衛星影像的繁榮

環(huán)繞地球運行的衛星每天都會(huì )拍攝數萬(wàn)億像素的高分辨率地表圖像。過(guò)去，這類(lèi)信息主要提供給政府或軍隊的專(zhuān)家。但如今，幾乎任何人都可以使用它。

這是因為將有效載荷（包括成像衛星）送入軌道的成本已大幅下降。高分辨率衛星影像過(guò)去的價(jià)格是數萬(wàn)美元，而現在的價(jià)格只相當于一杯咖啡。

此外，隨著(zhù)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據集中提取所需信息，包括由衛星影像組成的數據集。利用這些圖像動(dòng)態(tài)地做出商業(yè)決策，這可能看起來(lái)像科幻小說(shuō)一樣，但它已經(jīng)在一些行業(yè)實(shí)現了。

下面將簡(jiǎn)要概述我們如何獲取這類(lèi)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代衛星影像的工作原理。

地球觀(guān)測衛星的軌道通常分為兩類(lèi)：地球靜止軌道（GEO）和近地軌道（LEO）。GEO衛星位于赤道上方約3.6萬(wàn)公里處，與地球自轉同步。從地面上看，這些衛星似乎是靜止的，因為它們的方位和高度保持相對不變。

當然，這樣的軌道對于通信中繼來(lái)說(shuō)是很有利的，它使人們能夠在家里的固定方向上安裝衛星電視接收器。除此以外，GEO衛星也合適長(cháng)時(shí)間拍攝圖像來(lái)監測地球某個(gè)區域。不過(guò)，由于GEO衛星離地面很遠，所以影像分辨率相當粗糙。因此，這些軌道主要用于跟蹤廣闊區域天氣變化的觀(guān)測衛星。

相對于地球靜止，意味著(zhù)GEO衛星總是在下行鏈路站的范圍內，因此它們可以在幾分鐘內將數據發(fā)回地球，從而可以近實(shí)時(shí)地提醒人們天氣形勢的變化。美國國家海洋和大氣管理局可免費提供大多數這類(lèi)數據。

LEO衛星離地面很近，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(guò)將其衛星的軌道從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(zhù)一個(gè)像素代表地面上25厘米×25厘米的區域，大致相當于筆記本電腦的大小。少數幾家公司采集數據的分辨率為25厘米到1米，業(yè)內認為這是高分辨率到甚高分辨率的范圍。有些公司提供的數據分辨率為1米到5米，這是中分辨率到高分辨率的范圍。最后，美國國家航空航天局（NASA）/美國地質(zhì)調查局的地球資源衛星Landsat、NASA中分辨率成像光譜儀（MODIS）和歐洲航天局的哥白尼衛星系統等政府項目通過(guò)數據開(kāi)放項目免費提供的光學(xué)數據的分辨率為10米、15米、30米和250米，這屬于低分辨率范疇。

因為提供最高分辨率圖像的衛星軌道最低，所以它們一次觀(guān)察的區域更少。為了覆蓋整個(gè)地球，可以將衛星放置在極地軌道上，從一個(gè)極點(diǎn)運行到另一個(gè)極點(diǎn)。當它移動(dòng)時(shí)，地球在它下面旋轉，所以當繞地球下一圈時(shí)，它將位于地球另一區域的上空。

然而，許多衛星并不直接經(jīng)過(guò)兩極。而是被放置在一個(gè)近極地軌道上，這個(gè)特殊的設計專(zhuān)門(mén)利用了一些微妙的物理原理。你看，旋轉的地球在赤道處略微向外膨脹。這種額外的質(zhì)量會(huì )導致不在極地軌道上的衛星的軌道發(fā)生移動(dòng)或（從技術(shù)上說(shuō)）進(jìn)動(dòng)。衛星運營(yíng)商經(jīng)常利用這種現象，將衛星放置在所謂的“太陽(yáng)同步軌道”上。這種軌道使衛星可以在每天同一時(shí)間重復經(jīng)過(guò)某一地點(diǎn)。兩次運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(hù)檢測并發(fā)現變化。

極地軌道上的衛星探測整個(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，衛星公司會(huì )使用多顆衛星，這些衛星配備相同的傳感器，沿不同的軌道運行。通過(guò)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(guān)察軍團（Worldview Legion）星座就包括6顆衛星。

衛星捕捉一定數量的圖像后，所有數據均需發(fā)送到地球進(jìn)行處理。這個(gè)過(guò)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)間內將數據從衛星發(fā)送到地面站，并存儲在云上。這是可能的，因為發(fā)回的圖像是地面站停車(chē)場(chǎng)的圖像，所以衛星不需要在數據收集點(diǎn)和數據“傾卸”點(diǎn)之間移動(dòng)。

