衛(wèi)星影像的繁榮

環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星每天都會(huì)拍攝數(shù)萬億像素的高分辨率地表圖像。過去，這類信息主要提供給政府或軍隊(duì)的專家。但如今，幾乎任何人都可以使用它。

這是因?yàn)閷⒂行лd荷（包括成像衛(wèi)星）送入軌道的成本已大幅下降。高分辨率衛(wèi)星影像過去的價(jià)格是數(shù)萬美元，而現(xiàn)在的價(jià)格只相當(dāng)于一杯咖啡。

此外，隨著人工智能不斷取得進(jìn)展，企業(yè)可以更輕松地從龐大的數(shù)據(jù)集中提取所需信息，包括由衛(wèi)星影像組成的數(shù)據(jù)集。利用這些圖像動(dòng)態(tài)地做出商業(yè)決策，這可能看起來像科幻小說一樣，但它已經(jīng)在一些行業(yè)實(shí)現(xiàn)了。

下面將簡(jiǎn)要概述我們?nèi)绾潍@取這類信息并從中受益。但在有效地做到這一點(diǎn)之前，我們需要首先了解現(xiàn)代衛(wèi)星影像的工作原理。

地球觀測(cè)衛(wèi)星的軌道通常分為兩類：地球靜止軌道（GEO）和近地軌道（LEO）。GEO衛(wèi)星位于赤道上方約3.6萬公里處，與地球自轉(zhuǎn)同步。從地面上看，這些衛(wèi)星似乎是靜止的，因?yàn)樗鼈兊姆轿缓透叨缺３窒鄬?duì)不變。

當(dāng)然，這樣的軌道對(duì)于通信中繼來說是很有利的，它使人們能夠在家里的固定方向上安裝衛(wèi)星電視接收器。除此以外，GEO衛(wèi)星也合適長(zhǎng)時(shí)間拍攝圖像來監(jiān)測(cè)地球某個(gè)區(qū)域。不過，由于GEO衛(wèi)星離地面很遠(yuǎn)，所以影像分辨率相當(dāng)粗糙。因此，這些軌道主要用于跟蹤廣闊區(qū)域天氣變化的觀測(cè)衛(wèi)星。

相對(duì)于地球靜止，意味著GEO衛(wèi)星總是在下行鏈路站的范圍內(nèi)，因此它們可以在幾分鐘內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)回地球，從而可以近實(shí)時(shí)地提醒人們天氣形勢(shì)的變化。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局可免費(fèi)提供大多數(shù)這類數(shù)據(jù)。

LEO衛(wèi)星離地面很近，因此可以獲得較高分辨率的圖像。飛行高度越低，得到的分辨率越高。例如，Planet公司通過將其衛(wèi)星的軌道從500公里降低到450公里，同時(shí)改進(jìn)圖像處理技術(shù)，最近將衛(wèi)星星座SkySat的分辨率從每像素72厘米提高到了50厘米，這是一個(gè)難以置信的進(jìn)步。

最佳的商用光學(xué)影像的空間分辨率為25厘米，這意味著一個(gè)像素代表地面上25厘米×25厘米的區(qū)域，大致相當(dāng)于筆記本電腦的大小。少數(shù)幾家公司采集數(shù)據(jù)的分辨率為25厘米到1米，業(yè)內(nèi)認(rèn)為這是高分辨率到甚高分辨率的范圍。有些公司提供的數(shù)據(jù)分辨率為1米到5米，這是中分辨率到高分辨率的范圍。最后，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）/美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的地球資源衛(wèi)星Landsat、NASA中分辨率成像光譜儀（MODIS）和歐洲航天局的哥白尼衛(wèi)星系統(tǒng)等政府項(xiàng)目通過數(shù)據(jù)開放項(xiàng)目免費(fèi)提供的光學(xué)數(shù)據(jù)的分辨率為10米、15米、30米和250米，這屬于低分辨率范疇。

因?yàn)樘峁┳罡叻直媛蕡D像的衛(wèi)星軌道最低，所以它們一次觀察的區(qū)域更少。為了覆蓋整個(gè)地球，可以將衛(wèi)星放置在極地軌道上，從一個(gè)極點(diǎn)運(yùn)行到另一個(gè)極點(diǎn)。當(dāng)它移動(dòng)時(shí)，地球在它下面旋轉(zhuǎn)，所以當(dāng)繞地球下一圈時(shí)，它將位于地球另一區(qū)域的上空。

