文/ 楊詩瑞

“不識廬山真面目，只緣身在此山中?！泵刻烀繒r每刻，地球上的環(huán)境發(fā)生著生生不息的變化，但是身處地球上的人們卻難以對各種資源信息完成收集和觀察，尤其是有一些信息看不見、摸不著。

那么衛(wèi)星是如何完成這樣高難度的“大局”觀測的呢？太空中的衛(wèi)星們利用遙感器、對地觀測衛(wèi)星收集并記錄地球大氣、陸地和海洋等觀測目標輻射、反射或散射的電磁波信息，再由信息傳輸設(shè)備發(fā)送回地面進行處理和加工，就可以獲取相應(yīng)的信息，突破人們“身在廬山中”的迷茫。

▲ 軌道碳觀測衛(wèi)星

風(fēng)云探測一甲子

環(huán)境衛(wèi)星是對地觀測衛(wèi)星的重要應(yīng)用，一般專門用于環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測。伴隨著對地觀測衛(wèi)星的發(fā)展，環(huán)境衛(wèi)星的隊伍也逐漸成長壯大。

早在1959 年，美國發(fā)射的先驅(qū)者-4 探測器在近地軌道就拍攝到了地球的云圖。不過真正利用衛(wèi)星對地球環(huán)境進行長期觀測是從1960 年美國發(fā)射泰羅斯-1 衛(wèi)星才開始的。

20 世紀70 年代，對地觀測衛(wèi)星進入初步應(yīng)用階段。1972 年，美國發(fā)射陸地衛(wèi)星-1，標志著空間對地觀測進入實用階段，衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)首次實現(xiàn)以數(shù)字形式直接傳輸。這一時期，全天候的微波遙感技術(shù)正成為對地觀測領(lǐng)域中的重要發(fā)展方向。

20 世紀80 年代至90 年代，對地觀測衛(wèi)星有了很大的發(fā)展。1986 年2月，法國發(fā)射了斯波特-1 衛(wèi)星，這是第一顆能在穿軌方向進行立體成像的衛(wèi)星，首次采用推掃成像線性陣列遙感器，全色分辨率10 米。

1991 年7 月，歐空局發(fā)射了歐洲遙感衛(wèi)星-1，它是一顆微波遙感衛(wèi)星，采用合成孔徑雷達成像，空間分辨率為30 米。微波遙感衛(wèi)星獲取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，增進了人類對地球環(huán)境和氣候現(xiàn)象的認識，形成了多種業(yè)務(wù)應(yīng)用，如海冰制圖和沿海地帶研究等。

近十余年來，對地觀測衛(wèi)星開始向高空間分辨率和高光譜分辨率發(fā)展。1999 年，美國成功發(fā)射首顆攜帶中分辨率成像光譜儀的衛(wèi)星——“土”衛(wèi)星，歐空局和日本成功發(fā)射高光譜衛(wèi)星。高光譜遙感器進入了航天遙感領(lǐng)域并不斷突破，高光譜成像技術(shù)成為21 世紀國際遙感界的熱點。

除此之外，進入21 世紀以來，全球高分辨率對地觀測技術(shù)也發(fā)展迅速，光學(xué)成像衛(wèi)星的地面分辨率已達0.1米，雷達成像衛(wèi)星的分辨率達到0.3 米，美國、法國、俄羅斯、以色列、日本和印度等多個國家也都已擁有本國獨立研制的高分辨率對地觀測衛(wèi)星。

目前，全球共有220 余顆對地觀測衛(wèi)星在軌運行，雷達成像衛(wèi)星正逐步成為各國競相發(fā)展的熱點。雷達衛(wèi)星具有穿透云霧，甚至部分植被和土壤的能力，具有全天候、全天時觀測能力，并能通過多頻、多極化、多入射角等手段提高對目標的識別能力，可以彌補光學(xué)衛(wèi)星的不足。

▲ 歐洲遙感衛(wèi)星-1

▲ “土”衛(wèi)星

為了能夠全面觀測地球，美歐等國家和地區(qū)正在建立以地球觀測系統(tǒng)（EOS）和哥白尼計劃為代表的天、空、地一體化的綜合對地觀測系統(tǒng)，它能聯(lián)合各自分散的遙感力量，構(gòu)建全面的、協(xié)調(diào)的、可持續(xù)的綜合對地觀測系統(tǒng)，并提供運營服務(wù)，實現(xiàn)最佳應(yīng)用效益。

