包括地面、航空（飛機(jī)和無(wú)人機(jī)），還有近地空間平臺(tái)（比如離地面20公里的飛艇）；再上去就是地球軌道，地球軌道一直覆蓋到3萬(wàn)8千公里；再往上就是深空，深空是月球以外，月球我們已經(jīng)去過(guò)了，我們即將要去火星，未來(lái)我們要去更遠(yuǎn)的地方。那個(gè)時(shí)候我們看到的東西就會(huì)是宇宙空間、其它星球、小行星等，我們的嫦娥二號(hào)就連小行星都看得到，比如一顆幾公里長(zhǎng)、幾公里寬的小行星也可以把它拍攝回來(lái)。

日常意義上的“攝影”是在可見(jiàn)光范圍內(nèi)進(jìn)行操作的，那么遙感技術(shù)所覆蓋的波段又是怎樣的？不同波段的遙感技術(shù)有何區(qū)別？

現(xiàn)在的遙感技術(shù)基本上把整個(gè)電磁波都占了，手段都有了，還在進(jìn)一步發(fā)展。從波段來(lái)說(shuō)，遙感分為可見(jiàn)光-近紅外遙感、紅外遙感和微波遙感。遙感技術(shù)正式進(jìn)入航天應(yīng)用領(lǐng)域，是1950年代的事，那以后就逐步擴(kuò)展到這三個(gè)光譜都有應(yīng)用。

首先說(shuō)可見(jiàn)光，大家知道紅橙黃綠青藍(lán)紫，人眼睛大概能看到也就這么多，最長(zhǎng)是紅，再長(zhǎng)就看不見(jiàn)了。最短的是紫色，比紫還短的看不見(jiàn)。在沒(méi)有紅外和微波遙感技術(shù)的時(shí)候，人的眼睛應(yīng)該是最好的遙感。比如我們現(xiàn)在往外一看，看到對(duì)面的樓，看得很清楚。只不過(guò)太遠(yuǎn)以后，由于大氣等各方面的因素就看不清了，所以人的眼睛現(xiàn)在看相對(duì)近處的東西很清楚，但要看更遠(yuǎn)的月球、火星、深空這些，靠眼睛就不行了。后來(lái)站得比較高的衛(wèi)星就上天了，現(xiàn)在我們對(duì)地觀測(cè)的遙感衛(wèi)星的高度一般都是幾百公里。那么遠(yuǎn)的地方往下看，人眼就不行了。我們坐在飛機(jī)上面，一萬(wàn)米高度看地面，晴天還是看得很清楚。所以大家覺(jué)得有了衛(wèi)星以后，利用這樣好的平臺(tái)，就算把人放在衛(wèi)星上能不能看得見(jiàn)地面？后來(lái)想到有照相機(jī)，就首先把可見(jiàn)光相機(jī)放到衛(wèi)星上面看地球。所以遙感首先從可見(jiàn)光開(kāi)始的。

但是，使用可見(jiàn)光相機(jī)在下雨的時(shí)候，有云彩的時(shí)候，有霧的時(shí)候，還有黑夜里，就看不見(jiàn)了。所以能不能解決白天黑夜都能看這個(gè)問(wèn)題，如果人的眼睛能看到紅色以外再長(zhǎng)一點(diǎn)的波長(zhǎng)就好了。于是就產(chǎn)生了紅外的概念。這個(gè)紅外有什么特色？它不分白天黑夜，只要物體有溫度差別就能看。所以利用這個(gè)東西，我們能看到更多的目標(biāo)，人們的“視線”大大延長(zhǎng)。我們估計(jì)了一下，如果衛(wèi)星用可見(jiàn)光相機(jī)看地球，能夠工作的時(shí)間比率是百分之十幾。為什么？黑夜它看不見(jiàn)，有云彩它看不見(jiàn)，這些東西都去掉，就只有百分之十幾的時(shí)間可以看，效率很低。如果添上紅外的話，黑夜就能看，這樣它能把觀測(cè)的時(shí)間大大延長(zhǎng)，大概能達(dá)到百分之五六十。自然界里面最低溫度是負(fù)273度，物體的溫度只要高于這個(gè)溫度，都輻射電磁波，可見(jiàn)光、紅外和微波都是電磁波。物體既然有這個(gè)特性，我們用這三個(gè)手段可以觀察物體。比如說(shuō)，夜里在機(jī)場(chǎng)里面停著很多飛機(jī)，飛機(jī)飛走了，可見(jiàn)光看不到，紅外能看到。為什么？因?yàn)樗滋焱Ｔ谀且院?，太?yáng)曬的時(shí)候，飛機(jī)底下曬不到，所以它飛走以后，飛機(jī)原來(lái)覆蓋的地面和周圍的溫度有大的差別，只要有這個(gè)溫差，紅外可以成像。這個(gè)東西現(xiàn)在用得比較多，除了我們民間里面用得比較多，軍用也相當(dāng)廣，比如偵查。飛機(jī)飛走以后兩三個(gè)小時(shí)，衛(wèi)星再過(guò)，就知道這是一個(gè)機(jī)場(chǎng)，知道原來(lái)有什么機(jī)器在這停著，所以紅外有這個(gè)功能。

