空间

半个世纪'imagerie spatiale

在短短50多年的时间里,空间图像彻底改变了我们对地球的表示方式。它的工具提供了许多有用的信息,可以应对当今时代的重大科学和社会经济挑战。

和西蒙·海(Simon Hay) 科学N°383
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1957年10月4日,苏联发射了第一颗人造卫星Sputnik 1,预示着太空遥感的时代。从那时起,这项技术已经从通常与军事目标相关联的低分辨率图像的手工制作发展到本质上是出于科学目的每天获取超过10,000 GB的信息以供普通大众使用。

目前有150多颗地球观测卫星在轨道上运行,这些卫星配备了可测量电磁频谱不同区域的传感器。大多数佩戴“被动”传感器,它们检测反射的太阳辐射(波长为微米级)或地球表面或云发射的热能(波长为8在约14微米)。更现代的卫星也采用“主动”传感器:它们以微波的形式(从3毫米到30厘米的波长)发射能量,并记录地面反射(向后散射)的响应。

卫星上的仪器由四个特性定义,这些特性根据所寻求的目标而变化:空间分辨率(可观察物体的最小尺寸);光谱灵敏度(可检测波长范围);辐射分辨率(用于量化收集的数据的数值精度);和时间分辨率(两个图像之间的时间间隔)。此外,收集数据的光谱区域的数量,卫星从空间的给定点观察地球相同区域所需的时间段是其他变化的特性。从一颗卫星传到另一颗卫星,或从一个探测器传到另一颗。除此之外,卫星的轨道遵循被太阳照射的地球区域(太阳同步卫星)或保持在地球上的固定点之上(对地静止卫星)。

1946年,使用V2火箭运载的相机,从太空拍摄了地球的第一张图像。但是,太空遥感时代始于1957年的人造卫星1。这颗卫星每96分钟绕地球一周,并发射无线电信号。人造卫星2号于一个月后(1957年11月)紧随其后,随后是1958年1月的第一枚美国Explorer 1卫星和1958年3月的Vanguard 1。 。他对高层大气进行了首次密度测量。

它的继任者Vanguard 2是第一个专门设计用于地球观测的卫星。但是由于技术问题,它只收集了最初研究的云覆盖数据的一小部分。 1960年,它被tiros-1(电视红外观测卫星)取代,后者产生了第一张太空天气图像。

tiros-1的成功为众多气象卫星铺平了道路,同时也为开发专门用于观测地球土壤的设备提供了跳板。美国海洋和大气管理局(NOAA)系列卫星是提洛卫星的继任者。他们携带了先进的超高分辨率辐射计(avhrr,先进的超高分辨率辐射计),它在从可见光到红外的五个光谱带中测量了地球的反射率,也就是说,反射入射能量(即该表面上反射辐射强度与入射辐射强度之比)。尽管是为气象而设计的,但该探测器已被证明对于观测海洋和大陆非常有效。

制图革命

1960年代和1970年代的主要发展之一是使用所谓的多光谱探测器,这是通过对在红外和微波范围内观察地球表面的军事卫星进行解密来实现的,即,也就是说提供这些数据。在美国国家航空航天局(美国航天局)和美国科学院进行了开创性研究之后,美国国家航空航天局评估了监测森林对林业和农民的有用性,美国国家航空航天局发射了Landsat 1 1972年开始监视陆地表面。它的图像以四个光谱带(0.5到1.1微米)和足以满足许多应用(例如土地覆盖和土地利用评估)的空间分辨率扫描了地球。

Landsat 1引发了一系列“增强”的Landsat任务,从而导致在1999年启动了Landsat 7的增强的专题制图设备etm +(增强的专题制图器增强版)。始终处于活动状态,可以在可见和近红外的八个光谱带中收集数据,空间分辨率约为30米。

Landsat任务被用作随后几十年的地球观测卫星的模型,例如法国的点,法国国家空间研究中心的观测卫星(国家空间研究中心)和新的探测器,例如美国国家航空航天局的aster辐射计。从1964年开始的Nimbus系列卫星也是一个重要的里程碑,其传感器能够跟踪海洋生物过程,大气成分和极地冰地形。

卫星技术在1980年代取得了长足的进步,特别是由于在许多光谱带上运行的所谓的高光谱探测器,结合了多个视角的多角度光谱仪和雷达。

自20世纪初以来,有源微波系统已用于跟踪物体的运动。但是仅仅二十年来,卫星探测器产生了活跃的微波图像,发送了雷达脉冲并测量了它们的反射率。

孔径雷达或合成天线(sar,合成孔径雷达或合成孔径雷达)是此技术的一种变体。它以非常窄的光束发射脉冲,它测量了目标反射回波的发射和接收之间的时间,并且能够在没有光的情况下通过云层观测地球表面。它的天线相对较小,可以在多个位置发送和接收信号。通过组合它们,您可以获得与更大的雷达天线相同的信息。