如今，國外民用對地觀測衛(wèi)星保持穩(wěn)定發(fā)展，商業(yè)對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)持續(xù)補給，穩(wěn)定運行、拓展應(yīng)用，民商用對地觀測體系和能力日趨完備。

民用對地觀測衛(wèi)星方面，各國持續(xù)穩(wěn)步推進后續(xù)系統(tǒng)的建設(shè)與更新，在確保數(shù)據(jù)連續(xù)性的基礎(chǔ)上，積極發(fā)展實驗性小衛(wèi)星技術(shù)，利用搭載發(fā)射、在國際空間站部署遙感載荷的方式（如美國“地球觀測系統(tǒng)”發(fā)射溫室氣體觀測載荷、意大利發(fā)展多光譜成像小衛(wèi)星），在降低成本的同時，提高觀測與應(yīng)用能力，逐步形成全球綜合地球環(huán)境監(jiān)測體系。

商業(yè)對地觀測衛(wèi)星方面，更多的商業(yè)對地觀測小衛(wèi)星進入部署階段，在軌星座規(guī)模和類型穩(wěn)定擴大，重點發(fā)展高重訪頻次能力，兼顧1 米級高成像分辨率，光學(xué)成像、雷達成像、射頻測繪等均具備較大應(yīng)用潛力，對地觀測業(yè)務(wù)類型向多樣化拓展。

對地觀測的大用戶：美國環(huán)境衛(wèi)星發(fā)展與應(yīng)用

美國擁有數(shù)量最多的衛(wèi)星，建成和發(fā)展了陸地衛(wèi)星（LANDSAT）、地球觀測系統(tǒng)（EOS）、靜止軌道業(yè)務(wù)衛(wèi)星系列（GOES）等一系列資源和環(huán)境探測衛(wèi)星系統(tǒng)，在這一領(lǐng)域發(fā)揮著引領(lǐng)作用。

LANDSAT 是美國陸地遙感衛(wèi)星項目的先驅(qū)，該系列衛(wèi)星由美國宇航局和美國地質(zhì)調(diào)查局共同管理，40 年來連續(xù)提供地球陸地表面粗略的、重復(fù)的多光譜數(shù)據(jù)，用于探測地球資源與環(huán)境。

LANDSAT 衛(wèi)星承擔(dān)著調(diào)查地下礦藏、海洋資源和地下水資源，監(jiān)測和協(xié)助管理農(nóng)、林、畜牧業(yè)和水利資源的合理使用，預(yù)報農(nóng)作物的收成，研究自然植物的生長和地貌，考察和預(yù)報各種嚴重的自然災(zāi)害(如地震)和環(huán)境污染，拍攝各種目標的圖像，以及繪制各種專題圖等任務(wù)。在它的啟發(fā)下，各國產(chǎn)生了很多類似項目，如法國的地球觀測系統(tǒng)（SPOT）、俄羅斯的資源系列衛(wèi)星和印度遙感衛(wèi)星。

▲ LANDSAT-8 衛(wèi)星

目前在軌的LANDSAT-8 于2013年發(fā)射，裝備有陸地成像儀和熱紅外傳感器（TIRS）。TIRS 是性能最好的熱紅外傳感器，用于收集地球熱量流失，了解觀測地帶的水分消耗，特別是干旱地區(qū)的水分消耗。

為統(tǒng)籌分散的遙感衛(wèi)星資源，全面觀測地球，1991 年，美國宇航局發(fā)起地EOS 計劃，實施多學(xué)科（大氣、海洋、陸面、生物、化學(xué)等）綜合研究，加深對地球系統(tǒng)變化理解。

組成EOS 的是多個國家的主動空腔輻射計輻照度監(jiān)視器衛(wèi)星、“水”衛(wèi)星、LANDSAT-7、賈森-1 等衛(wèi)星。EOS 從單系列極軌空間平臺上對太陽輻射、大氣、海洋和陸地進行綜合觀測，獲取有關(guān)海洋、陸地、冰雪圈和太陽動力系統(tǒng)等信息；進行土地利用和土地覆蓋研究、氣候的季節(jié)和年際變化研究、自然災(zāi)害監(jiān)測和分析研究、長期氣候變率和變化以及大氣臭氧變化研究等，實現(xiàn)對大氣和地球環(huán)境變化的長期觀測和研究。