一般來(lái)說(shuō)，近地軌道的地球觀(guān)測衛星不會(huì )一直拍攝圖像，只有當它們位于特別受關(guān)注的區域上方時(shí)才會(huì )這樣做。這些衛星一次能發(fā)送的數據量是有限的。通常情況下，它們在離開(kāi)地面站的范圍之前只能傳輸10分鐘左右的數據。它們記錄的數據不能超過(guò)它們在有限時(shí)間內傾卸的數據量。

目前，地面站大多位于極地附近，這是極地軌道上訪(fǎng)問(wèn)最頻繁的區域。但我們很快就能期待縮短與最近的地面站之間的距離，因為亞馬遜和微軟都宣布計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(wàn)億字節級衛星數據對這些公司來(lái)說(shuō)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）出售給衛星運營(yíng)商。

如果你正在尋找遠離地面站的區域的影像，那么預計在數據采集和傳輸之間會(huì )有幾個(gè)小時(shí)的顯著(zhù)延遲。然后，還需要對數據進(jìn)行處理，這會(huì )增加更多時(shí)間。當前，速度最快的提供商可以在數據采集后的48小時(shí)內提供數據，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)體請求進(jìn)行一次新的采集時(shí)，可在一周內獲得所需數據，但這種快速周轉時(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，衛星拍攝圖像的方式與普通相機不同。衛星上的光學(xué)傳感器經(jīng)過(guò)校準，可以測量電磁光譜特定波段的反射率。這可能意味著(zhù)它們可記錄從地面不同地方反射的紅光、綠光和藍光的數量。然后，衛星運營(yíng)商將應用各種調整來(lái)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(lái)非常像一臺優(yōu)質(zhì)相機漂浮在高空，正對下方所拍攝出來(lái)的圖像。

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

波長(cháng)較長(cháng)的“熱”紅外在穿透煙霧和捕捉熱源方面做得很好，對野火監測很有用。合成孔徑雷達（SAR）衛星變得越來(lái)越普遍，因為它們生成的圖像不受云層的影響，也不需要太陽(yáng)照明。我將在下文詳細討論合成孔徑雷達衛星。

你可能想知道，航空影像（比如說(shuō)無(wú)人機拍攝的圖像）是不是沒(méi)有衛星數據好。有時(shí)候是可以媲美的，但在許多情況下，使用衛星是更好的策略。衛星可以拍攝由于偏遠以及其他可達性問(wèn)題而無(wú)法抵達的地方的圖像，另外，還適用于沖突區、私人領(lǐng)地，或者飛機或無(wú)人機無(wú)法飛過(guò)的其他地方。

因此，有了衛星，機構組織可以經(jīng)常性地監控各種遙遠地點(diǎn)發(fā)生的變化。例如，衛星影像可使管道運營(yíng)商快速發(fā)現其管道占地區域的入侵事件。然后，公司可以采取措施防止災難性事件發(fā)生，比如附近施工過(guò)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星數據進(jìn)行比較，這對許多行業(yè)都有幫助。例如，有時(shí)保險公司可使用衛星數據來(lái)查明騙詐索賠（比如“看起來(lái)你的屋頂，在你買(mǎi)房子的時(shí)候就壞了”）。金融投資公司應用衛星影像，可以根據停車(chē)場(chǎng)的滿(mǎn)位情況來(lái)評估零售商的未來(lái)利潤，或者在農民報告當季產(chǎn)量之前預測作物價(jià)格。

衛星影像提供了一種特別有用的方法來(lái)發(fā)現或監測隱秘特征或活動(dòng)的位置。例如，阿拉巴馬大學(xué)的莎拉•帕卡克（Sarah Parcak）利用衛星影像定位感興趣的考古遺址。荷蘭咨詢(xún)公司52Impact通過(guò)訓練算法來(lái)識別光譜特征，發(fā)現了秘密垃圾場(chǎng)的位置。衛星影像還可以幫助發(fā)現非法捕魚(yú)活動(dòng)、打擊人口販運、監測石油泄漏、準確報告新冠死亡人數等，適用于主要參與者不能準確報告詳情的所有場(chǎng)景。

盡管衛星影像獲得了許多成功應用，但調查記者和非政府組織并沒(méi)有經(jīng)常性地使用衛星數據，也許是因為即使是影像成本降低到原來(lái)的幾分之一，他們也難以承受。幸運的是，如今可以免費獲得一些低分辨率的衛星數據。

