空间

半个世纪D.'imagerie spatiale

在50多年来,空间成像让我们的地球的代表感到沮丧。其工具提供了众多有用的信息,以满足我们时代的主要科学和社会经济挑战。

和西蒙干草 用于科学N°383
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1957年10月4日,苏联第一次人造卫星苏联的推出斯图尼克1,宣布了空间遥感的时代。从那时起,这项技术从手工生产的低分辨率图像的生产增加,一般与军事目标,日常收购,基本上是科学的需求,超过10,000千兆字节的通用信息。

目前轨道上有超过150个地球观测卫星,配备了测量电磁谱不同区域的传感器。大多数携带“被动”传感器,其检测反射的太阳辐射(千分尺的波长)或地球表面或云的热能(波长为8约14微米)。更多现代卫星也使用“主动”传感器:它们以微波形式(波长为3毫米至30厘米)发出能量,并通过地面记录反射响应 - 反向弯曲。

嵌入在卫星中的仪器根据所寻求的目标:空间分​​辨率(可观察物体的最小尺寸)来定义四种可变特征;光谱灵敏度(可检测波长的范围);辐射分辨率(用于量化收集的数据的数字精度);和时间分辨率(两个图像之间的时间)。另外,收集数据的频谱区域的数量,卫星从给定的空间点观察相同的地区的时间段是其他变化的属性。从一个卫星到另一个卫星,或一个探测器到另一个卫星。这增加了卫星轨道遵循太阳(Helios同步卫星)照射的土壤区域或仍然高于地球(地球静止卫星)的土壤区域。

由于火箭v2携带的相机,在新墨西哥沙漠上方的1946年,拍摄了地球视图的第一个图像。然而,1957年,Sputnik 1的空间遥感时代开始于Sputnik 1。该卫星每96分钟并传输无线电信号进行地球之旅。 Sputnik 2在1957年11月的一个月后,他在1957年11月,1958年1月的第一个美国卫星探险家1,以及Vanguard 1,1958年3月。Vanguard 1仍然是地球周围轨道上最古老的卫星。他生产了高氛围的第一个密度测量。

他的继任者Vanguard 2是第一个明确设计用于观察地球的卫星。但由于技术问题,它只收集了最初在云盖上寻求的一小部分数据。它在1960年被Tiros-1(电视红外卫星观察)更换,它产生了第一空间天气图像。

Tiros-1的成功为多种气象卫星铺平了道路,同时用作专门用于土地依从性的设备的跳板。美国海洋和氛围(Noaa,国家海洋和大气管理)的卫星系列已成功了Tiros卫星。他们开始高分辨率高辐射计(AVHRR,先进的非常高分辨率辐射计),其中测量了五个光谱带,从而从可见的红外线,地球的反射率,也就是说其反映入射能量的能力(比率反射辐射的强度和该表面的入射辐射)。虽然设计用于气象学,但该探测器对观察海洋和大陆有效。

映射的革命

20世纪60年代和1970年代的关键发展之一是使用所谓的多光谱探测器,促进了在红外线和微波领域观察地球表面的军事卫星的解放,C'是提供这些数据。遵循先锋NASA研究(美国航天局)和美国科学院,评估了监测孤立造林系和农民土地的有用性,美国宇航局于1972年推出LANDSAT 1追踪新兴土地。它的图像在频谱的四条带中扫描了地球,以及许多应用的足够的空间分辨率,例如土地利用和土地使用的评估。

Landsat 1生下了一系列“加强”的Landsat任务,它导致了轨道,1999年,ETM +改进的主题映射装置(增强专题映射PARP PATEL)Landsat 7. ETM +设备,始终处于活动状态,可能会收集在八个光谱带中的数据,在可见和近红外,空间分辨率约为30米。

Landsat任务担任以下地球观测卫星的模型,如法国现场,卫星接地的CNES(空间研究中心)和新的探测器,如美国宇航局艾斯特辐射计。从1964年,尼布斯卫星系列也是一个重要的里程碑,感谢能够追随海洋生物过程,大气组成和极性冰的地形。

卫星技术在20世纪80年代提高,特别是由于所谓的高光谱探测器在许多光谱带上运行,多角度光谱仪结合多个镜头和雷达。

自二十世纪初以来,活跃的微波系统已被用来追随物体的运动。但这只是二十年来,卫星探测器产生有源微波图像,发送雷达脉冲并测量它们的反射率。

开口雷达或合成天线(SAR,合成孔径雷达或打开合成雷达)是该技术的变体。发射脉冲根据非常窄的光束,它测量由目标反射的回波的发射和接收之间的发射和接收之间的时间,并且能够通过云盖和没有光线观察地球的表面。它的天线,相对较小,发出和捕获多个位置的信号;通过组合它们,我们获得与提供相同的信息,因为这将提供更大的雷达天线。