EOS 的首顆衛(wèi)星“土”衛(wèi)星攜帶5 種傳感器，能同時采集地球大氣、陸地、海洋等信息，幫助科學(xué)家認識全球氣候變化的起因和發(fā)展，了解地球氣候和環(huán)境的整體作用?！八毙l(wèi)星收集關(guān)于地球水循環(huán)信息，包括海洋海水蒸發(fā)、大氣中的水蒸氣、云層、降水、土壤水分、海冰、陸冰，以及陸地上的積雪和冰的各種數(shù)據(jù)和信息，它的測量數(shù)據(jù)還包括輻射能通量、氣溶膠、覆蓋陸地的植被、浮游植物和海洋中的溶解有機物，以及空氣、土地和水溫等。

多管齊下的環(huán)境觀測：歐空局成員國環(huán)境衛(wèi)星發(fā)展與應(yīng)用

歐空局發(fā)展了多個重要的對地觀測衛(wèi)星系列，涵蓋光學(xué)、雷達、高光譜等多種成像模式和不同分辨率，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測。與此同時，法國、加拿大等也在開展本國對地觀測衛(wèi)星建設(shè)。

環(huán)境衛(wèi)星1 號于2002 年3 月發(fā)射升空，是歐洲最大的環(huán)境衛(wèi)星。衛(wèi)星搭載的合成孔徑雷達，可生成海洋、海岸、極地冰冠和陸地的高質(zhì)量高分辨率圖像，研究海洋的變化，其他星載設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，可用于研究地球大氣層及大氣密度。環(huán)境衛(wèi)星1 號主要用于監(jiān)視環(huán)境，對地球表面和大氣層進行連續(xù)觀測，供制圖、資源勘查、氣象及災(zāi)害判斷之用。

哥白尼計劃是歐洲委員會和歐洲太空總署聯(lián)合倡議建設(shè)的，歐洲最重要的綜合對地觀測系統(tǒng)，由全球環(huán)境與安全監(jiān)測計劃(GMES)發(fā)展而來。哥白尼計劃通過對歐洲及非歐國家現(xiàn)有和未來發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)管理和集成，實現(xiàn)環(huán)境與安全的實時動態(tài)監(jiān)測，為決策者提供數(shù)據(jù)，以幫助他們制定環(huán)境法案，或是對自然災(zāi)害和人道主義危機等緊急狀況作出反應(yīng)。

哨兵系列衛(wèi)星構(gòu)成該計劃的空間段，是一個高、中、低分辨率并存的遙感衛(wèi)星體系，涵蓋光學(xué)成像、雷達成像、電子偵察、環(huán)境、預(yù)警等業(yè)務(wù)類型，具有不同觀測功能。2014 年，哨兵-1 發(fā)射，提供全天時、全天候雷達成像，用于陸地和海洋觀測。哨兵-2是多光譜高分辨率成像衛(wèi)星，可提供植被、土壤和水覆蓋、內(nèi)陸水路及海岸區(qū)域等圖像，還可用于緊急救援服務(wù)。哨兵-3 衛(wèi)星攜帶多種有效載荷，用于高精度測量海面地形、海面和地表溫度、海洋水色和土壤特性，并支持海洋預(yù)報系統(tǒng)及環(huán)境與氣候監(jiān)測。哨兵-4、哨兵-5 載荷分別搭載在第三代氣象衛(wèi)星-S 和極地軌道氣象衛(wèi)星上，用于大氣化學(xué)成分監(jiān)測，哨兵-6 則主要用于海洋科學(xué)和氣候研究。

此外，法國持續(xù)發(fā)射SPOT 衛(wèi)星系統(tǒng)，從1986 年發(fā)射SPOT-1 以來，接收、存檔全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提供了準確、豐富、可靠、動態(tài)的地理信息源，滿足了制圖、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土地利用、水利、國防、環(huán)境、地質(zhì)勘探等多個應(yīng)用領(lǐng)域不斷變化的需要。2014 年6月，SPOT-7 成功發(fā)射，提供1.5 米全色和4 個波段的6 米多光譜圖像,具備長條帶、大區(qū)域、多點目標、雙圖立體和三圖立體等多種成像模式，為自然資源與農(nóng)林環(huán)境監(jiān)測等方面提供強大支撐。