但是紅外也有問(wèn)題，如果遇到大風(fēng)大雨，比較惡劣的天氣它就不行。所以大家想能不能實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)的看，這是理想化的。所以大家想到波長(zhǎng)更長(zhǎng)的微波，于是產(chǎn)生了微波遙感技術(shù)，我本人主要是搞微波遙感的。我在上世紀(jì)五六十年代提出過(guò)“微波也能成像”這個(gè)原理，將來(lái)很可能出來(lái)微波“相機(jī)”。

現(xiàn)在可見(jiàn)光有了，紅外有了，再有微波的話，這三個(gè)同時(shí)用，或者需要什么用什么，用它們大概覆蓋整個(gè)地球，至少能看到百分之八九十。因?yàn)樾l(wèi)星軌道的限制，目前全看是不可能的。

類比一般意義上的攝影，遙感技術(shù)生成圖像的要求是如何體現(xiàn)的？

不同物體，它總是有溫度不一樣，分辨率不一樣，層次不一樣，輻射的精度不一樣。所以如果按照攝影角度考慮的話，這幾個(gè)方面都需要有標(biāo)準(zhǔn)。endprint

一個(gè)是幾何分辨率，看得是不是清楚，能不能分出清晰的層次，別模模糊糊，邊界要很清楚。所以幾何的精度和畸變的控制應(yīng)該相當(dāng)高，方的就是方的，圓的就是圓的。另外一個(gè)是輻射分辨率。物體都輻射，可見(jiàn)光也在輻射。可見(jiàn)光是被動(dòng)的，只要有光照進(jìn)來(lái)，你在房間里面可以照相，照的層次清晰不清晰，輻射的程度不一樣，就能把它分辨出來(lái)?？梢?jiàn)光分辨率最高，紅外分辨率稍微低一點(diǎn)，微波利用雷達(dá)以后分辨率接近于可見(jiàn)光了。比如說(shuō)從800公里的高度上看，微波遙感有0.1米的分辨率。現(xiàn)在我們對(duì)外公開(kāi)是0.5米，但是我們肯定要繼續(xù)做到0.1米。美國(guó)現(xiàn)在它說(shuō)已經(jīng)有了0.3米的分辨率，這方面我們并不比它差哪去。所以通過(guò)遙感生成一個(gè)圖像的要求跟一般的攝影要求一樣，只不過(guò)行話可能不一樣。我們從遙感角度分成幾何的分辨率、幾何的畸變，還有輻射的變化。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，跟攝影是一樣的，只不過(guò)你們所說(shuō)的攝影是以可見(jiàn)光為主，可能還沒(méi)有廣泛地用上紅外，微波更沒(méi)有用上。

