观测卫星如何保护地球环境

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地球科学·信息技术

照片的意义不仅仅是“到此一游”。外太空卫星拍摄的照片能帮助人们监控地球及其资源，这些卫星配备了特殊的传感器，能捕捉到人类眼睛无法识别的光谱“颜色”。地球观测卫星在地球的高空轨道上运行，频繁地围绕地球飞行。这种俯视的“鸟瞰”视角和频繁的监测周期使它们成为监测自然灾害、气候变化和天气条件的重要工具。本文将简要介绍卫星如何观测地球，以及这种能力如何保护地球的宝贵自然资源。

观测卫星如何保护地球环境

Satellite Images: Selfies for Preserving Earth’s Environment

原作 | Graciela Metternicht, Bronwyn L. Teece

编译 | Winston

地球上的人口数量不断增长，这意味着对自然资源的更高需求，包括水、土地、矿物等。然而，这些资源终究是有限的[1]，为了保障更多人获得相同数量的资源，迅速、准确地绘制和监测地球资源越来越重要。各国政府和社区会在全球、国家和地方层面监测资源，从而知晓可用的自然资源的数量、健康状态以及变化情况。如果政府掌握了这些信息，它们就能限制一些资源的消耗，以避免过度使用。

以森林为例。多年以前，人们砍伐树木，作为燃料、用于家具和建筑的木材、建造铁路等。在18世纪、19世纪和20世纪90年代的大部分时间里，很少有人思考，地球上还剩多少森林资源（尤其是需要数百年才能生长的热带森林）来防范水土流失、承载鸟类和其它野生动物的家园。今天，人们的想法发生了变化——森林是地球之肺，各国政府和许多组织正保护树木、限制砍伐，并重新栽种。不过，要实现森林的保护，人们需要先知晓多年以来被砍伐树木的地点和数量，并确认现存的有价值、需要保护的树木等。这称为自然资源管理（natural resource management），而地球上空不同时间点拍摄的照片则可以提供树木砍伐的位置、时间和数量。

如果人们想知道资源的可利用程度和可开发速度，人们就需要频繁、一致、准确地获取地球大面积区域的信息，这样能更好地理解生物和环境的相互作用，可靠地监控和预测陆地、海岸和海洋的健康状况，知晓这些区域存在的物质或元素。幸运的是，相关的地球观测技术（Earth observation）正随着时间而逐渐完善[2]。

什么是地球观测？

世界上第一次成功的地球观测发生于1887年，那是人类首次用风筝拍摄地球的航空照片。后来在1907年，德国药剂师Neubronner曾创新地将相机安装在鸽子身上拍摄照片。随着时间推移，地球观测技术不断改进，人类掌握了发射搭载相机的卫星技术：这些卫星绕地球运行，持续拍摄地球的图像。在约2200颗绕地球轨道运行的人造卫星中，446颗执行地球观测任务，定期拍摄地球的图像。

借助这些卫星收集的数据，科学家们绘制出了许多自然现象的地图，如干旱、洪水、冰川融化等。这些信息有助于科学家们更好地了解地球自然资源的状况，还能协助科学家们发现人类活动对环境造成的破坏，包括砍伐森林、非法采矿或过度放牧等。

卫星能观测人类看不到的“色彩”

卫星图像也是照片，就跟人们在社交媒体上看到的那种一样。不过，卫星能同时捕捉到人眼看不见的光。

人类的眼睛只能看到特定波长的光，大部分可以由红、绿、蓝三色光组合而成；卫星能看到更多波长的光。这就好比便宜的收音机一般只能收听FM广播，而好收音机却能同时接收FM和AM广播一样。卫星上装有传感器，它们就像超级眼睛一样，能探测到我们肉眼无法看到的光波。科学家们将这些“看不见的光”的信息转换成图像，从而获得有关地球的各种信息。

有些卫星图像，类似于地图软件上的一个图层，由肉眼能识别的蓝色、绿色和红色组成；有些卫星则利用红外光来拍摄照片，这种光线对人眼是不可见的。实际上，虽然人们无法直接看到红外线，但它已经融入了日常生活中。比如，电视遥控器顶部的小玻璃窗就是通过红外线与电视进行通信的。

当你浏览社交媒体时，如果看到一张经过滤镜处理、色彩被增亮或改变的图片，你可能会觉得它很有艺术气息，或者觉得这不真实。同样地，当你看到卫星图像中有一片鲜红色的森林（图1），也可能会产生这样的想法——这一定是一张伪造的图像。但实际上，红色的森林和绿色的森林一样货真价实。这些卫星图像之所以看起来不真实，是因为使用了肉眼无法看见的光（如红外线）进行拍摄，这称为伪彩色图像（false-color image）。这是什么意思呢？



图1 - 2019年12月澳大利亚丛林大火期间的卫星图像。（A）此图像融合了红、绿、蓝三种波段的信息，展现了地面的自然色彩（图中可见丛林火灾产生的烟雾）。（B）在红外线视角下，火烧过的痕迹以黑色显著标出，而森林和草原地区则呈现出红褐色。