▲ 哨兵-1 衛(wèi)星

▲ 哨兵-5 衛(wèi)星

加拿大國土面積廣闊，將對地觀測衛(wèi)星作為優(yōu)先發(fā)展項目，分別在1995年11 月和2007 年12 月發(fā)射雷達衛(wèi)星-1、雷達衛(wèi)星-2，用于海洋監(jiān)測，災(zāi)害管理及生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測。2019 年6月，加拿大發(fā)射“雷達衛(wèi)星星座任務(wù)”衛(wèi)星，由3 顆小衛(wèi)星組網(wǎng)協(xié)同運行，提供快速重訪和動態(tài)監(jiān)測，能夠滿足加拿大對海上、國土、北極等區(qū)域特有的監(jiān)視需求，極大增強環(huán)境監(jiān)測能力。

百花齊放的環(huán)境觀測：其他國家環(huán)境衛(wèi)星現(xiàn)狀

俄、日、印等國家也都在積極發(fā)展對地觀測衛(wèi)星體系，提供環(huán)境監(jiān)測能力。

俄羅斯正在積極恢復(fù)對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，處于能力恢復(fù)和提升期，目前主要在補充現(xiàn)有低地球軌道“流星”和地球靜止軌道“電子”氣象衛(wèi)星星座。2016 年3 月，俄羅斯成功發(fā)射資源-P3和獵豹-M2 高分辨率光學(xué)對地觀測衛(wèi)星，提供資源和環(huán)境監(jiān)測能力。

日本將對地觀測列為航天重點發(fā)展對象，形成用于陸地觀測、氣象、溫室氣體、全球變化觀測等多個主打衛(wèi)星系列，對地觀測能力較為先進，具有一定的在軌規(guī)模。1992 年，日本發(fā)射地球資源衛(wèi)星-1，用于地球資源和環(huán)境監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，日本發(fā)射先進陸地觀測-1 衛(wèi)星，搭載日本、美國、法國等提供的8 個載荷，可全面調(diào)查地球環(huán)境和氣象變化，發(fā)展先進陸地觀測衛(wèi)星和熱帶降雨測量衛(wèi)星等，均提供環(huán)境監(jiān)測能力。同時，日本也在積極發(fā)展商業(yè)對地觀測衛(wèi)星，2019 年，日本東京大學(xué)發(fā)射快速國際科學(xué)實驗衛(wèi)星，搭載瑞典、捷克等8個國家開發(fā)的科學(xué)儀器，用于地球觀測實驗和技術(shù)示范；日本初創(chuàng)企業(yè)Synspective 公司計劃發(fā)展由25顆小衛(wèi)星組成的、能夠日夜及穿透云層成像并實現(xiàn)全球覆蓋的合成孔徑雷達觀測星座，將提供環(huán)境監(jiān)測功能。

印度建立了高低軌搭配、譜段覆蓋完整（包括可見光、近紅外、中短波紅外、微波等多個波段）的對地觀測衛(wèi)星體系。由資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、印度衛(wèi)星系列組成的環(huán)境探測衛(wèi)星體系，覆蓋了氣象環(huán)境探測、海洋環(huán)境探測和陸地資源觀測。1998 年，印度開啟“地球觀測系統(tǒng)”計劃，由國家自然資源管理系統(tǒng)規(guī)劃委員會進行協(xié)調(diào)與管理，發(fā)射的衛(wèi)星包括印度遙感衛(wèi)星系列、制圖衛(wèi)星系列以及資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星和雷達成像衛(wèi)星系列等，衛(wèi)星數(shù)據(jù)由國家遙感局統(tǒng)一接收和處理，廣泛用于環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害管理等領(lǐng)域。

除了主流航天力量，其他國家或地區(qū)中，以色列和韓國對地觀測衛(wèi)星發(fā)展最好，提供環(huán)境監(jiān)測能力。以色列從2000 年開始發(fā)展地球遙感觀測衛(wèi)星光學(xué)成像衛(wèi)星系統(tǒng)，應(yīng)用于制圖、基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和監(jiān)測、災(zāi)害及環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)規(guī)劃等方面。2017 年8 月，以色列和法國聯(lián)合研制植被和環(huán)境監(jiān)測微衛(wèi)星發(fā)射成功，主要用于農(nóng)業(yè)與生態(tài)研究領(lǐng)域，包括精準農(nóng)業(yè)成像和環(huán)境探測等。

