一张“黑白”的卫星照片,背后竟隐藏着如此玄机!
发布日期: 2021-04-26 点击: 890

前段时间,一幅“黑白”的卫星照片引起了人们的广泛关注。

大家通过Google Earth等平台,已经见过很多地球表面的彩色照片,而这幅图像看起来灰蒙蒙的,连颜色都没有,为什么大家却给予了这么大的关注?

为了揭开这幅看似平平无奇、甚至略显丑陋的图像背后的玄机,那还得从今年1月的一次地震说起。

2021年1月15日凌晨,印度尼西亚苏拉维西省发生6.2级地震,造成至少90人死亡,近千人受伤,一万多人无家可归。

印度尼西亚西苏拉威西省发生地震,建筑物倒塌,图源:联合国网站[1]

卫星遥感可以迅速获得灾区的一手灾情信息。当天20:46,空间与重大灾害国际宪章(International Charter 'Space and Major Disasters')启动,向各国航天机构发出请求,希望利用各国的遥感卫星对灾区进行成像,为当地政府进行灾情评估与灾后救援提供支持。

然而,由于当地天气一直是多云和降雨,光学卫星无法对受灾区域进行拍摄。地面被云层覆盖,光学卫星无法对灾区有效成像。

光学卫星拍摄的照片常常有许多云

这时候,有一颗卫星却站了出来,表示“区区云雾,不足为虑”,迅速完成了对该区域的应急成像,并将图像数据通过国家综合地球观测数据共享平台提交给联合国有关机构。

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)卫星印尼地震灾区成像

这也是全球第一份有效的灾区卫星遥感数据,为印度尼西亚震后救灾和次生灾害预警检测提供了空间技术支持。

这颗如此厉害的卫星,就是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)卫星。

普通的光学卫星拍照会受到云层的遮挡,SAR卫星究竟有哪些“独门绝技”,能够穿透云层,看到地面呢? 

不畏浮云遮望眼

太空直接看地面

可见光卫星观测地球的时候,就好比人在白天走路。太阳光把周围照得亮亮的,很容易就可以看见周围有什么。但是在晚上,想观察周围就困难多了。漆黑的夜里没有光线,人就很难看得见。

我们很自然地想到,如果有个手电筒,走夜路不就能看清了吗?而SAR卫星就好比自己带了个强光手电筒,周围无光又如何,我可以自己照亮我要看的区域。
而且,卫星轨道有几百公里高,如果地面上方有云或雾霾,那么即使光照再好,光学卫星也无法看到地面有什么。这个时候即使是采用激光这样强大的光源,也无法照亮观测区域,毕竟局座曾说过 “雾霾防激光”。

SAR卫星自带手电筒,但这个手电筒发出的“光”可不是普通的可见光,而是微波,微波波长比可见光长得多,穿透性也强得多,所以SAR卫星不仅可以在夜间使用,还可以忽视目标区域上空厚厚的云层或雾霾。

光学卫星就像人的眼睛,无光、被遮挡就会看不见;而SAR卫星就像蝙蝠,有光无光、有云无云都能看得见

有的朋友可能会问,Google Earth上的光学卫星图片怎么都没有云?这是因为光学卫星拍到的有云的照片根本就不会展示出来,大家能看到的都是挑选好的没有云的照片。

光学卫星成像,大部分都会有云[2][3]

这一点我们也可以从Google Earth的照片存档情况知晓。

Google Earth北京存档数据量

Google Earth成都存档数据量

这是Google Earth中北京(上)和成都(下)存档数据量的比较图。浅色条纹代表有可见光卫星观测数据,深色条纹表示无数据。地处四川盆地的成都与北京相比多云多雨,光学卫星数据也就少得多。

不分白天黑夜,24小时工作,这就是 “全天时”;穿透云层不怕恶劣天气,这就是“全天候”。“全天时全天候”获得遥感图像,这就是印尼地震后,SAR卫星完成了全球首张应急图像拍摄任务的原因。

监测地表之形变

透视地下水资源

SAR卫星不仅可以穿云透雾,它能做的事还有很多。

由于SAR卫星工作在微波波段,与可见光波段有很大不同,所以SAR卫星还可以获得一些人眼和光学相机感知不到的信息,以实现多种不同的应用。

SAR卫星对黑海沿岸进行的观测

SAR卫星对地球表面的“粗糙度”和“湿度”比较敏感,上图中不同的亮度对应的是不同的“粗糙度”和“湿度”,结合农业科学可以为我们提供关于作物种类、土壤含水量或海洋污染源等更多的信息,这些信息对于农业等行业是非常有用的。

