在我今年初的一篇博文“从谷歌地球（GE）到地球视频监控”(http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-760418.html)中，介绍了廉价小卫星群的发展为未来环境监测所带来的革命。文中说到：“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？”有一杂志编辑看中这篇文章，在之后的交流中，她还问了一个问题：未来如果这些卫星都上天了，或许可以监测到更多飞机的信息，马航MH370客机失联的问题也许很快就解决了，是吗？我后来推荐她去看了一篇文章：更便宜的海量实时卫星数据，意味着什么？

那么，今天想探讨的话题，与此有类似之处，那就是：免费的遥感卫星数据时代即将到来。

2014年4月3日，哨兵（Sentinel）-1A卫星搭乘联盟号运载火箭（Soyuz）于北京时间凌晨5时2分自法属圭亚那的库鲁（Kourou）发射升空，卫星上装有可以穿透云层的雷达卫星，以便对地球进行全天候的昼夜观测。 这是欧洲宇航局（ESA）与欧盟（EU）耗资近52亿美元的哥白尼计划（Copernicus）开始了首波发射作业。2012年4月，欧洲Envisat卫星发生意外故障，由于受到来自于地球观测数据用户的压力，从侧面推动了这个计划的顺利进行甚至是提前成就了这次发射任务。尽管面临资金缺乏的窘境，哥白尼计划在消停三年后于2013年底开始启动。这套卫星系统是用于监控地球气候变化及环境破坏情况的，并协助灾难救济作业。另外，哨兵-1B卫星预计18个月后发射升空，与哨兵-1A分头合作，从700公里的高度拍摄雷达影像，可在6天内完整覆盖全球。

在接下来数年的时间内，哨兵系列卫星将陆续发射入轨，可对地球开展详细的观测，有助于我们掌握地球的气候变化和发展趋势。预计发射的“哨兵”系列卫星计划有6组不同的任务，而且具有各自明确的任务分工，每组任务都是基于两颗卫星对的：哨兵-1是一组极轨道卫星，其优势是先进的C波段成像雷达系统，无论面临什么天气，无论在白天还是晚上，它都能够进行对地观测，这在实际应用中非常重要。由于卫星可以穿透云层，这就可以观测多云的热带森林地区，甚至可以观测生态系统夜间的过程了；另外，两颗卫星协同工作，将增加对地球上相同点的观测频率，这对于观测地震导致的地面变形这种需要连续观测的事件来说非常有意义。如果对船运区域进行定期监视，可绘制海冰图像，为海上交通提供有关风浪的信息，实时跟踪土地使用方式的变化及土地的沉降情况。哨兵2~5是不同的，它们仍然使用光学传感器、辐射计和光谱仪，用于测量从海洋温度到空气污染的各种参数。哨兵-2是极轨道卫星，但完成多光谱高分辨率成像任务，用于土地监测，如植被、土壤和水体、内河和沿海地区；哨兵-3是一个多仪器系统，其任务是准确和可靠地测量海表地形、海面和陆面温度、海色和地色，支持海洋预报系统，以及环境和气候监测。哨兵-4是第一颗从地球静止轨道来监视大气污染物的卫星，也是第一颗对一个固定区域提供每小时测量的卫星。是第三代静止轨道气象卫星(MTG-S) 的先锋；哨兵-5从MetOp第二代卫星极轨道监测大气，将于2016年发射，以减少与Envisat卫星之间的数据空缺，特别是大气制图扫描成像吸收光谱仪（Sciamachy）；哨兵-6带有雷达高度计，测量全球海面高度，主要用于海洋与气候研究。