另外，對(duì)遙感來(lái)說(shuō)，是不是可以這樣解釋：物體達(dá)到自然溫度以上，原理上都可以進(jìn)行遙感?，F(xiàn)在的攝影，在零下攝氏度情況下可以操作，只要照相機(jī)能夠運(yùn)作就沒(méi)有問(wèn)題。到北極南極，零下50攝氏度，照相機(jī)快門(mén)動(dòng)不了，那就不行了。所以遙感和一般的攝影對(duì)環(huán)境都是有要求的。比如說(shuō)我現(xiàn)在到月球，到那首先照相。因?yàn)樵虑虻囊粫円瓜喈?dāng)于地球的14天左右，所以相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間它是黑夜，月球黑夜的溫度可以達(dá)到零下一百五六十?dāng)z氏度，甚至零下一百八十?dāng)z氏度，那個(gè)情況下誰(shuí)都不能工作。所以我們?cè)趺崔k？我們?cè)谀堑戎?，留下一定的功率提供給攝影器械，讓它保持點(diǎn)溫度，等待白天復(fù)蘇再做工作。這跟我們到南極和北極拍攝的原理是一樣的。所以對(duì)環(huán)境的要求是起碼的。

對(duì)環(huán)境要求除了溫度以外，有一個(gè)傳播媒介的損耗因素。比如說(shuō)今天是一個(gè)大晴天，對(duì)攝影來(lái)說(shuō)看得很清楚，甚至十幾公里都大概能照上；但是如果是霧天就看不清楚，所以這就是傳播媒介不同的體現(xiàn)：被攝物那邊的能量傳到這邊來(lái)以后剩下不多了，沒(méi)法照相。這里面存在大氣輻照的問(wèn)題，這是最起碼的環(huán)境方面的問(wèn)題。不過(guò)，從一般攝影角度來(lái)講，大概不太考慮輻照，因?yàn)橐话闩臄z距離都比較近。

除了這個(gè)以外，路程比較遠(yuǎn)的時(shí)候，光線會(huì)出現(xiàn)散射或者拐彎，特別是從月球看地球的時(shí)候，存在時(shí)間滯后的問(wèn)題。月球到地球距離38萬(wàn)公里，不遠(yuǎn)，但是總有幾秒鐘的時(shí)間差別；到火星那不是幾秒鐘的問(wèn)題了，是幾分鐘。所以這么遠(yuǎn)的距離，拍攝到的畫(huà)面兩邊不清楚，是因?yàn)榕臄z設(shè)備離被攝物兩側(cè)的距離不一樣。那怎么辦？這個(gè)環(huán)境在那了，我變不了，我怎么辦？我們就放一些儀器專門(mén)測(cè)量路徑和環(huán)境，這些儀器不成像，只測(cè)量指標(biāo)，然后參考這些指標(biāo)，對(duì)攝影的內(nèi)容做校正，把干擾的影像去掉。一般的攝影比較重視去掉雜波，但涉及衛(wèi)星，不僅僅是雜波，整個(gè)環(huán)境的溫度都在變化。所以為什么說(shuō)上了衛(wèi)星以后，遙感手段跟一般的攝影大不同，其中大概一半以上的工作就是保證回來(lái)以后成像的圖像質(zhì)量，很多環(huán)境因素要把它去掉。