SAR卫星绘制的印度南部洪水灾情图[4]

SAR卫星还可以在洪水受灾区调查中发挥巨大功能。利用SAR卫星提供的“粗糙度”和“湿度”信息,可以在较大区域内清晰地绘制出灾情图。

SAR卫星还可以获取目标的相位信息,这使得SAR对地面的运动高度敏感。这样的相位信息对于一些行业来说是非常有用的,比如用来监测地表形变。

想一想飞行在几百公里高度、每秒飞行数公里的卫星,可以发现地面毫米级的沉降,也是非常刺激了。

研究者对于英国伦敦城区利用SAR数据对城市地表变化速率进行了分析,图中东西向红色沉降区是由于Crossrail 隧道引起的[5]。

如果不使用SAR卫星,还要得到如上图一样的沉降监测图就困难得多了。使用地面固定测量设备进行大面积的地表沉降监测,需要使用大量的设备。因为每台地面测量设备只能获取一个点的沉降信息。

而使用SAR卫星就可以轻松获得一大片区域的监测结果。不仅是城市建设的地面沉降监测,这项技术还可以用来监测矿井采空区、地下水开采带来的地表形变。此外,桥梁、山体滑坡、水库大坝等的形变场景都可以利用SAR实现最高效率的形变监控。

同时,SAR卫星所发射的电磁波还具有一定的穿透性,可以发现某些被遮挡的难以被人发现的结构。最出名的应用是科学家用SAR在撒哈拉沙漠中发现了尼罗河的古河道。


1994年4月,美国奋进号航天飞机上搭载的SIR-C SAR的成像清晰地展示了被掩盖在沙子下面的尼罗河古河道[6]。

效率更高价低廉

快速响应美名传

从1964年第一颗返回式SAR卫星验证了星载SAR的能力之后,地球遥感SAR卫星的建设方一直是各国政府、军事部门和研究机构等。在军用SAR卫星方面,全球各大军事强国均建设了自己的SAR卫星星座。在政府和研究机构主导建设的SAR卫星方面,德国TerraSAR-X、欧空局Sentinel-1、加拿大RADARSAT-2和RADARSAT-RCM均在不同领域有应用亮点。

随着SAR需求的日益增长,商业SAR卫星应运而生。相较于传统大型SAR卫星,商业SAR的投资主要来自于商业资本,而不是政府。这使得商业SAR卫星公司需要根据各行业客户的需求去进行综合设计,而不是像传统SAR卫星一样重点关注某几个大体量客户的需求;同时,市场经济的竞争还迫使商业SAR卫星需要在成本上具有一定优势。

商业SAR卫星因其可提供全天时全天候、预期稳定的遥感影像服务,包括为地质学家提供与地形有关的宝贵信息,为航海者提供冰害和海况图,为环境保护提供了水面溢油边界,为军事人员提供侦察信息等,而逐渐成为商业遥感领域一股快速成长的力量,政府、军队、交通、能源、保险等各行业均展现出对SAR数据的强烈需求。

根据市场研究公司Global market Insights最近的一项研究,到2026年,合成孔径雷达市场的市值将从目前的40多亿美元增长到90多亿美元,在2020年至2026年期间将获得显著的增长。

Glbal Market Insights公司对SAR市场的研究报告

随着商业航天的发展,SAR卫星也可以做到更轻、更小。轻小型商业SAR卫星,相比传统的大型SAR卫星,具有更快、更小、更好的巨大优势。成本下降一个数量级,带来的市场发展岂止是从40亿美元到90亿美元的翻一番呢?




参考文献:



[1]印度尼西亚西苏拉威西省发生地震,建筑物倒塌,图源:联合国网https://news.un.org/zh/story/2021/01/1075812

[2]Tan, Kai, Yongjun Zhang, and Xin Tong. "Cloud extraction from Chinese high resolution satellite imagery by probabilistic latent semantic analysis and object-based machine learning." Remote Sensing 8.11 (2016): 963.

[3]Francis, Alistair, Panagiotis Sidiropoulos, and Jan-Peter Muller. "CloudFCN: Accurate and robust cloud detection for satellite imagery with deep learning." Remote Sensing 11.19 (2019): 2312.

[4]https://www.planetwatchers.com/monitoring-monsoon-flooding-in-kerala-with-sar-and-ai/[5]https://mappinglondon.co.uk/2018/insar-ground-deformation-map/[6]https://www.jpl.nasa.gov/images/nile-river-in-black-and-white/