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从谷歌地球（GE）到地球视频监控
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本文整理和改写后，发表于《百科知识》2014年第8期（4B）：开启天眼时代——从谷歌地球到地球视频监控. （http://mall.cnki.net/magazine/magadetailprep/BKZS201408.htm；
http://www.dooland.com/magazine/article_397223.html）
今天想聊的话题，并非是谷歌地球（Google Earth，GE）本身，但与谷歌地球有着千丝万缕的联系。说到谷歌地球，我又想到了其前身——从事数字地图测绘等业务的Keyhole（钥匙孔）公司的旗舰软件。这并非一款面向大众的软件，它本来是为了方便专业用户通过网络浏览卫星影像和航空图片的。为了方便用户定位这些图像，把卫片、航片通过GIS技术安置在三维地球模型上，这样也就构成了一个虚拟地球仪的思路。也就是这个思路，引起了谷歌公司的兴趣。2004年10月谷歌收购Keyhole公司，并于2005年6月推出了谷歌地球。更难能可贵的是，谷歌地球被定义为Free软件，也就是说用户可以不限时间地自由使用，这样赢得了大量的用户并最终赢得整个世界，谷歌地球一下子成了一个大众玩具——刚开始，我的确定义GE是一款玩具，并不觉得它可能对我的研究工作有什么帮助。
但现在显然我的研究逐渐离不开它了。可以说，自平民化的谷歌地球诞生以来，就在不断改变我们的生活，联网的用户通过个人电脑可在自己家里免费浏览全球各地的地面状况。不过，谷歌地球在时间匹配方面，还远远不能满足用户，特别是专业的需求。虽然目前的更新速度更快了，大多区域的数据少于三年，但部分地区仍是十年前的，一些人口稀少的地区的影像更为陈旧。这与谷歌地球的数据源获取有关。谷歌地球的卫星影像部分来源于美国的QuickBird（快鸟）和IKONOS、法国SPOT5以及最老牌的LANDSAT。其中，SPOT5的最大空间分辨率为2.5m，IKONOS为1m，而快鸟则可达到0.61m，曾经是全球商用卫星的最高水平，但由于这颗卫星是可变轨的，因此其获取的数据大多集中在人员集中的大城市区域。另外，大坝、油田、桥梁、高速公路、港口码头与军用机场等也是谷歌地球重点关照对象。
随着谷歌地球的图像越来越清晰，更新速度越来越快。我们现在可以利用谷歌地球来监测和跟踪发生在地球上的一些变化，比如作物、森林、野生动物移动、城市扩张和自然灾害。如果要更好监测地球表面更多、更快、更全的变化，则需要获取更高时间频率的遥感数据。我们想象一下，未来是否有一天，成群的小卫星包围着地球，提供接近地球实况的图像呢？
来自美国加州的两个初创企业，就计划推出成群的成像小卫星（也有人称之为微微卫星，Nanosatellites），由于数量巨大和高频的重访速度，可以达到每天数次，这个频率远远高于通过当前的地球观测卫星。因此，这两个公司还宣称，要从太空去获得地球近乎实况的流媒体高分辨率数据。其中一个企业是成立于2010年的旧金山行星实验室（Planet Labs），有三位前NASA科学家，计划放出28只“鸽子”（Doves）——由于气象条件和太阳耀斑的影响，原定2014年1月8日的鸽子卫星的发射计划推迟了。每个烤箱大小的鸽子重约5公斤，成像分辨率达到3 - 5米。另一个企业是天体成像公司（Skybox Imaging），他们计划发射24颗卫星（每个重约100公斤，有1米或更高的分辨率）的任务也正在紧锣密鼓的筹备中，2013年11月21日已经发射了首颗卫星，已经开始向公众发布所拍摄的视频了。今年计划再发射一颗，剩下的将在2015~2017年之间发射完成。至少在民用卫星中，Skybox的设备是第一次以视屏流媒体的方式提供一小段近乎实况的地球高分辨率数据。
一家总部在加拿大温哥华的公司UrtheCast也将搭乘国际空间站，进行地球的视频监控。国际空间站也将汇集一些非同寻常的扩展组件。在未来几天，32厘米孔径的摄像机将离开空间站，也可算是从空间发射，但这次发射不是旨在太空，而是剑指地球。这个设备首次在太空发射，将在网上对地球进行接近实况的高清流媒体彩色视频记录。相机将由UrtheCast公司进行操作，他们将进入国际空间站。UrtheCast旨在首次从太空传送地球的新式视频片段。
Skybox Imaging公司则是计划从24颗卫星群中提供全色视频，其分辨率都约为1米，足以辨别出各个移动的车辆、成群的人和动物。2013年12月27日，宇航员进行太空行走，在俄罗斯星辰号（Zvezda Module）船体上安装了UretheCast的摄像头。他们还安装了一个多光谱相机，这是UrtheCast公司用于记录5米分辨率静态实况流媒体图像的。这两个设备曾因电源问题要卸下，但现在已经解决了，相机可能会在1月底之前重新安装。
