“衛(wèi)星遙感，是指從地面到空間各種對地球、天體觀測的綜合性技術(shù)系統(tǒng)的總稱。可從遙感技術(shù)平臺獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)、由遙感儀器以及信息接受、處理與分析。
作者：THOMAS |
編譯：唐詩 |
出新推出“產(chǎn)業(yè)洞察”欄目，聚焦各細分領(lǐng)域，解析各行業(yè)發(fā)展前沿等問題。本周推出衛(wèi)星遙感系列，本篇重點介紹使用衛(wèi)星的遙感，并解釋這些遙感衛(wèi)星的工作原理以及它們使用的不同類型的軌道，歡迎大家關(guān)注、閱讀分享。
遙感是通過測量一個區(qū)域在距離衛(wèi)星或飛機一定距離處的反射和發(fā)射輻射來檢測和監(jiān)測其物理特征的方法。遙感相機收集圖像，幫助研究人員“感知”地球的事物。
衛(wèi)星和飛機上的相機拍攝地球表面的大片區(qū)域的照片，這些照片比站在地面上時看到的要多得多。船上的聲納系統(tǒng)可用于制作海底圖像，而無需進入海底。衛(wèi)星相機可用于拍攝海洋溫度變化的照片。
地球遙感圖像的一個具體用途是從太空繪制大型森林火災的地圖。此外，遠程衛(wèi)星可以跟蹤云層以幫助預測天氣或觀察噴發(fā)的火山并幫助觀察沙塵暴。它們還用于監(jiān)測城市的發(fā)展以及幾年或幾十年內(nèi)農(nóng)田或森林的變化。
01
遙感衛(wèi)星如何工作？
遙感衛(wèi)星又稱對地觀測衛(wèi)星或地球遙感衛(wèi)星。它們被用作間諜衛(wèi)星或用于環(huán)境監(jiān)測、氣象學和制圖。最常見的類型是地球成像衛(wèi)星，它拍攝類似于航空照片的衛(wèi)星圖像。一些EO衛(wèi)星可以在不形成圖像的情況下完成遙感，例如在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)無線電掩星中。
1957年10月4日，隨著第一顆人造衛(wèi)星Sputnik 1的發(fā)射，遙感衛(wèi)星首次出現(xiàn)。它發(fā)回了科學家用來研究電離層的無線電信號。
美國宇航局于1958年1月31日發(fā)射了第一顆美國衛(wèi)星探索者1號。從輻射探測器發(fā)回的信息導致發(fā)現(xiàn)了地球的范艾倫輻射帶。
1960年4月1日，作為美國宇航局電視紅外觀測衛(wèi)星（TIROS）計劃的一部分，TIROS-1航天器發(fā)射回了從太空拍攝的第一段天氣模式的電視鏡頭。
大多數(shù)遙感衛(wèi)星攜帶的儀器應在相對較低的高度運行。通常避免低于500-600公里的高度，因為低空的顯著空氣阻力意味著它們必須更頻繁地重新提升軌道。
歐洲航天局的地球觀測衛(wèi)星ERS-1、ERS-2和Envisat以及歐洲氣象衛(wèi)星應用組織的MetOp航天器都在大約800公里處運行。歐洲航天局的Proba-1，Proba-2和SMOS航天器從大約700公里處觀察地球。阿聯(lián)酋的地球觀測衛(wèi)星迪拜衛(wèi)星-1和迪拜衛(wèi)星-2也被放置在低地球軌道上，并提供地球各個部分的衛(wèi)星圖像。
要獲得低軌道的全球覆蓋，它必須是極軌道，或者幾乎是極軌道。低軌道的軌道周期約為100分鐘。地球繞其極軸旋轉(zhuǎn)，在連續(xù)的軌道之間旋轉(zhuǎn)約25°，導致地面軌道以經(jīng)度25°向西移動。極地軌道上的大多數(shù)遙感衛(wèi)星都處于太陽同步軌道上。
衛(wèi)星上的傳感器或儀器使用太陽作為照明源或提供自己的照明源，測量反射的能量。由來自太陽的自然能量供電的傳感器是無源傳感器。那些提供自己能源的傳感器被稱為有源傳感器。