在您看來(lái)，目前遙感技術(shù)研究的重點(diǎn)方向是什么？

我們談的這個(gè)微波是宏觀上的微波，微波一般聽(tīng)起來(lái)好像是波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，比如無(wú)線電波或者電視臺(tái)播送的那種波，但是我們遙感里面講的是到太赫茲，太赫茲的波長(zhǎng)是亞毫米。我們現(xiàn)在微波跟50年前的微波遙感概念不一樣。過(guò)去微波遙感剛出來(lái)的時(shí)候，被分為可成像的（比如雷達(dá)）和不成像的。經(jīng)過(guò)四五十年的變化以后，現(xiàn)在所有的微波遙感手段都可以成像，只不過(guò)分辨率不一樣。比如說(shuō)我們現(xiàn)在用的合成空徑雷達(dá)，這個(gè)雷達(dá)的分辨率比較高，最高分辨率和可見(jiàn)光可匹敵。微波最大好處就是全天候、全天時(shí)，但是這是理想意義上。真正做到全天候、全天時(shí)那還不行，需要在一定波長(zhǎng)之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。但是它有自己的用處，用處在哪里？有些波長(zhǎng)直接可以穿透大氣，有些波長(zhǎng)就不行，我們把它叫做大氣窗口。可見(jiàn)光也有窗口，比如說(shuō)我們到河邊，比較清晰的水，一米以下的石頭、魚(yú)都看得很清楚。但是如果這個(gè)水比較渾濁的話，你就看不清楚，這也是一個(gè)窗口的問(wèn)題。假如到南海以后，想看得很深，你的眼睛就不可能完成了。眼睛是把赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫綜合起來(lái)的，如果我們做成儀器的話，以綠光為主，就能看得比較深，這個(gè)在軍用上有大大的用處。到北邊的海，海比較渾濁，特別是渤海灣，黃河出去以后帶很多泥沙，是很渾濁的，北邊的海水的能見(jiàn)度、穿透力跟南邊比差很多。所以我們研究海的時(shí)候就要考慮這個(gè)問(wèn)題。到現(xiàn)在為止，我們陸地上遙感用得比較成功，因?yàn)殛懙厣喜挥每紤]海水的問(wèn)題，就考慮大氣的問(wèn)題。另外，陸地背景本身變化也不大，山不可能明天就移走了，喜馬拉雅山的高度在變，這是指在很長(zhǎng)時(shí)間跨度上，不可能一下子就長(zhǎng)高了。所以，陸地上目標(biāo)是比較穩(wěn)定的，長(zhǎng)時(shí)間不變，在整個(gè)幾萬(wàn)年的歷史是變的，但是人類現(xiàn)在壽命也就一百來(lái)歲，這個(gè)期間變化比較少。所以我現(xiàn)在提出來(lái)，遙感未來(lái)應(yīng)該更多地關(guān)注海。照樣是這些可見(jiàn)光、紅外、微波遙感，研究海的表面沒(méi)有問(wèn)題，但是海水底下成問(wèn)題。船出去有時(shí)候擱淺，它就是沒(méi)有看到海底，更不用看到說(shuō)潛艇，它都是潛在幾十米、上百米，甚至一千米底下，對(duì)這個(gè)我們遙感現(xiàn)在好像能力還不夠。所以我這些年一直在提倡，我們要重視海，特別是海底要重視，另外海和陸地的變化、海和大氣之間的關(guān)系要重視。海陸、海氣這個(gè)關(guān)系得搞清楚。比如說(shuō)海上溫度異常，比如厄爾尼諾現(xiàn)象。所謂的厄爾尼諾就是在赤道的溫度異常，溫度比平常高。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)不僅僅是正異常，還有負(fù)異常，就是拉尼娜現(xiàn)象。這些異常對(duì)我們都有很大的影響。可見(jiàn)光看不到，紅外和微波就能夠測(cè)量溫度變化，所以對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象的測(cè)量，紅外和微波用得比較多。但問(wèn)題是現(xiàn)在海底怎么辦？我們正在研究，原來(lái)想用可見(jiàn)光看，用一般攝影的方法，這到南海效果比較好，能夠看到十幾米以下，但是到北部灣就不行，所以需要三個(gè)手段同時(shí)用，都是希望用攝影看得直觀些。此外成不了像的，就看它變化的指標(biāo)。比如說(shuō)關(guān)于海洋高度的變化，我們現(xiàn)在在衛(wèi)星上能夠測(cè)出海洋高度變化了3厘米，這就是我們中科院國(guó)家空間科學(xué)中心做的。這3厘米是以地球作為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量，它不成像。我?guī)е鴮W(xué)生15年以前開(kāi)始研究這個(gè)，這次由以張運(yùn)華教授為首的團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“天宮二號(hào)”的三維成像微波高度計(jì)有了新的結(jié)果，能夠在寬域幅中更高地分辨出目標(biāo)。本來(lái)什么都看不見(jiàn)的，我們現(xiàn)在讓它能看得見(jiàn)了。比如說(shuō)在海上，整個(gè)船的軌跡看得非常清楚。比較大的船后面總是有一個(gè)V型的尾巴，可以看得非常清楚。這就為我們出海以后的艦船提供了一個(gè)指導(dǎo)。分辨率再高一點(diǎn)的話，用可見(jiàn)光照相就能夠照到比較大的船的本身。endprint