这些努力可能预示着翻天覆地的变化。传统的成像卫星，有一辆货车的大小和重量，建造和发射需数亿美元。因此只有少数运营商、商界大佬们能资助，最后也就发射了不到20颗卫星组成的卫星群。商用卫星也倾向于去拍摄有客户订单的数据。相比之下，成群的小卫星发射后，由于其数量巨大，在地球上同一点被拍摄的频率从数小时到数天不等（与纬度有关）。传统商业成像卫星的最大的客户是政府，特别是情报机构和军队。卫星数据高昂的价格可能限制了许多潜在用户的参与，包括研究人员、农业、森林碳管理、区域和地方规划和环境管理工作等众多领域。为了使影像数据更平民化，新的卫星业务一直试图刺激和挖掘更多新用户，他们也希望提供大量折扣的形式，甚至为学者和非政府组织免费提供图像。这个行业长久以来一直受到政府的需求，大众顾客是消费者长尾，几乎完全被忽略了。现在更廉价的图像，将会导致近实时观测的数据走向民间。为了削减成本，这两个企业还采用了汽车、智能手机和其他消费品行业中的现成技术，包括低成本的电子产品，比如借鉴高端数码相机的传感器。同时，小型化卫星还降低了发射成本。在精准农业方面，使用遥感方法可有助于农场管理，这也将受益于卫星群计划，因为这项技术能够提供及时的田间行水平作物产量和健康估计。这种细节程度，能提供肥料和灌溉方面的决策信息，但曾经显然对大多数农民来说是遥不可及的。
因为卫星群还未完全推出，科学家们还需要对图像的质量进行完全评估。但是1 - 5米的卫星空间分辨率远高于大多数科学卫星。例如，Landsat——美国宇航局的地球观测主力，其分辨率只有15 - 100米，可见光范围为30米。当然，这样中等分辨率的影像对许多其他的目的来说可能是足够的，但高分辨率仍然有更多的好处。Tyukavina等（2013）发现，使用中等分辨率的陆地卫星影像，极大低估了刚果民主共和国森林损失的情况。空间分辨率只是图片的一部分。用遥感研究森林的科学家认为，良好的光谱和辐射分辨率（能检测波长和辐射微小差异的参数）对于定量遥感分析更重要。这些小卫星不可能提供类似的数据，也不可能与那些成熟的地球观测卫星相比，只是针对不同需要占领不同细分市场而已。卡内基科学研究所的地球科学家Greg Asner说，卫星群数据的科学价值将“完全依赖”质量问题。来自这么多卫星高频重复的图像数据缝合在一起将成为一个挑战，因为卫星之间的性能可能会有所不同，而且会随时间而发生变化。但是，他还是对这些前景充满期待而激动不已。这几乎是相当于谷歌地球每天更新一次！
当遥感相机完全启动并运行时，这些公司将针对商业市场，例如希望监控交通、港口和工厂的媒体和组织。UrtheCast也将在其网站上免费向公众开放流媒体，并希望利用大量的点击数提高网站的吸引力。例如，我们可以想象，类似于像福岛核灾难这样全球关注的问题，就会有定期的空间视频片段提供。关于空间视频的其他应用，包括监测洪水、地震区域和其他自然灾害和人道主义危机。UrtheCast将通过联合国业务卫星应用项目(UNOSAT)，为联合国和其他需要救援和发展业务的组织提供卫星图像。虽然空间视频的科学潜力尚不清楚，但可想到的有可能的科学应用应该包括观察火山爆发、森林火灾、飓风和野生动物迁移。群众的智慧是强大的，随着这些数据对大众开放，一定会出现像之前人们拥抱新技术那样，产生一些目前无法预料的变化。
然而，这个计划也是有局限性的。Skybox Imaging的卫星和空间站在低地球轨道以每小时数千公里的速度运动，所以任何一个地方的视频必然会是相当短暂的。两家公司打算使用可控摄像机暂时锁定他们所选定的目标，因此在各个位置可获得60 - 90秒的视频序列。这样的卫星也令我们想到能提供同一位置连续视频片段的高空无人机，但是在全球范围飞行时无人机需要得到访问国的领空授权。当自然灾害来袭时，无人机可能并不在该区域附近，也无法及时赶到。相比之下，天空中的卫星眼睛并不需要飞行许可权，也能快速到达非常偏远地区并获得信息。
未来，高视频、高清晰度的地球照片和地球视频监控会如何改变我们的生活呢？我们将拭目以待。
【参考资料】
[1] http://www.nature.com/news/many-eyes-on-earth-1.14475
[2] Nature 505, 143–144 (09 January 2014) doi:10.1038/505143a
[3] Tyukavina et al. Environ. Res. Lett. 8, 044039; 2013
https://blog.sciencenet.cn/blog-502444-760418.html
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