□ 張智慧

國際空間站航天員利用WORF進行對地拍攝

國際空間站作為近地軌道空間唯一在軌運行的大型綜合實驗平臺，部署了許多先進的對地觀測和遙感設備。使用手持或自動裝置，航天員可以靈活開展對地觀測活動，尤其是在監(jiān)測突發(fā)自然災害時，較無人飛行器而言，更具靈活性。作為一個“全球觀測與監(jiān)測站”，國際空間站在收集全球氣候、環(huán)境變化及自然災害信息，推動探究和解決地球環(huán)境問題以及推動全球對地觀測活動的國際合作方面發(fā)揮了重要作用。

優(yōu)于遙感衛(wèi)星的觀測能力

國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人飛行器或衛(wèi)星所取代呢？

原來，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，而非太陽同步軌道。國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，可以觀測地球表面同一地點在不同光照條件，不同時間的情況。而遙感衛(wèi)星通常運行在極軌道上，作為太陽同步軌道平面，遙感衛(wèi)星每天經(jīng)過地面上同一地點的時刻幾乎相同。如果衛(wèi)星經(jīng)過地球上某地的時間為中午，則科學家們就無法了解該地早上或晚上的情況。

國際空間站作為觀測平臺的另一個獨到的好處是，航天員可以對時間的演變做出及時反饋。尤其是在拍攝突發(fā)災難事件（如火山爆發(fā)、地震及颶風）的照片時，航天員可以同時關注云層、光照等條件調整拍攝。而普通的遙感衛(wèi)星則無法考慮成像質量問題。

先進多樣的遙感設施

自2000年11月國際空間站正式運行以來，作為“乘員對地觀測”（CEO）實驗項目的一部分，站上航天員利用手持膠片或手持數(shù)碼相機拍攝了超過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，但在遙感科學家眼里，國際空間站此前并非真正意義上的對地觀測平臺，直到最近兩年，一些新的設施和精密傳感系統(tǒng)被陸續(xù)部署，國際空間站才成為真正的對地觀測平臺。

目前，作為航天員手持或數(shù)碼相機的補充，國際空間站外部或內部裝配了自動感應系統(tǒng)和設施，提供更強的對地遙感能力。目前，國際空間站已裝備或即將裝備的遙感設備設施有：

1. 舷窗觀測研究設施（WORF）

一個高品質光學天底觀察窗，位于美國“命運”號實驗艙的下部，為地球科學遙感儀器提供了一個高穩(wěn)定的內部裝備平臺。

2.國際空間站農(nóng)業(yè)照相機（ISSAC）

ISSAC由北達科他州的學生和教師設計，主要目的是收集多譜段數(shù)據(jù)支持農(nóng)業(yè)活動及相關研究。該相機安裝在舷窗觀測研究設施（WORF）上，但可獨立進行操作。該相機分辨率為20米，利用兩臺帶有濾鏡的數(shù)碼相機分別收集可見光中的綠光、紅光及近紅外波長（3波段）范圍的獨立圖像信息幀，然后可以將這些圖像幀合成為單一多譜段圖像。這種獨特的波長合成能力可以使得ISSAC能夠區(qū)別不同種類的農(nóng)作物并檢測農(nóng)作物區(qū)域覆蓋變化以及農(nóng)作物健康狀況，這對于農(nóng)業(yè)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測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”號實驗艙外，主要任務是收集沿海海域的水質、底部物質、水深以及近海岸植物等情況。分辨率為90米。該儀器收集可見光及近紅外波長的高質量信息。

4.國際空間站環(huán)境研究可視化系統(tǒng)（ISERV）

一套由施密特-卡塞格倫望遠鏡和一臺數(shù)碼攝像系統(tǒng)共同構成的傳感器系統(tǒng)，可以以小于3米的分辨率收集可見光波長范圍內的影像。該系統(tǒng)將被安置在WORF上，具備高溫定和高目標捕獲能力。該傳感器將支持ISERV計劃實現(xiàn)服務開發(fā)地球、減災以及人道主義救援等目的。

