轉發這個高分衛星,助你高考得高分
2020年07月07日16:08

  來源:中國科普博覽

  社交媒體發達的現在,我們時常能看到“轉發這條錦鯉能得到好運”、“轉發這條轉運RNA可以轉運”的內容,擅長從生活的各個角落探尋幸運的蹤影的人們,總是借這種美好的象徵收穫笑容與慰藉,緩解對未來的焦慮。

 轉錦鯉得好運(圖片來源:百度百科)
 轉錦鯉得好運(圖片來源:百度百科)

  5月31日,又一顆高分衛星被送上宇宙,相信正處於高考或中考前關鍵時期的千萬學子看到“高分”二字,也會想沾沾喜運。那麼高分衛星究竟是什麼呢?在轉發這個高分衛星前,讓我們先來瞭解龐大的衛星家族。

  高分衛星和它的兩隻“眼睛”

  高分衛星是一系列衛星的通稱,同屬於2010年啟動的高解像度對地觀測系統重大專項工程。這裏的“高分”實際上是“高解像度”的簡稱,意為他們拍攝的圖像清晰度很高,而非高懸於上空的現代文曲星。

  雖然高分衛星不會做題,但它在我們日常生活中可有著極大的用處,這全都依靠高分衛星所具有的兩隻“眼睛”。這兩隻“眼睛”,也就是它的核心設備——光學成像系統和光譜儀,兩種儀器原理不同、功能互補,提高了衛星的觀測能力,讓中國的遙感衛星體系跟上了歐美的步伐,躋身第一梯隊。

  衛星的左眼是光學成像系統,也是一類大家天天都能接觸到的系統。人們最常見也最常用的光學成像系統大概是自己的眼睛,其次是搭載在各色電子設備上的相機。它們都由透鏡系統和感光元件兩部分組成,在人眼系統中是晶狀體等結構與視網膜的組合,在相機上是透鏡組與感光板的組合。

  傳統的感光元件只能感受光線明暗,為了實現人眼一樣能感受顏色的能力,需要給它們裝備特殊的濾光片或濾色板,就像是戴上有色眼鏡。這樣相機拍攝之後直接得到的,就是經過各種濾光片過濾的許多幅黑白相片,然後根據色彩的合成算法就可以得到彩色的圖案。

  高分衛星上所搭載的光學成像系統可以看作是更複雜的相機。因為需要在宇宙上工作,高分衛星的光學成像系統要有在極端條件下保持穩定的能力。而要對遙遠的地表進行高精度觀測,對透鏡組的設計與製造精度有著極高的要求。

  根據設計的不同,高分衛星上搭載的不同相機也能實現不一樣的功能。

  作為系列的第一顆衛星,大哥高分一號利用搭載的四台相機的視場拚接或重疊,既可以實現圖像寬度800千米的寬幅成像,也可以實現範圍較小但解像度達到單像元2米的“高分”成像,這意味著它可以分辨出並排停著的兩輛小轎車,一下子就拔高了中國遙感衛星的技術高度,可謂是一鳴驚人。

高分一號衛星銀川影像圖(2013年5月11日接收,解像度:8米)(圖片來源:國防科工局重大專項工程中心、中國資源衛星應用中心)
高分一號衛星銀川影像圖(2013年5月11日接收,解像度:8米)(圖片來源:國防科工局重大專項工程中心、中國資源衛星應用中心)

  當然後來的弟弟妹妹也不會輸給大哥。高分二號的能力正如葫蘆兄弟的二娃,拍攝的解像度進一步提高到了單像元0.8m,可謂是名副其實的千里眼。而到了近年發射的高分七號,他裝備的激光測高儀使他擁有了測量到地面距離的能力,進而實現了立體測繪,甚至可以分辨出7.5釐米高差的灌木。

高分二號衛星故宮及周邊地區遙感影像圖(圖片來源:空天信息創新研究院)
高分二號衛星故宮及周邊地區遙感影像圖(圖片來源:空天信息創新研究院)
高分七號衛星獲取的北京首都國際機場衛星影像(圖片來源:國防科工局重大專項工程中心 中國高分觀測)
高分七號衛星獲取的北京首都國際機場衛星影像(圖片來源:國防科工局重大專項工程中心 中國高分觀測)

  衛星的右眼是光譜儀。在高分家族中,高分五號的一隻眼顯得與眾不同。如同金庸筆下的金毛獅王謝遜,這隻眼睛雖然看不見具體的圖像,但是感知能力並不遜色於明眼,這隻眼睛就是光譜儀。

  想必大家小學的時候都玩過三棱鏡,太陽光經過三棱鏡色散後,根據波長差異按“紅橙黃綠青藍紫”排列開,這就是最簡單的光譜。而太陽光在經過我們的棱鏡之前要穿過厚厚的大氣層,還可能要經過窗戶玻璃。這一路上,各種分子、原子都會吸收光子或是與光子發生散射,而這些過程會留下它的特徵譜線,就像是一個籃球在經過多次傳球之後留下了大家的指紋。