卫星雷达的应用有很多多样化。探测器现在包括足够敏感的高度计,以测量海洋的高度,精度为几毫米,漫射计 - 这检测了透射波的后散射部分 - 用于测量表面的粗糙度并提供微复印件的图像。偏振成像系统,其测量反射辐射的偏振分量的相对强度,以及利用不同波长的覆盖层的干涉测量器,用于追踪微小的接地运动。此外,改善了军事卫星的方法和渐进式解放,以非常高的空间分辨率为地球提供的陈词滥调:我们现在可以区分60厘米的物体。

多型平台

最近引入的空间遥感仪器是激光器。它主要用于地形和冰川映射,但它还用于测量大气性质并观察荧光陆地表面。诸如植物叶绿素的物质在某些波长下自然荧光,这使得可以计算给定区域的植物质量,例如海洋中的藻类血糖。荧光也可用于研究大气。由NASA和CNES的合作产生的Calipso卫星使用LIDAR,遥感仪器发射激光脉冲并分析反射光。该技术通知云的海拔高度以及它们包含的气溶胶的属性。例如,在2006年,Calipso从西印度群岛的Soufrière火山检测到大型二氧化硫羽毛,大多数其他探测器没有区分。

自20世纪90年代初以来,两种不同趋势在卫星的设计和运营中成长。一方面,包括美国宇航局和欧洲航天局(ESA)在内的大型空间组织将他们的地球观测资源集中在大型多婚平台的设计和推出;每个检测器旨在监测“地球系统”的特定方面。因此,1999年12月和美国宇航局于2002年12月推出的Terra和Aqua是形成美国机构地球观测系统(EOS)的一系列多乐器卫星的第一个。未来美国波兰轨道环境卫星(NPoess,国家极地轨道环境卫星系统)正在制备下代,代表了下一代卫星,其推出计划于2013年。和ESA的环境卫星,启动的环境卫星2002年3月,有十个不同的探测器;从帝国公交车的大小,它是有史以来最大的地球观测卫星。

卫星领域的其他近期趋势是设计较小的国家卫星。超过20个国家开发或利用遥感卫星,通常在Landsat模型上设计。仪器和发射的成本,印度,巴西和尼日利亚等国家推出了自己的观察卫星。这些新卫星中的许多都是由商业运营商开发和推出的,该商业运营商提供了按需图像,发出的统一。

自第20世纪60年代的卫星获得的第一个基本的地面卡以来,达到了今天在网上发现的土地的令人难以置信的三维视图,卫星成像已经镦锻了映射。它不再局限于政治边界和地形。使用电磁波出来的可见光谱,卫星向我们提供了第一张大规模的气象形成卡,植被,空气污染物,土壤水分和岩石,分布物种(Tsetse在大象苍蝇)或与传染性相关的风险疾病(患有疟疾发烧的埃博拉)。

数字数据处理的引入在单个视图上观看了更广泛的区域,并将可见光图像与其他类型的成像(例如雷达)组合。此外,即使它尚未达到航空照片的毫米精度,空间成像也更容易更新和更新。

全球生态学

它几乎不令人惊讶的是,在地质和环境领域进行了由于卫星观测引起的一些科学进步。搜索矿物或化石能量沉积,废物处理和建模构造过程从这些新数据中受益。例如,受污染的地形或非法垃圾填埋场,或者残留物可以渗透到地下水的故障。

此外,多光谱措施显着改善了对土壤占用的评估。实际上,频谱的不同区域的反射可以组合以构建线索,例如标准植被指数(NDVI)。健康的植被在光谱的红色部分吸收光线,但反映了近红外线的辐射。因此,不同类型的表面是反射率的特征,可利用准确和自动映射。

嵌入Noaa Satellites的AVHRR辐射仪,最近在欧洲气象卫星操作的欧洲组织的Metop卫星(Eumetsat)上的卫星,在我们的行星动态上带来了原创照明。他们的每周获得的多光谱成像提供了通过全洲的土地利用,生物量和初级生产动态的第一个观点。长期分析,与更好地了解电磁能源和生态特征的反射率与生态特征之间的关系,对全球规模进行了生态研究。

其中,除了其他结果之外,第一次允许量化ElNiñoSouthernoScilization现象对非洲收获和牲畜的影响。此外,叫做北方的现象出现在一个新的光明中:它被认为是由于生长季节的延伸,北纬度地区的植物生产率正在增加。实际上,绿化在苔原地区继续持续,但北方森林正在下降,因为大陆克服了炎热和干燥的空气群众,这是不利的森林。

海洋学应用

卫星续订的另一个申请是海洋学研究。研究人员现在可以获得并分析海洋表面温度的全球数据集,表面风的速度和方向,膨胀的高度,浮游植物的浓度和悬浮沉积物,波浪的分布或高度变化与潮汐和电流相关的海洋表面。