無源傳感器包括不同類型的輻射計，用于定量測量選定波段中的電磁輻射強度，以及光譜儀，后者是旨在檢測、測量和檢查反射電磁輻射光譜內(nèi)容的儀器。用于遙感的大多數(shù)無源系統(tǒng)在電磁頻譜的可見光、紅外、熱紅外和微波部分起作用。它們測量陸地和海洋表面溫度、植被特性、云和氣溶膠特性以及其他物理特性。
大多數(shù)無源傳感器無法穿透密集的云層，這意味著它們在熱帶等頻繁密集云層覆蓋的觀測區(qū)域受到限制。
有源傳感器包括不同類型的無線電探測和高度計、雷達傳感器和散射計。大多數(shù)有源傳感器在電磁波譜的微波波段工作，使它們能夠在大多數(shù)條件下穿透大氣。這些傳感器有助于測量氣溶膠、森林結(jié)構(gòu)、降水和風、海面地形和冰等的垂直剖面。
02
遙感衛(wèi)星使用什么軌道？
衛(wèi)星所在的軌道主要有三種類型：極地軌道、非極性低地球軌道和對地靜止軌道。
對地靜止軌道上的航天器
極軌衛(wèi)星位于與赤道平面傾斜近90度的軌道平面上。這種傾斜使衛(wèi)星能夠感知整個地球，包括極地地區(qū)，從而提供從地面難以到達的位置的觀測結(jié)果。許多極軌道衛(wèi)星也被認為是太陽同步的，這意味著衛(wèi)星每個周期在相同的太陽時間經(jīng)過同一個地方。
極地軌道可以是上升的，也可以是下降的。在上升軌道上，當衛(wèi)星的路徑穿過赤道時，衛(wèi)星會從南向北移動。在下降軌道上，衛(wèi)星從北向南移動。
非極地低地球軌道上的衛(wèi)星通常位于地球表面上方不到2000公里的高度。作為參考，國際空間站的軌道高度約為400公里。這些軌道沒有全球覆蓋，而是只覆蓋部分緯度范圍。
地球靜止衛(wèi)星跟隨地球的自轉(zhuǎn)并以相同的自轉(zhuǎn)速度移動。正因為如此，在地球上的觀察者看來，衛(wèi)星似乎固定在一個地方。因此，這些衛(wèi)星在每次觀測中捕獲相同的地球視圖，幾乎連續(xù)覆蓋一個區(qū)域。
03
數(shù)據(jù)處理、解釋和分析
從衛(wèi)星上的儀器獲取的遙感數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理，然后才能被大多數(shù)研究人員和應用科學用戶使用。
大多數(shù)原始的NASA地球觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)都是在NASA的科學調(diào)查員主導處理系統(tǒng)（SIPS）設施中處理的。NASA地球科學數(shù)據(jù)在特定學科的分布式活動存檔中心（DAAC）存檔，并且完全公開且不受數(shù)據(jù)用戶限制。
大多數(shù)數(shù)據(jù)以分層數(shù)據(jù)格式（HDF）或網(wǎng)絡通用數(shù)據(jù)格式?.NETCDF）格式存儲。許多數(shù)據(jù)工具可用于子集、轉(zhuǎn)換、可視化和導出為各種其他文件格式。
一旦數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，它們就可以用于各種應用，從農(nóng)業(yè)到水資源，再到健康和空氣質(zhì)量。單個傳感器無法解決給定應用中的所有研究問題。通常需要利用多個傳感器和數(shù)據(jù)產(chǎn)品來解決他們的問題，同時牢記不同光譜、空間和時間分辨率提供的數(shù)據(jù)的局限性。
創(chuàng)建衛(wèi)星影像
許多傳感器采集不同光譜波長的數(shù)據(jù)。例如，Landsat 8 上的 OLI 波段 1 采集 0.433-0.453 微米的數(shù)據(jù)，而 MODIS 波段 1 采集 0.620-0.670 微米的數(shù)據(jù)。OLI 共有 9 個波段，而 MODIS 有 36 個波段，它們都測量電磁頻譜的不同區(qū)域。可以組合波段以生成數(shù)據(jù)影像，以顯示地表中的不同要素。數(shù)據(jù)圖像通常用于區(qū)分正在研究區(qū)域的特征或確定研究區(qū)域。