卫星雷达的应用已经相当多样化。这些探测器现在包括足够灵敏的高度计,可以以几毫米的精度测量海洋高度;以及散射仪-可以检测出发射波的后向散射部分-可以测量表面的粗糙度并给出微形貌图像。极化成像系统(用于测量反射辐射的偏振分量的相对强度)和干涉成像仪(用于利用不同波长的叠加)用于跟踪微小的地面运动。此外,方法的改进和军事卫星的渐进式解密为地球提供了非常高的空间分辨率的图像:我们现在可以区分60厘米的物体。

多探测器平台

最新推出的太空遥感仪器是激光。它主要用于地形图和冰川图,但也用于测量大气性质并通过荧光观察地球表面。植物中的叶绿素等物质在某些波长下会自然发出荧光,这使得可以计算给定区域的植物质量,例如海洋中藻华的质量。荧光对于研究大气也很有用。由美国国家航空航天局(NASA)和法国国家空间研究中心(CNES)合作产生的卡利普索(Calipso)卫星使用激光雷达(激光雷达),该激光雷达发出激光脉冲并分析反射光。这项技术可提供有关云层高度及其所含气溶胶特性的信息。例如,在2006年,Calipso探测到了西印度群岛Soufrière火山中的大量二氧化硫羽,而其他大多数探测器都看不到。

自1990年代初以来,卫星的设计和运行出现了两种不同的趋势。一方面,主要的太空组织,尤其是美国国家航空航天局和欧洲航天局(ESA),已将其地球观测资源集中在大型多探测器平台的设计和发射上。每个检测器均设计为监视“地球系统”的特定方面。因此,由美国国家航空航天局(NASA)于1999年12月和2002年5月发射的Terra和Aqua是构成美国机构地球观测系统(eos)的一系列多仪器卫星中的第一颗。美国未来的极轨环境卫星系统(国家极地轨道环境卫星系统,npoess)正在筹备中,代表了下一代卫星,计划于2013年发射该卫星。 esa于2002年3月发射,具有十种不同的探测器;它是双层巴士的大小,是有史以来最大的对地观测卫星。

卫星领域的另一个近期趋势是设计较小的国家卫星。 20多个国家正在开发或运行通常以Landsat模型为基础设计的遥感卫星。随着仪器和发射成本的大幅下降,印度,巴西和尼日利亚等国家已经发射了自己的观测卫星。这些新卫星中有许多是由商业运营商开发和发射的,它们提供按需计费的图像,按单位计费。

从1960年代由卫星获取的第一张原始地球地图,到今天在网上发现的令人难以置信的地球三维视图,卫星图像已彻底改变了制图学。它不再局限于政治边界和地形。利用可见光谱之外的电磁波,卫星为我们提供了第一份大规模的天气形成,植被状况,空气污染物,土壤和岩石水分,分布的大规模地图物种(从采采蝇到大象)或与传染病相关的风险(从埃博拉病毒到疟疾)。

数字数据处理的引入使得可以在单个视图中可视化较大的区域,并将可见光图像与其他类型的图像(例如雷达)结合在一起。此外,尽管空间影像尚未达到航空照片的毫米精度,但它更易于更新和完善。

全球规模的生态

因此,由于卫星观测而产生的一些第一批科学进展是在地质和环境领域取得的,这不足为奇。这些新数据使寻找矿物或化石能源矿藏,废物处理以及构造过程建模成为了现实。例如,我们可以确定受污染的场所或废物的非法掩埋场,或可以使残留物渗透到地下水位的断层。

此外,多光谱测量大大改善了对土地利用的评估。实际上,可以将光谱不同区域中的反射率组合起来以构建指数,例如归一化植被指数(ndvi)。健康的植被吸收光谱红色部分的光,但反射近红外线的辐射。因此,不同类型的表面具有特征性的反射特征,可用于精确和自动的贴图。

NOAA卫星以及最近的欧洲气象卫星开发组织(eumetsat)的Metop卫星上的avhrr辐射计为我们的星球动力学提供了独到的见解。他们每周获取的多光谱图像为整个大陆的土地利用,生物量和初级生产的动态提供了第一印象。长期的分析,加上对电磁能的反射率与生态特征之间关系的更好理解,使得在全球范围内进行生态研究成为可能。

这些结果除其他外,首次使量化厄尔尼诺南方涛动现象对非洲农作物和牲畜的影响成为可能。此外,所谓的北部绿化现象以新的方式出现:人们认为,由于生长期的延长,北部高纬度地区的植物生产力正在增加。实际上,苔原地区的绿化持续良好,但北方森林的绿化却在减少,因为大陆上遍布着大量不利于森林的炎热干燥的空气。

海洋学的应用

卫星更新的另一个应用是海洋学研究。研究人员现在可以获取和分析有关海洋表面温度,表面风速和方向,波浪高度,浮游植物和悬浮沉积物浓度,波浪分布的全球数据集甚至与潮汐和洋流有关的海面高度变化。