要尋找免費衛星影像，可以首先訪(fǎng)問(wèn)哥白尼開(kāi)放獲取中心和地球探索者（EarthExplorer）。二者都提供免費的開(kāi)放數據，影像的分辨率比付費購買(mǎi)的要低，但如果有限的分辨率即可滿(mǎn)足需求，何必再去花錢(qián)呢？

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

幸運的是，聯(lián)系衛星運營(yíng)商并不是唯一的選擇。在過(guò)去5年里，一個(gè)咨詢(xún)顧問(wèn)和本地代理商的家庭作坊式產(chǎn)業(yè)迅速興起，他們通過(guò)獨家經(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數年時(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(hù)提供數據集訪(fǎng)問(wèn)，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的公司也與衛星影像提供商洽談代理協(xié)議。

傳統的代理商是中間商，他們會(huì )派銷(xiāo)售人員與我們聯(lián)系，討論我們的需求，代表我們從供應商處獲取報價(jià)，協(xié)商價(jià)格并優(yōu)先安排圖像采集，有時(shí)還有數據處理，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 )提供數字平臺的訪(fǎng)問(wèn)權限，通過(guò)數字平臺查看某個(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(kāi)始向客戶(hù)提供以程序化方式訪(fǎng)問(wèn)地球觀(guān)測數據集的能力。這些公司最適合那些希望將這類(lèi)數據集成到自己的應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。

我們仍然需要與銷(xiāo)售代表聯(lián)系才能激活賬戶(hù)（通常是為了驗證我們使用數據的方式是否符合公司服務(wù)條款和許可協(xié)議），但在獲得其應用程序的訪(fǎng)問(wèn)權限后，我們能夠通過(guò)程序化的方式向一家或多家提供商訂購檔案數據。然而，SkyWatch是唯一允許用戶(hù)以程序化方式提出未來(lái)數據采集請求（“給衛星分配任務(wù)”）的服務(wù)整合商。

今天，衛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)一步拓展衛星數據的功能：更頻繁的成像和更多地使用合成孔徑雷達。

第一個(gè)變化并不令人驚訝。隨著(zhù)越來(lái)越多的地球觀(guān)測衛星進(jìn)入軌道，捕捉的圖像會(huì )越來(lái)越多，捕捉的頻率也會(huì )越來(lái)越高，因此，某一區域的衛星影像成像頻率將增加?，F在，通常是每周兩到三次；預計重復成像很快會(huì )變成每天幾次。這并不能完全解決云層遮擋必要查看對象的挑戰，但會(huì )有所幫助。

第二個(gè)變化更微妙。在過(guò)去幾年里，歐洲航天局Sentinel-1 SAR任務(wù)的兩顆衛星提供的免費數據使很多公司都開(kāi)始涉足合成孔徑雷達領(lǐng)域。

配備合成孔徑雷達后，衛星可以****無(wú)線(xiàn)電波并測量從地表反射回來(lái)的信號。它持續不斷地這樣做，并通過(guò)巧妙的處理程序將數據轉換為圖像。使用無(wú)線(xiàn)電波可使這些衛星能夠透過(guò)云層，晝夜不停地收集測量數據。根據使用雷達的波段，合成孔徑雷達影像可用于判斷材料特性、水分含量、精確運動(dòng)和高程。

毫無(wú)疑問(wèn)，隨著(zhù)越來(lái)越多的公司熟悉這類(lèi)數據集，對衛星合成孔徑雷達影像的需求將越來(lái)越大。自20世紀70年代以來(lái)，軍方一直在廣泛使用衛星合成孔徑雷達影像。但它才剛開(kāi)始出現在商業(yè)產(chǎn)品中。不過(guò)，我們可以預判這些產(chǎn)品將急劇增長(cháng)。

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星座，包括Capella Space、Iceye、Synspective、XpressSAR等。市場(chǎng)很快將變得擁擠，不過(guò)這對客戶(hù)來(lái)說(shuō)是個(gè)非常好的消息。這意味著(zhù)對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圖像，每小時(shí)（或更短時(shí)間）拍攝一次，無(wú)論白天還是黑夜，陰天還是晴天。

無(wú)疑，人們會(huì )想出奇妙的新方法來(lái)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星影像，讓更多人使用它們。

在不久的將來(lái)，地球觀(guān)測衛星數據可能會(huì )像GPS一樣普遍存在，GPS也是一項最初僅由軍方使用的衛星技術(shù)。想象一下，有一天你也許可以拿出手機這樣說(shuō)：“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