然而，許多衛(wèi)星并不直接經(jīng)過兩極。而是被放置在一個(gè)近極地軌道上，這個(gè)特殊的設(shè)計(jì)專門利用了一些微妙的物理原理。你看，旋轉(zhuǎn)的地球在赤道處略微向外膨脹。這種額外的質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致不在極地軌道上的衛(wèi)星的軌道發(fā)生移動(dòng)或（從技術(shù)上說）進(jìn)動(dòng)。衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商經(jīng)常利用這種現(xiàn)象，將衛(wèi)星放置在所謂的“太陽同步軌道”上。這種軌道使衛(wèi)星可以在每天同一時(shí)間重復(fù)經(jīng)過某一地點(diǎn)。兩次運(yùn)行之間的陰影模式不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，這有助于使用這些圖像的用戶檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)變化。

極地軌道上的衛(wèi)星探測(cè)整個(gè)地球表面通常需要24小時(shí)。為了更頻繁地拍攝全世界的圖像，衛(wèi)星公司會(huì)使用多顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星配備相同的傳感器，沿不同的軌道運(yùn)行。通過這種方式，這些公司可以更頻繁地提供某一位置的更新圖像。例如，Maxar公司2021年****的世界觀察軍團(tuán)（Worldview Legion）星座就包括6顆衛(wèi)星。

衛(wèi)星捕捉一定數(shù)量的圖像后，所有數(shù)據(jù)均需發(fā)送到地球進(jìn)行處理。這個(gè)過程需要的時(shí)間各不相同。

DigitalGlobe公司（2017年被Maxar公司收購）最近宣布，它成功在不到1分鐘的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)從衛(wèi)星發(fā)送到地面站，并存儲(chǔ)在云上。這是可能的，因?yàn)榘l(fā)回的圖像是地面站停車場(chǎng)的圖像，所以衛(wèi)星不需要在數(shù)據(jù)收集點(diǎn)和數(shù)據(jù)“傾卸”點(diǎn)之間移動(dòng)。

一般來說，近地軌道的地球觀測(cè)衛(wèi)星不會(huì)一直拍攝圖像，只有當(dāng)它們位于特別受關(guān)注的區(qū)域上方時(shí)才會(huì)這樣做。這些衛(wèi)星一次能發(fā)送的數(shù)據(jù)量是有限的。通常情況下，它們?cè)陔x開地面站的范圍之前只能傳輸10分鐘左右的數(shù)據(jù)。它們記錄的數(shù)據(jù)不能超過它們?cè)谟邢迺r(shí)間內(nèi)傾卸的數(shù)據(jù)量。

目前，地面站大多位于極地附近，這是極地軌道上訪問最頻繁的區(qū)域。但我們很快就能期待縮短與最近的地面站之間的距離，因?yàn)閬嗰R遜和微軟都宣布計(jì)劃在全球建立大型地面站網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)證明，托管每天收集的萬億字節(jié)級(jí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)這些公司來說是一筆大生意，它們將自己的云服務(wù)（亞馬遜Web服務(wù)和微軟的Azure）出售給衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商。

如果你正在尋找遠(yuǎn)離地面站的區(qū)域的影像，那么預(yù)計(jì)在數(shù)據(jù)采集和傳輸之間會(huì)有幾個(gè)小時(shí)的顯著延遲。然后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這會(huì)增加更多時(shí)間。當(dāng)前，速度最快的提供商可以在數(shù)據(jù)采集后的48小時(shí)內(nèi)提供數(shù)據(jù)，但并非所有提供商都能做到這一點(diǎn)。雖然在理想的天氣條件下，商業(yè)實(shí)體請(qǐng)求進(jìn)行一次新的采集時(shí)，可在一周內(nèi)獲得所需數(shù)據(jù)，但這種快速周轉(zhuǎn)時(shí)間仍然是最先進(jìn)的。

我一直在使用“影像”（imagery）這個(gè)詞，但需要特別注意的是，衛(wèi)星拍攝圖像的方式與普通相機(jī)不同。衛(wèi)星上的光學(xué)傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)，可以測(cè)量電磁光譜特定波段的反射率。這可能意味著它們可記錄從地面不同地方反射的紅光、綠光和藍(lán)光的數(shù)量。然后，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商將應(yīng)用各種調(diào)整來校正顏色，合并相鄰圖像，并考慮視差，形成所謂的真彩色合成圖像，它看起來非常像一臺(tái)優(yōu)質(zhì)相機(jī)漂浮在高空，正對(duì)下方所拍攝出來的圖像。

成像衛(wèi)星還可以采集可見光譜以外的數(shù)據(jù)。例如，近紅外波段被廣泛用于農(nóng)業(yè)，這些圖像可以幫助農(nóng)民判斷作物的生長(zhǎng)狀況。這一波段還可用于檢測(cè)土壤濕度和其他難以確定的地面特性。

波長(zhǎng)較長(zhǎng)的“熱”紅外在穿透煙霧和捕捉熱源方面做得很好，對(duì)野火監(jiān)測(cè)很有用。合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星變得越來越普遍，因?yàn)樗鼈兩傻膱D像不受云層的影響，也不需要太陽照明。我將在下文詳細(xì)討論合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星。