最早的一些进展来自1978年发射的Nimbus-7卫星及其czcs(沿海地带彩色扫描仪)传感器,该传感器能够确定沿海地区海洋的颜色和温度。他是第一个收集有关海洋生物过程的大规模数据的人。随后,SeaStar卫星的海景宽视野传感器(SeaWiFS)对与厄尔尼诺现象有关的过程和海洋污染提供了前所未有的测量结果。农业起源。

海洋浮游植物约占主要生物量产量的一半,是全球碳循环的重要组成部分。卫星对叶绿素分布的测量导致对海洋初级生产的首次大规模估计,并发现了其与气候的紧密联系。

由于它们可以检测到海洋高度的重力起源变化,因此卫星高度计也使获得全球制图和更好地理解各种现象成为可能。海床的地形,潮汐能消散和海平面上升的研究以及2004年12月海啸的详细特征都受益匪浅。

仅出于监测地球大气层的目的,已经发射了一百多颗卫星。一半用于促进天气预报,而其余用于研究。借助微波和红外探测器,即使在无云的情况下也可以正常工作,因此短期天气预报的科学得到了发展。目前,它们可用于绘制大气温度,水蒸气分布,海洋表面压力和降水的剖面图。例如,美国太空总署和日本航空航天局于1997年发射了trmm(热带雨量测量任务)卫星,以监测热带降水。它的各种微波探测器,例如通过量化空气污染对降水的抑制作用,有助于更好地了解热带地区的降水状况。与最初为研究目的而发射的许多卫星一样,trmm的成功使它的任务远远超出了其预期寿​​命。

对与大气相互作用的电磁波的扩散,发射,折射和吸收过程的研究是一门复杂的科学,但是对地观测卫星已经取得了进展。例如,使用Nimbus 7卫星的光谱仪对北极和南极的臭氧“洞”进行了首次全球测量和制图,该光谱仪测量了反向散射的紫外线太阳辐射。该检测器已被用于量化与空气污染有关的地面臭氧的总体水平,而其他检测器已提供了烟雾,灰尘和一氧化二氮浓度的地图。

更重要的是,描述气候变化的模型在很大程度上取决于卫星观测。数据输入模型,确认或与模型的预测相矛盾,或突出显示模型的弱点。

追踪极地冰的演变

海冰的程度及其运动是气候变化的关键指标,并且是确定运输路线和天气预报的重要数据。遥感在研究北极和南极方面无可比拟,并且不会干扰这些脆弱的环境。但是,由于许多卫星的轨道倾斜,它们的探测器无法覆盖大于80度的纬度区域。另外,在任何时候,至少50%的极地地区都被云层覆盖。在冬季,它们会长时间处于黑暗状态,这限制了在可见光和红外线中使用探测器。这些困难导致改为使用微波检测器。

自1972年以来,几台无源微波辐射计已连续记录了极性环境,并不断提高了空间分辨率。同时,合成孔径雷达的数据使人们有可能区分季节性冰层和持久冰层,并监测南极半岛和格陵兰海岸的冰层退化。

气候变化的另一个重要指标是冰的厚度。尽管它的测量很困难,但是可以将来自雷达高度计和红外辐射计的数据有效地合并到模型中,尤其是在可以进行其他野外测量以对其进行校准时。

近年来,与城市规划和社会问题有关的研究领域又从空间图像中受益:洪水风险建模,沉降检测,交通管理,考古调查,地雷检测。杀伤人员等Landsat档案已有35年的历史,可为土地用途规划和城市扩展建模提供有用的数据;城市化区域的夜间成像有助于建立人口统计数据库,例如,该数据库可用于评估疾病的发病率。

气候数据(温度,降雨量,植被)已开始用于管理贫困地区的粮食安全,以改善对资源的获取并建立预警系统以预测歉收和流行病的影响。

免费访问太边际

此外,从大熊猫的栖息地到疟疾媒介蚊子的分布以及流行病的建模,卫星图像已成为生态学家和流行病学家的重要资产。

将来,预计卫星将提供分辨率小于50厘米的图像以及详细的夜间数据。预期改进的数据处理将有助于消除多云天气和夜间的数据丢失,并提供有用的多图像数据库来对各种环境和社会过程进行建模。最后,军事太空技术的解密可能会提供新的信息。

但是,令人遗憾的是,免费卫星数据仍然微不足道:许多卫星的数据仍然是秘密的,而且大多数运营商仍对图像收取高昂的价格。尽管有一些廉价甚至免费的卫星数据处理软件,但最复杂的程序仍需购买昂贵的许可证。对于低收入国家而言,培训费用仍然高昂。

另一个值得关注的领域是,由于计划资金的大幅度削减,尽管有潜力证明了卫星观测的前景仍然不确定。在地球大气层,海洋和陆地上发生前所未有的变化的时候,在这一领域的跨国合作比以往任何时候都更加必要。

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