卫星如何产生图像？

卫星一般带有多个传感器，每个传感器都适用于探测特定的狭窄波长范围，比如只探测蓝光。由单一波长形成的图像会以不同的灰度呈现（图2）。如果地球上的某个物体能强烈反射或发出特定波长，卫星图像就会显示出亮点；反之，如果某些地方很少或几乎没有对应波长的光，那么卫星图像就会显示为深灰色甚至黑色。卫星上所有传感器收集的信息会存储在特殊格式的图像中，称为多光谱遥感数据（multi-spectral remote sensing data）（图2）。



图2 - (A) 一个结合了蓝、绿、红光的卫星多光谱图像。[(B), B1] 在这张由卫星的蓝色传感器拍摄的图片中，反射大量光线的地理结构以亮点的形式呈现。[(B), B2] 湖水几乎不反射光线，因此呈现为黑色。[(C), C1] 在这张由卫星的红外传感器拍摄的图片中，所有植被都反射了大量光线，形成了非常亮的点。[(C), C2] 湖水同样不反射红外光，因此也呈现为黑色。红色圆圈用于标示亮点。

举个例子。在人类眼中，健康的植物通常呈现出绿色，这是因为植物色素主要反射绿色光，同时吸收红光和蓝光[3]。但是，卫星上搭载的特殊传感器能够探测到红外光，而健康的植被会反射大量的、来自太阳的红外光[3]。因此，在遥感图像中，健康的植物就会呈现出红色。

与地球的距离很重要

卫星可以在距离地球的多个不同高度轨道上环绕地球运行，有些高达36000公里，有些则仅有800公里高。地球同步轨道卫星（geostationary satellites）运行在距离地球36000公里的高空，它们对天气预报工作有着重要作用。这类卫星只能监测地球的一个半球，大约每10分钟就能拍摄一次地球的照片。它们帮助科学家绘制云层和飓风的移动图像，甚至能够监测火山的活动情况！然而，由于其高度过高，它们提供的地球图像质量相对较低，就像是老电影中的画面一样。这些卫星能分辨的最小物体大小为500到1000米。

那些在较低轨道上环绕地球的卫星，能够利用人类可见的光以及不可见光的波长来拍摄照片。这些卫星能够观测到更小的物体，大小从0.5米到30米，相当于一辆小汽车到一块后院的大小。由于它们绕地球运行，它们每隔5天到16天就会对同一地点进行一次拍摄。如果使用多颗卫星联合起来协同工作，比如Planet Labs所做的那样，这个拍摄周期还可能进一步缩短。

保护地球资源

卫星就像是地球的守护者。通过卫星监测地球具有诸多优势，它们能覆盖广阔的区域，从整个美洲大陆到整个地球。借助卫星图像，人们可以系统且持续地监测地球资源。比如，全球森林观测（Global Forest Watch）就是利用卫星图像来监控亚马逊雨林和刚果盆地等地区的森林砍伐情况。

卫星观测提供了稳定可靠的数据，可在不同需求的众多用户之间共享。这些数据提供了许多必要的信息，来帮助人们识别问题、制定措施，帮助保护自然环境、规划灾后援助、监测和预测变化，从而保护地球上的宝贵资源。比如，去年冰川是否有所融化？野火带来了哪些损害？过去12个月里，有多少公顷的森林被砍伐？得益于数百颗围绕地球运行的监测卫星，人们得以知晓这些问题的答案，并了解土地、水资源和大气层的现状。卫星地球观测能对宝贵的自然资源进行持续监测，为人们提供了重要的信息，帮助人们在现在和未来更好地管理这个世界。

References /参考资料

[0] Metternicht G and Teece BL (2023) Satellite Images: Selfies for Preserving Earth’s Environment. Front. Young Minds. 11:886767. doi: 10.3389/frym.2022.886767 [licensed under CC-BY]

[1] Rockström, J., Steffen, W., Noone, K., Persson, Å., Chapin, F. S., Lambin, E. F., et al. 2009. A safe operating space for humanity. Nature 461:472–5. doi: 10.1038/461472a

[2] CRCSI. 2016. Earth Observation: Data, Processing and Applications. Volume 1A: Data—Basics and Acquisition. Melbourne, VIC: Australia and New Zealand CRC for Spatial Information.

[3] Huete, A. 2004. Remote Sensing for Environmental Monitoring. Environmental Monitoring and Characterization. Amsterdam: Elsevier. p. 183–206.

Contributors / 本文贡献



Graciela Metternicht

原作者

澳大利亚西悉尼大学环境地理学教授兼科学系主任，研究团队致力于地球观测和地理信息系统在环境管理（可持续土地管理、土地退化和土地覆盖物映射）和可持续发展方面的应用。

Bronwyn L. Teece

原作者

天体生物学家，对空间技术和在其它地方寻找生命如何帮助地球上的我们的交叉感兴趣。

@Winston

编译

科普爱好者,「