你可能想知道，航空影像（比如說無人機(jī)拍攝的圖像）是不是沒有衛(wèi)星數(shù)據(jù)好。有時(shí)候是可以媲美的，但在許多情況下，使用衛(wèi)星是更好的策略。衛(wèi)星可以拍攝由于偏遠(yuǎn)以及其他可達(dá)性問題而無法抵達(dá)的地方的圖像，另外，還適用于沖突區(qū)、私人領(lǐng)地，或者飛機(jī)或無人機(jī)無法飛過的其他地方。

因此，有了衛(wèi)星，機(jī)構(gòu)組織可以經(jīng)常性地監(jiān)控各種遙遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)生的變化。例如，衛(wèi)星影像可使管道運(yùn)營(yíng)商快速發(fā)現(xiàn)其管道占地區(qū)域的入侵事件。然后，公司可以采取措施防止災(zāi)難性事件發(fā)生，比如附近施工過程中有人挖斷了天然氣管道等。

還可以將存檔影像與最近采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，這對(duì)許多行業(yè)都有幫助。例如，有時(shí)保險(xiǎn)公司可使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來查明騙詐索賠（比如“看起來你的屋頂，在你買房子的時(shí)候就壞了”）。金融投資公司應(yīng)用衛(wèi)星影像，可以根據(jù)停車場(chǎng)的滿位情況來評(píng)估零售商的未來利潤(rùn)，或者在農(nóng)民報(bào)告當(dāng)季產(chǎn)量之前預(yù)測(cè)作物價(jià)格。

衛(wèi)星影像提供了一種特別有用的方法來發(fā)現(xiàn)或監(jiān)測(cè)隱秘特征或活動(dòng)的位置。例如，阿拉巴馬大學(xué)的莎拉•帕卡克（Sarah Parcak）利用衛(wèi)星影像定位感興趣的考古遺址。荷蘭咨詢公司52Impact通過訓(xùn)練算法來識(shí)別光譜特征，發(fā)現(xiàn)了秘密垃圾場(chǎng)的位置。衛(wèi)星影像還可以幫助發(fā)現(xiàn)非法捕魚活動(dòng)、打擊人口販運(yùn)、監(jiān)測(cè)石油泄漏、準(zhǔn)確報(bào)告新冠死亡人數(shù)等，適用于主要參與者不能準(zhǔn)確報(bào)告詳情的所有場(chǎng)景。

盡管衛(wèi)星影像獲得了許多成功應(yīng)用，但調(diào)查記者和非政府組織并沒有經(jīng)常性地使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，也許是因?yàn)榧词故怯跋癯杀窘档偷皆瓉淼膸追种?，他們也難以承受。幸運(yùn)的是，如今可以免費(fèi)獲得一些低分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

要尋找免費(fèi)衛(wèi)星影像，可以首先訪問哥白尼開放獲取中心和地球探索者（EarthExplorer）。二者都提供免費(fèi)的開放數(shù)據(jù)，影像的分辨率比付費(fèi)購買的要低，但如果有限的分辨率即可滿足需求，何必再去花錢呢？

如果需要中高分辨率的數(shù)據(jù)，可以直接從相關(guān)的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商那里購買。這一領(lǐng)域最近經(jīng)歷了一段時(shí)期的并購，只剩下少數(shù)幾家供應(yīng)商，西方的三大供應(yīng)商分別是美國(guó)的Maxar和星球Planet公司，以及德國(guó)的空客公司。還有一些大型亞洲供應(yīng)商，如韓國(guó)的SI成像服務(wù)公司和新加坡的二十一世紀(jì)航空航天技術(shù)（亞洲）有限公司。大多數(shù)供應(yīng)商都有一個(gè)商業(yè)分支機(jī)構(gòu)，但它們主要針對(duì)政府買家。而且它們通常要求很大的最低采購量，這對(duì)指望監(jiān)控幾百個(gè)或更少地點(diǎn)的公司來說并沒有幫助。

幸運(yùn)的是，聯(lián)系衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商并不是唯一的選擇。在過去5年里，一個(gè)咨詢顧問和本地代理商的家庭作坊式產(chǎn)業(yè)迅速興起，他們通過獨(dú)家經(jīng)營(yíng)為某特定的市場(chǎng)提供服務(wù)。服務(wù)整合商和代理商花費(fèi)數(shù)年時(shí)間與多家提供商進(jìn)行合同談判，能以非常有吸引力的價(jià)格向客戶提供數(shù)據(jù)集訪問，有時(shí)每張圖片的價(jià)格只有幾美元。Esri、L3Harris和Safe Software等提供地理信息系統(tǒng)的公司也與衛(wèi)星影像提供商洽談代理協(xié)議。