韓國持續(xù)研制并發(fā)射低軌道高分辨率光學(xué)和雷達成像的韓國多用途衛(wèi)星系列以及海洋與環(huán)境衛(wèi)星。2020 年2月，韓國發(fā)射全球首顆霧霾衛(wèi)星千里眼2B 號，主要用于收集東亞地區(qū)霧霾和赤潮等環(huán)境和海洋數(shù)據(jù)。

▲ 加拿大雷達衛(wèi)星-2

技術(shù)縱向深入，數(shù)量橫向鋪展

近些年來，國外對地觀測衛(wèi)星和環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星等創(chuàng)新發(fā)展、升級換代，逐步形成立體、多維、高中低分辨率結(jié)合的全球綜合環(huán)境觀測體系，穩(wěn)步提升技術(shù)與應(yīng)用水平。各國高度重視并加快建設(shè)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)，新一代環(huán)境探測衛(wèi)星水平進一步提升，觀測譜段不斷拓展，空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和觀測帶寬進一步提高，形成多種傳感器綜合集成的對地觀測系統(tǒng)；從單角度、單一模式的觀測跨越到多角度、寬視場、立體成像等多種觀測模式，進一步提高系統(tǒng)的可靠性、可用性。

與此同時，商業(yè)小衛(wèi)星星座進行環(huán)境監(jiān)測成為重要發(fā)展趨勢，并與大型環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星互相補充，在數(shù)量上形成了“橫向鋪展”的趨勢。在各國政策扶持下，航天初創(chuàng)公司不斷涌現(xiàn)并開始部署自己的商業(yè)小衛(wèi)星星座，提供全球觀測數(shù)據(jù)，小型衛(wèi)星、商業(yè)立方體星座與大型衛(wèi)星系統(tǒng)相結(jié)合，為環(huán)境監(jiān)測提供高效解決方案。

▲ 霧霾衛(wèi)星千里眼2B 號

隨著航天技術(shù)的擴散，更多國家具備衛(wèi)星研制能力，開始發(fā)展自己的對地觀測衛(wèi)星，并廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測等方面。沙特阿拉伯、新加坡、埃及等國家已具備衛(wèi)星研制能力?！鞍＜靶l(wèi)星”系列持續(xù)發(fā)展，用于采集埃及周邊地區(qū)的圖像，進行礦物、水和其他資源評估，研究尼羅河上游情況以及災(zāi)難管理等。阿聯(lián)酋、泰國、委內(nèi)瑞拉、越南、智利等國家通過整星采購或國際合作，發(fā)展本國對地觀測衛(wèi)星，服務(wù)于國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。阿聯(lián)酋與加拿大合作研制天空觀測-1 衛(wèi)星，搭載用于監(jiān)測氣溶膠的多光譜光譜儀，能夠監(jiān)測阿聯(lián)酋的二氧化碳和甲烷等溫室氣體。

另一方面，環(huán)境衛(wèi)星的監(jiān)測領(lǐng)域更廣，種類更多。美國宇航局主導(dǎo)的EOS 后續(xù)任務(wù)——“十年調(diào)查”，啟動更多新型環(huán)境探測任務(wù)，在2019 年發(fā)射軌道碳觀測-3 衛(wèi)星，專用于溫室氣體探測，可獲取高精度、高空間分辨率的全球二氧化碳觀測數(shù)據(jù)。韓國也發(fā)射首顆霧霾衛(wèi)星。美國政府部門啟動多個環(huán)境監(jiān)測立方星任務(wù)。美國宇航局啟動“機會信號P 譜段研究”的立方星任務(wù)，開發(fā)天基土壤濕度測量技術(shù)，用于土壤濕度和雪測量，為早期洪水和干旱預(yù)警以及農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測提供幫助；美國環(huán)境保護基金會發(fā)展甲烷監(jiān)測立方星，對來自50 個主要石油和天然氣地區(qū)、占全球產(chǎn)量80%的甲烷氣體排放進行監(jiān)測；美國宇航局還計劃建造地球靜止沿海成像和監(jiān)測輻射計，實現(xiàn)對自然和人為的沿海水域災(zāi)害進行快速響應(yīng)，有助于改善沿海生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性及其資源管理。環(huán)境衛(wèi)星向更豐富、更廣闊、更多元、更深入的方向不斷發(fā)展，為人類環(huán)境保護、資源管理、抗災(zāi)減災(zāi)等方面提供有力支撐。