文/ 楊詩瑞

“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中?！泵刻烀繒r(shí)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(duì)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(duì)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(biāo)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(jìn)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(duì)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(duì)地觀測衛(wèi)星的發(fā)展，環(huán)境衛(wèi)星的隊(duì)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(duì)地球環(huán)境進(jìn)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(jì)70 年代，對(duì)地觀測衛(wèi)星進(jìn)入初步應(yīng)用階段。1972 年，美國發(fā)射陸地衛(wèi)星-1，標(biāo)志著空間對(duì)地觀測進(jìn)入實(shí)用階段，衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)首次實(shí)現(xiàn)以數(shù)字形式直接傳輸。這一時(shí)期，全天候的微波遙感技術(shù)正成為對(duì)地觀測領(lǐng)域中的重要發(fā)展方向。

20 世紀(jì)80 年代至90 年代，對(duì)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(jìn)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(dá)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(jìn)了人類對(duì)地球環(huán)境和氣候現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，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(duì)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(jìn)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(jì)國際遙感界的熱點(diǎn)。

除此之外，進(jìn)入21 世紀(jì)以來，全球高分辨率對(duì)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(dá)0.1米，雷達(dá)成像衛(wèi)星的分辨率達(dá)到0.3 米，美國、法國、俄羅斯、以色列、日本和印度等多個(gè)國家也都已擁有本國獨(dú)立研制的高分辨率對(duì)地觀測衛(wèi)星。

目前，全球共有220 余顆對(duì)地觀測衛(wèi)星在軌運(yùn)行，雷達(dá)成像衛(wèi)星正逐步成為各國競相發(fā)展的熱點(diǎn)。雷達(dá)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(shí)觀測能力，并能通過多頻、多極化、多入射角等手段提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力，可以彌補(bǔ)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(jì)劃為代表的天、空、地一體化的綜合對(duì)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(duì)地觀測系統(tǒng)，并提供運(yùn)營服務(wù)，實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用效益。

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

民用對(duì)地觀測衛(wèi)星方面，各國持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(duì)地觀測衛(wèi)星方面，更多的商業(yè)對(duì)地觀測小衛(wèi)星進(jìn)入部署階段，在軌星座規(guī)模和類型穩(wěn)定擴(kuò)大，重點(diǎn)發(fā)展高重訪頻次能力，兼顧1 米級(jí)高成像分辨率，光學(xué)成像、雷達(dá)成像、射頻測繪等均具備較大應(yīng)用潛力，對(duì)地觀測業(yè)務(wù)類型向多樣化拓展。

對(duì)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(xiàng)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(bào)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(bào)各種嚴(yán)重的自然災(zāi)害(如地震)和環(huán)境污染，拍攝各種目標(biāo)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(xiàng)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(jì)劃，實(shí)施多學(xué)科（大氣、海洋、陸面、生物、化學(xué)等）綜合研究，加深對(duì)地球系統(tǒng)變化理解。

組成EOS 的是多個(gè)國家的主動(dòng)空腔輻射計(jì)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(tái)上對(duì)太陽輻射、大氣、海洋和陸地進(jìn)行綜合觀測，獲取有關(guān)海洋、陸地、冰雪圈和太陽動(dòng)力系統(tǒng)等信息；進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)采集地球大氣、陸地、海洋等信息，幫助科學(xué)家認(rèn)識(shí)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(jī)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(gè)重要的對(duì)地觀測衛(wèi)星系列，涵蓋光學(xué)、雷達(dá)、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(shí)，法國、加拿大等也在開展本國對(duì)地觀測衛(wèi)星建設(shè)。

環(huán)境衛(wèi)星1 號(hào)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(dá)，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(hào)主要用于監(jiān)視環(huán)境，對(duì)地球表面和大氣層進(jìn)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(jì)劃是歐洲委員會(huì)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(duì)地觀測系統(tǒng)，由全球環(huán)境與安全監(jiān)測計(jì)劃(GMES)發(fā)展而來。哥白尼計(jì)劃通過對(duì)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(jìn)行協(xié)調(diào)管理和集成，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與安全的實(shí)時(shí)動(dòng)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(duì)自然災(zāi)害和人道主義危機(jī)等緊急狀況作出反應(yīng)。

哨兵系列衛(wèi)星構(gòu)成該計(jì)劃的空間段，是一個(gè)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(dá)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(shí)、全天候雷達(dá)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(bào)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(zhǔn)確、豐富、可靠、動(dòng)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(gè)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(gè)波段的6 米多光譜圖像,具備長條帶、大區(qū)域、多點(diǎn)目標(biāo)、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(qiáng)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(duì)地觀測衛(wèi)星作為優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目，分別在1995年11 月和2007 年12 月發(fā)射雷達(dá)衛(wèi)星-1、雷達(dá)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(dá)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(yùn)行，提供快速重訪和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，能夠滿足加拿大對(duì)海上、國土、北極等區(qū)域特有的監(jiān)視需求，極大增強(qiáng)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(duì)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(duì)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(bǔ)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(duì)地觀測衛(wèi)星，提供資源和環(huán)境監(jiān)測能力。

日本將對(duì)地觀測列為航天重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，形成用于陸地觀測、氣象、溫室氣體、全球變化觀測等多個(gè)主打衛(wèi)星系列，對(duì)地觀測能力較為先進(jìn)，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(jìn)陸地觀測-1 衛(wèi)星，搭載日本、美國、法國等提供的8 個(gè)載荷，可全面調(diào)查地球環(huán)境和氣象變化，發(fā)展先進(jìn)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(shí)，日本也在積極發(fā)展商業(yè)對(duì)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，搭載瑞典、捷克等8個(gè)國家開發(fā)的科學(xué)儀器，用于地球觀測實(shí)驗(yàn)和技術(shù)示范；日本初創(chuàng)企業(yè)Synspective 公司計(jì)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(shí)現(xiàn)全球覆蓋的合成孔徑雷達(dá)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(gè)波段）的對(duì)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(jì)劃，由國家自然資源管理系統(tǒng)規(guī)劃委員會(huì)進(jìn)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(dá)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(duì)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(zhǔn)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(dá)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(hào)，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(dá)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(duì)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(jí)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(jìn)一步提升，觀測譜段不斷拓展，空間分辨率、時(shí)間分辨率、光譜分辨率和觀測帶寬進(jìn)一步提高，形成多種傳感器綜合集成的對(duì)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(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性、可用性。

與此同時(shí)，商業(yè)小衛(wèi)星星座進(jìn)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(bǔ)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(hào)

隨著航天技術(shù)的擴(kuò)散，更多國家具備衛(wèi)星研制能力，開始發(fā)展自己的對(duì)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(jìn)行礦物、水和其他資源評(píng)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(duì)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(dòng)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(dòng)多個(gè)環(huán)境監(jiān)測立方星任務(wù)。美國宇航局啟動(dòng)“機(jī)會(huì)信號(hào)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(hù)基金會(huì)發(fā)展甲烷監(jiān)測立方星，對(duì)來自50 個(gè)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(jìn)行監(jiān)測；美國宇航局還計(jì)劃建造地球靜止沿海成像和監(jiān)測輻射計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然和人為的沿海水域?yàn)?zāi)害進(jìn)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(hù)、資源管理、抗災(zāi)減災(zāi)等方面提供有力支撐。