真彩色圖像顯示了人眼看到的地球。對于 Landsat 8 OLI 真彩色（紅色、綠色、藍色 [RGB]）圖像，傳感器波段 4（紅色）、3（綠色）和 2（藍色）將組合在一起。
其他光譜波段組合可用于特定的科學應用，例如洪水監(jiān)測、城市化劃定和植被測繪。例如，使用 M11、I2 和 I1 波段創(chuàng)建假彩色可見紅外成像輻射計套件（VIIRS，在索米國家極軌伙伴關(guān)系 [Suomi NPP] 衛(wèi)星上）影像對于區(qū)分燒傷疤痕與低矮植被或裸露土壤以及暴露洪水區(qū)域非常有用。
圖像
火災疤痕在Landsat的波段7中反射強烈，該波段在短波紅外范圍內(nèi)獲取數(shù)據(jù)。
圖中不可見火災疤痕，這是標準的真彩色圖像。
火災疤痕在圖中以紅色清晰突出，這是假彩色紅外圖像。
圖像解釋
將數(shù)據(jù)處理為具有不同波段組合的影像后，這些影像有助于資源管理決策和災害評估。這需要對影像進行適當?shù)慕忉尅Ｓ袔追N入門策略：
了解比例 — 根據(jù)圖像的空間分辨率有不同的比例，每個比例都提供不同的重要性特征。例如，在跟蹤洪水時，詳細的高分辨率視圖將顯示哪些家庭和企業(yè)被水包圍。更寬的景觀視圖顯示了縣或大都市區(qū)的哪些部分被洪水淹沒，也許是水源。更廣闊的視野將顯示整個地區(qū)——洪水泛濫的河流系統(tǒng)或控制流量的山脈和山谷。半球視圖將顯示與洪水有關(guān)的天氣系統(tǒng)的運動。
尋找圖案、形狀和紋理 — 許多特征很容易根據(jù)其圖案或形狀進行識別。例如，農(nóng)業(yè)區(qū)通常是幾何形狀，通常是圓形或矩形。直線通常是人為創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)，如道路或運河。
定義顏色 — 使用顏色區(qū)分要素時，了解創(chuàng)建影像時使用的波段組合非常重要。真彩色或自然色圖像是使用波段組合創(chuàng)建的，這些波段組合復制了我們從太空向下看時用自己的眼睛看到的東西。水吸收光線，因此在真彩色圖像中通常顯示為黑色或藍色;從水面反射的陽光可能會使它看起來是灰色或銀色的。沉積物可以使水的顏色看起來更棕色，而藻類可以使水看起來更綠色。植被的顏色因季節(jié)而異：在春季和夏季，它通常是鮮艷的綠色;秋季可能有橙色、黃色和棕褐色;冬天可能會有更多的棕色。裸露的地面通常是一些棕色的陰影，盡管這取決于沉積物的礦物成分。由于廣泛使用混凝土，城市地區(qū)通常是灰色的。在真彩色圖像中，冰和雪是白色的，但云也是白色的。使用顏色來標識對象或要素時，還必須使用周圍要素將事物置于上下文中。
了解正在觀察的區(qū)域有助于識別這些特征。例如，了解某個區(qū)域最近被野火燒毀有助于確定植被在遙感影像中可能看起來不同的原因。
定量分析
使用影像分類算法可以更容易地區(qū)分不同的土地覆被類型。影像分類使用單個影像像素的光譜信息。使用圖像分類算法的程序可以自動將像素分組為所謂的無監(jiān)督分類。
用戶還可以指示已知土地覆被類型的區(qū)域，以“訓練”程序以分組像素;這稱為監(jiān)督分類。地圖或圖像也可以集成到地理信息系統(tǒng) （GIS） 中，然后將每個像素與其他 GIS 數(shù)據(jù)（如人口普查數(shù)據(jù)）進行比較。
衛(wèi)星還經(jīng)常攜帶各種傳感器，測量生物地球物理參數(shù)，如海面溫度、二氧化氮或其他大氣污染物、風、氣溶膠和生物量。這些參數(shù)可以通過統(tǒng)計和光譜分析技術(shù)進行評估。
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