如果只是新卫星的研究和发射，这就是一个老生常谈的新故事而已。显然我这里来讨论这些卫星，有更深刻的含义。特别对于许多卫星数据玩家来说，其意义非同一般！

首先，数据可被任何人免费访问和使用，这是一个非常有创新性的方案和突破！也就是说，几乎为每个人提供了基于卫星的有关空气或水的信息。哥白尼计划，是在欧盟、欧洲航天局(ESA)和政府间气象机构EUMETSAT的联合倡议下开展起来的，在很多方面都得到了关注。在上个十年之末，他们致力于将卫星数据与地面、空中和海上传感器的数据进行组合，提供一个灿烂的图像和信息阵列。决策者、水资源专家、灾难救援人员、农民、渔民和感兴趣的大众都可从中受益。卫星将使地球观测变得像天气预报和卫星导航一样，成为日常的公共服务，同时将有利于科学研究。认识到哥白尼计划的科学潜力，欧盟委员会去年就决定扩大项目使用人群的范围。这是一个明智之举，因为科学界的参与有助于优化系统，通过提供专业知识帮助项目发展。欧盟委员会也做出了正确的选择，将免费提供所有的哨兵数据。委员会最初是希望收费数据的，但这将大大限制其使用。经过与科学家和ESA长期争论之后，委员会最终同意免费使用数据。这为哥白尼计划成功实施铺平了道路，以及该计划所带来的完整经济效益。一些研究表明，数据免费使用可以产生一个下游商业应用的增殖（比如各位手边的智能手机），有可高达300亿的经济利益，预计到2030年最低可造就约5万个新的就业机会。上周的Nature周刊评价：第一颗哨兵卫星的发射，预示着一个新时代，任何对地球未来有兴趣的个人都可以免费获得从地震到城市化方面的详细数据。哥白尼计划，刚开始受制于美国陆地卫星计划时代自由市场意识的影响，这很容易理解。在2008年之前，购买美国陆地卫星图像都是需要花钱的，其价值没有得到充分体现；而免费之后，陆地卫星图像下载量逐年提高，到2013年已经从每年1.5万飙升到400万。

其次，作为大型卫星，一般总有一些专项任务，是需要去寻求特定答案的；而常规观测的核心是为了更好理解发生在地球上的各种过程。哨兵卫星大家族的的六个成员将对地球关键部位的监测产生近乎实时的数据。长时间系列数据的价值已经得到了美国陆地卫星计划（LANDSAT）的充分证明，对地球陆面变化42年的记录其价值是无可估量的。由于卫星寿命的只有数年时间，总需要更换。与之前大多数地球观测不同，哨兵将会定期进行替换，而不是升级为另外一个系统（LANDSAT发展到现在的8其实也在不断升级的，因此并非纯粹的连续数据）。做遥感分析的人都知道，不同发射机构、不同传感设备对地表观测所获得的信息总是存在一定差异的，因此对不同时间用不同传感器所测量的污染物、臭氧或温室气体在长时间系列分析中总是存在这样或那样的问题，非常难于匹配。而该项目将保证提供数十年的连续数据，可用于未来长时间系列的分析。

另外，只身作战的大型卫星如Landsat最终将成为过去。从现在和未来的趋势来看，Landsat的继任者将是小型的廉价卫星所组成的卫星群，大大提高了重返频率，也不会因个别卫星失效而影响整个观测计划。新一代地球观测初创公司正是采取“卫星群”的路线。与科学卫星相比，这些卫星所携带的仪器可能不是那么高端，但他们能提供许多实际应用。哥白尼计划似乎正在走介于大型卫星于小卫星群的中间系统，同时也将吸引来自其他约30颗卫星的数据，以及来自海洋浮标、气象站和空气质量监测网络的数据。同时，哨兵-2是一对高分辨率成像设备，其规格比美国Landsat-8目前的旗舰卫星要好一些，空间分辨率小于10米，重返时间为2-3天。这开辟了一个新的研究领域，将作物变化的更新频率缩短为数日。哨兵-2真的可以改变地球观测的面貌，可以彻底改变土地覆盖和覆盖利用变化监测和分析。其他地球观测系统的测量对哨兵卫星显然非常有价值，对地球观测的均衡的确需要一些列相互联系的系统之间的交叉验证，这将有助于产生长期各种图像和测量可交叉校准的数据集。因此，哥白尼计划哨兵卫星有望成为全球最全面的地球监测系统。哥白尼计划凸显了欧洲在管理地球的常规数据收集方面需求的认同，这个项目对于不同项目之间进行更紧密合作也是很有意义的。来自研究哨兵-2和Landsat-8的科学家正在共同努力使他们的数据有更好的兼容性，并拟共同开发存档数据库。这是虚拟卫星群观测概念的一个重要测试，如果不再限于单个传感器，卫星数据产品是可以得到显著提高的，可以结合成为一个跨机构和传感器类型的互补平台。卫星之间的协调（包括哥白尼计划和陆地卫星计划）可以带来诸多好处：图像云频率的增加，可监测短时间尺度内发生的变化，如土壤水分的变化。

事实上，更好的地球观测有助于增加人们采取行动来保护地球的意识。如果知识不能转化为对地球环境的更好管理，总是让科学家来解开地球过程的机制是收效甚微的。

参考资料：
[1] Look back in wonder. Nature, 2014-04-10,  508: 149.
[2] Earth observation enters next phase. Nature, 2014-04-10, 508:160.
[3] Free access to Copernicus Sentinel satellite data.
[4] Sentinels overview.