比較重要的設備還有日本的“超導亞毫米波邊緣發(fā)射探測器”（SMILES）。該探測器于2009年9月11日隨日本HTV-1貨運飛船到達國際空間站，隨后被安裝在日本“希望”號實驗艙的外部暴露平臺上。在持續(xù)開展了6個月的觀測工作后，因一個重要設備組件故障而不得不于2010年4月21日停止工作。

國際空間站農(nóng)業(yè)照相機ISSAC2

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

有效的對地遙感應用

利用上述設施，國際空間站進行了大量對地觀測項目，內容涵蓋地球資源管理、大氣環(huán)境監(jiān)控、自然災害拍攝以及海洋運輸?shù)雀鱾€領域。

1.利用國際空間站影像幫助島國管理珊瑚礁

對于位于赤道附近的太平洋和印度洋島國而言，珊瑚礁是其重要的國家資源，不僅直接影響著其漁業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展，而且與島國氣候變化也有很大關系。近些年來，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海洋的過度開發(fā)、過度捕撈等活動導致大量珊瑚島礁消失。島礁系統(tǒng)的崩潰不僅嚴重威脅著那些依靠島礁資源的國家，而且對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

國際空間站環(huán)境研究可視化系統(tǒng)（ISERV）

利用國際空間站上觀測設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棲息地而受到保護

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珊瑚礁資源，十年前，科學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）缺乏準確的全球珊瑚島礁分布圖。（2）詳細的珊瑚島礁數(shù)據(jù)分布圖對當?shù)刭Y源管理至關重要。（3）對地遙感衛(wèi)星幾乎無法拍攝所需范圍的圖像。

國際空間站航天員對地觀測有效彌補了上述不足，航天員可以拍攝分辨率為5米～6米且無云層干擾的高分辨率圖像，并可拍攝覆蓋全球范圍內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，航天員還可利用站上遙感設施，服務珊瑚島礁測繪工作。

2.幫助檢測威尼斯水域的變化

2010年，一張國際空間站航天員在太空無意中拍攝到的威尼斯?jié)暫D片引起了意大利環(huán)境保護專家Alessandro Mulazzani博士的注意。他對這幅照片進行了高度評價，他說：“這種圖片非常有用，能及時反映威尼斯水域環(huán)境的變化，幫助科學家隨時了解相關情況，同時對公眾和學生極具吸引力，能喚起社會公眾對威尼斯環(huán)境的關注?！睆拇耍瑢ν崴?jié)暫呐臄z成為國際空間站上“乘員對地觀測”項目的固定內容。

利用不同分辨率的設備，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)形成一個較為完備的數(shù)據(jù)庫，不僅為科學家研究威尼斯水域生態(tài)系統(tǒng)變化提供了重要參考，而且對幫助公眾樹立環(huán)保意識、有效保護威尼斯?jié)暫鷳B(tài)系統(tǒng)發(fā)揮了積極作用。

除上述兩個事例外，還有一些典型應用，如利用ISSAC成功檢測對北達科州邁諾特市的蘇里斯河水災、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形象、利用國際空間站捕獲日本北部地震海嘯情況等。

國際空間站各合作國也開展了不同類型的對地遙感項目。俄羅斯航天局利用空間站遙感設施開展了地球災難監(jiān)測的“颶風”計劃，不僅用來檢測風暴、地震、火災等自然災害，而且還用來監(jiān)測海上原油污染等人為災害。日本宇宙探索局利用“超導亞毫米波邊緣發(fā)射探測器”（SMILES）研究大氣同溫層（臭氧層）的修復和穩(wěn)定性。歐洲空間局利用其“哥倫布”艙外的載荷設施平臺開展了一系列地球氣候變化研究項目，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)與遠航船只的通信，從而實現(xiàn)了對全球海洋運輸?shù)谋O(jiān)控。

集成遙感能力將發(fā)揮更大作用

當前，許多科學團隊開發(fā)了多種傳感器系統(tǒng)來進行地球遙感研究。未來，國際空間站上將會構建一套中央數(shù)據(jù)存取設施，將所有有人操作系統(tǒng)和自動感應系統(tǒng)的遙感能力相結合，這將會顯著提升對地觀測和自然災害響應能力，集成空間站對地感測系統(tǒng)是對衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的有益補充，將為人類提供了解地球、改善生存環(huán)境提供更多幫助。

火災監(jiān)測

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