傳統(tǒng)的代理商是中間商，他們會(huì)派銷售人員與我們聯(lián)系，討論我們的需求，代表我們從供應(yīng)商處獲取報(bào)價(jià)，協(xié)商價(jià)格并優(yōu)先安排圖像采集，有時(shí)還有數(shù)據(jù)處理，Apollo Mapping、European Space Imaging、Geocento、LandInfo、Satellite Imaging公司等皆是如此。更具創(chuàng)新性的代理商會(huì)提供數(shù)字平臺(tái)的訪問權(quán)限，通過數(shù)字平臺(tái)查看某個(gè)檔案中是否有所需圖像，然后訂購，例如EOS的LandViewer和Apollo Mapping的Image Hunter。

最近，一批新的服務(wù)整合商開始向客戶提供以程序化方式訪問地球觀測(cè)數(shù)據(jù)集的能力。這些公司最適合那些希望將這類數(shù)據(jù)集成到自己的應(yīng)用程序或工作流中的人。其中包括我工作的公司SkyWatch，它提供一項(xiàng)名為EarthCache的服務(wù)。其他還包括空客公司的UP42和Sinergise公司的Sentinel Hub。

我們?nèi)匀恍枰c銷售代表聯(lián)系才能激活賬戶（通常是為了驗(yàn)證我們使用數(shù)據(jù)的方式是否符合公司服務(wù)條款和許可協(xié)議），但在獲得其應(yīng)用程序的訪問權(quán)限后，我們能夠通過程序化的方式向一家或多家提供商訂購檔案數(shù)據(jù)。然而，SkyWatch是唯一允許用戶以程序化方式提出未來數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求（“給衛(wèi)星分配任務(wù)”）的服務(wù)整合商。

今天，衛(wèi)星影像極其豐富且易于獲取，而兩個(gè)正在發(fā)生的變化將進(jìn)一步拓展衛(wèi)星數(shù)據(jù)的功能：更頻繁的成像和更多地使用合成孔徑雷達(dá)。

第一個(gè)變化并不令人驚訝。隨著越來越多的地球觀測(cè)衛(wèi)星進(jìn)入軌道，捕捉的圖像會(huì)越來越多，捕捉的頻率也會(huì)越來越高，因此，某一區(qū)域的衛(wèi)星影像成像頻率將增加?，F(xiàn)在，通常是每周兩到三次；預(yù)計(jì)重復(fù)成像很快會(huì)變成每天幾次。這并不能完全解決云層遮擋必要查看對(duì)象的挑戰(zhàn)，但會(huì)有所幫助。

第二個(gè)變化更微妙。在過去幾年里，歐洲航天局Sentinel-1 SAR任務(wù)的兩顆衛(wèi)星提供的免費(fèi)數(shù)據(jù)使很多公司都開始涉足合成孔徑雷達(dá)領(lǐng)域。

配備合成孔徑雷達(dá)后，衛(wèi)星可以****無線電波并測(cè)量從地表反射回來的信號(hào)。它持續(xù)不斷地這樣做，并通過巧妙的處理程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像。使用無線電波可使這些衛(wèi)星能夠透過云層，晝夜不停地收集測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)使用雷達(dá)的波段，合成孔徑雷達(dá)影像可用于判斷材料特性、水分含量、精確運(yùn)動(dòng)和高程。

毫無疑問，隨著越來越多的公司熟悉這類數(shù)據(jù)集，對(duì)衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)影像的需求將越來越大。自20世紀(jì)70年代以來，軍方一直在廣泛使用衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)影像。但它才剛開始出現(xiàn)在商業(yè)產(chǎn)品中。不過，我們可以預(yù)判這些產(chǎn)品將急劇增長(zhǎng)。

事實(shí)上，目前行業(yè)投資的大部分資金都用于資助大型合成孔徑雷達(dá)星座，包括Capella Space、Iceye、Synspective、XpressSAR等。市場(chǎng)很快將變得擁擠，不過這對(duì)客戶來說是個(gè)非常好的消息。這意味著對(duì)于他們感興趣的地方，他們將能獲得高分辨率合成孔徑雷達(dá)圖像，每小時(shí)（或更短時(shí)間）拍攝一次，無論白天還是黑夜，陰天還是晴天。

無疑，人們會(huì)想出奇妙的新方法來利用這些信息，獲取這些信息的人越多越好。我和SkyWatch的同事深信這一點(diǎn)，因此我們的使命是普及衛(wèi)星影像，讓更多人使用它們。

在不久的將來，地球觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)可能會(huì)像GPS一樣普遍存在，GPS也是一項(xiàng)最初僅由軍方使用的衛(wèi)星技術(shù)。想象一下，有一天你也許可以拿出手機(jī)這樣說：“給我看看今天早上格羅弗角高地的土壤濕度圖；我想看看棒球場(chǎng)的地面是不是仍然那么濕?！?/span>

作者：Dexter Jagula