大氣中部分氣體分子的光譜吸收線(圖片來源:Cold Facts on Global Warming)
大氣中部分氣體分子的光譜吸收線(圖片來源:Cold Facts on Global Warming)

  光譜儀的工作原理就是將接收到的光線用光柵分光,得到類似我們用三棱鏡看到的光譜。通過分析其中的指紋信息與它的強度,我們就能明白留下痕跡的是哪些原子或分子,以及它們的濃度。借此我們能得到溫室氣體或者汙染氣體的濃度,對氣象工作與環境監控有著重要的意義。

  各顯神通的高分衛星家族

  除了在前文提到在光學成像與光譜觀測中有一技之長的衛星,其他高分衛星還有各自的特殊本領。

  高分三號主打的是微波波段的成像,能用天線接收人眼看不見相機也拍不到的光,它的長相和雷達相似,填補了我國微波遙感數據的空缺。高分六號主攻農業,因此增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段。高分四號鶴立雞群——他獨自位於赤道東經105°上空、距離地表36000千米、比其他六兄弟高五十餘倍的地球靜止軌道上,繞轉角速度與地球自轉一致,只為能夠時時刻刻守望著祖國。

圖示為普通相機(左)高分一號(中)與高分六號(右)對同一地區合成的圖片,高分六號擁有更高的地物區分度(圖片來源:科普中國)
圖示為普通相機(左)高分一號(中)與高分六號(右)對同一地區合成的圖片,高分六號擁有更高的地物區分度(圖片來源:科普中國)

  前面著重介紹的多種多樣的探測器確實是點“睛”之筆,但是一顆優秀的衛星能夠順利拍攝到地球上都圖像再將其傳輸回來,光有千里眼是不夠的。

  如同我們談論網絡時一定會討論網速一樣,數據傳輸最直觀的衡量標準永遠是速度。高分系列衛星從開始的高分一號的450Mbps*2發展到高分七號的1200Mbps*2,更快的傳輸速率為數據的順利傳輸提供了最基本的保障。中國遙感衛星地面站也已經建成了包括密雲站、喀什站、三亞站、昆明站和北極站5個地面站的衛星接收站網,結合高度規範、自動化的操作,保證了數據傳輸的流暢。

中國遙感衛星地面站接收站網佈局及接收覆蓋範圍示意圖(圖片來源:空天信息創新研究院)
中國遙感衛星地面站接收站網佈局及接收覆蓋範圍示意圖(圖片來源:空天信息創新研究院)

  高分衛星屢獲“高分”

  高分衛星攜帶了那麼多先進的設備,花費了那麼多人力物力,如果你覺得它們只是組團上天拍拍照片,感受山河壯美,那可就大錯特錯了。

  雖然“高分衛星”不能幫大家考試拿高分,但是他們拍攝的高解像度圖像在許多領域都有重大意義,可謂是屢獲高分、好評如潮。從上空對城市的拍攝在可以省去很多逐地測繪的繁瑣,還能從全局上研究城市的規劃;從山野上空的拍攝也能持續對比地形變化,對可能的災害進行預報,對已發生的災害如火災、山體滑坡、或是颱風是發出警報;拍攝範圍遍佈全球,可以注意到全球的動態;農業上可以關注全球農產品生產情況,進而對進口貿易提供指導。

高分四號衛星拍攝到的颱風“利奇馬”的颱風眼影像(圖片來源:國防科工局重大專項工程中心 中國高分觀測)
高分四號衛星拍攝到的颱風“利奇馬”的颱風眼影像(圖片來源:國防科工局重大專項工程中心 中國高分觀測)

  它們的用途如此廣泛,甚至連考古學家也得到了高分衛星的幫助。2018年,中科院遙感地球所聯合突尼斯、意大利、巴基斯坦的科學家利用空間考古技術與方法,在絲綢之路西端突尼斯發現10處古羅馬時期考古遺存。這是中國科學家利用遙感技術在中國境外首次發現考古遺址,這些遺存揭示了古羅馬時期南線軍事防禦系統的佈局與農業灌溉系統的結構。利用遙感技術進行考古研究不僅省時省力,還可以從更大尺度上觀測,從全局上將看似不相關的遺蹟聯繫在一起。

邊牆遺址(圖片來源:中國科學院遙感與數字地球研究所)
邊牆遺址(圖片來源:中國科學院遙感與數字地球研究所)

  隨著最初計劃的七顆高分衛星上天,中國的遙感衛星技術相較十年前也有了巨大的飛躍。技術的進步回饋生活,帶來越來越多的可能性,相信高分衛星的研發不會停下腳步,更多的衛星將進一步填補觀測的空缺,高分系列也將繼續創造佳績。

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