其中一些进展来自于1978年推出的Nimbus-7卫星,其CZCS(沿海彩色扫描仪)传感器,能够确定沿海地区的颜色和海洋温度。这是第一个收集关于海洋生物过程的大规模数据。随后,Seawifs传感器(海面观看宽阔的视野传感器,海观察场探测器)卫星seastar提供了未发表的elNiño过程和污染D农业来源的措施。

海洋浮游植物负责大约一半的主要生物质生产,代表了全球碳循环的关键组分。叶绿素分布的卫星措施导致了主要海洋生产的第一个大规模估计和与气候的密切联系发现。

因为它们检测到海洋高度的引力起源的变化,所以卫星高度计也提供了全球映射并更好地理解各种现象。海洋资金的地形,研究了潮汐能量的耗散和海上海拔的升高,以及2004年12月的详细表征海啸受益。

已经启动了一百多颗卫星,以便监测地球大气层的唯一目的。一半旨在养活天气预报,而其他人则致力于研究。由于微波和红外探测器,短期天气预报的科学已经取得了进展,这甚至通过云覆盖和无光的方式工作。他们目前可以用于映射大气温度型材,水蒸气分布,海洋表面的压力和沉淀。因此,TRMM(热带降雨测量使命)卫星于1997年由美国宇航局和日本航空航天勘探机构推出,以遵循热带降雨。其各种微波探测器已经帮助更好地了解热带地区的降水制度,例如通过量化空气污染对降水的抑制作用。与许多卫星最初为研究需求推出时,TRMM的成功已赢得了它的使命,这些使命更加超越预期的生活。

与大气相互作用的电磁波的扩散,排放,折射和吸收过程的研究是一种复杂的科学,但地球观察卫星导致进展。例如,北极卫星光谱仪进行北极和南极洲的臭氧层的“孔”的第一步和全球地图,该卫星光谱仪测量紫外线太阳辐射反向。这种相同的检测器用于量化与空气污染有关的对流层臭氧的整体水平,而其他探测器提供了烟雾,灰尘和氮氧化物的图。

更重要的是,描述气候变化的模型取决于卫星观察的许多。数据馈送模型,确认或与他们的预测相矛盾,或突出其弱点。

沿着极地冰的演变

海洋冰的程度及其运动是气候变化的关键指标,并代表了确定海事行程和天气预报的重要数据。遥感对北极和南极研究没有等同于此,它不会破坏这些脆弱的环境。然而,由于许多卫星的轨道倾向,它们的探测器不会覆盖超过80度的纬度区域。另外,随时,至少50%的极地区域覆盖着云。在冬季,他们受到长期黑暗的时期,这限制了在可见和红外线中的探测器的使用。这些困难导致使用,而不是微波探测器。

几种被动微波辐射仪已经提供了自1972年以来的极媒体的连续注册,不断提高的空间分辨率。与此同时,开业合成雷达数据具有卓越的季节性和持久性冰,并遵循南极半岛和格陵兰岛海岸的冰的退化。

冰的厚度代表了气候变化的另一个重要指标。尽管其测量难以困难,但是雷达高度计数据和红外辐射仪可以用模型进行有用集成,特别是当互补场测量可用于校准它们时。

近年来,规划研究和社会问题的领域从空间成像中受益:洪水风险建模,层压检测,交通管理,考古学调查,矿山检测止汗等35年的Landsat档案为城市扩张的空间规划和建模提供了有用的数据;城市化区域的夜幕成像促进了开采人口数据库的建设,以评估疾病的影响。

气候数据(温度,降水,植被)开始被剥削贫困地区粮食安全管理,以改善资源的获取,并设立预警系统,以预测坏收获和流行病的影响。

自由访问过于边缘

另一方面,从可用于巨型熊猫的栖息地到疟疾疟疾的分布和流行病的建模,卫星成像已成为生态学家的重要资产,如流行病学家。

在未来,卫星应提供少于50厘米的分辨率的图像,以及详细的夜间数据。改进的数据处理应该有助于消除数据丢失过度和夜晚,并提供有用的多图像数据库来模拟各种环境和社交流程。最后,军事空间技术的解放可能会带来新信息。

但是,它可以令人遗憾的是,免费卫星数据仍然是边缘:许多卫星的遗留秘密,大多数运营商仍然支付图像。尽管有一些便宜甚至免费的卫星数据处理软件,但最先进的程序可能会购买昂贵的许可证。低收入国家仍然对培训成本持平。

另一个问题,卫星观察仍然是未来不确定的一个地区,尽管其潜力的潜力,因为方案融资的黑暗削减。在地球氛围中出现前所未有的变化的时候,在海洋和新兴的土地上,这一领域的跨国合作比以往任何时候都更多。

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