目前天問一號距離地球約1.84億公裡,距離火星約90萬公裡,在此之前探測器抵達距離火星約220萬公裡時回傳瞭我國第一張抵近拍攝的火星照片(圖1),照片中火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑、水手谷等標志性地貌清晰可見。但對於非專業人士而言,能看到的信息仍然太少,那如何可以讓飛船衛星等探測器看得更清楚哪些是平原、山峰、高原……

圖1 天問一號拍攝的火星

探測器要看得清楚所考察的星球上的目標,必須要搞清楚衛星飛船等探測器上相機的幾個關鍵指標,這幾個指標就是光譜分辨率、空間分辨率、時間分辨率。

光譜分辨率簡單的理解就是對“顏色”的分辨能力,僅僅白光就由一系列不同顏色(波長)的光所組成的(圖2),隻有可見光是人類可以識別的。可見光之外的光譜隻有儀器才可以探測。光譜分辨率是對影像中地物波譜細節信息的分辨能力,是衛星傳感器接收地物輻射波譜時所能辨別的最小波長間隔,當間隔較小時,光譜分辨率相應就會越髙,在同樣的波譜范圍下,通常影像波段數越多,光譜分辨率越高,如高光譜影像往往比多光譜影像具有更髙的光譜分辨率,高光譜分辨率對於影像地物的分類識別等具有重要意義。光譜分辨率高也有其缺點,那就是空間分辨率低,這次天問一號拍攝的圖像僅僅是黑白照片,為可見光波段范圍的混合圖像,由於是單波段,所以在圖上顯示為灰度圖片。全色遙感圖像一般空間分辨率高,但無法顯示地物色彩,也就是圖像的光譜信息少(圖3)。那什麼是空間分辨率?

圖2 光的色散:白光其實由一系列不同顏色的光所組成的

圖3 光譜分辨率示意圖(左)和空間分辨率示意圖(右)

空間分辨率通俗講就是探測器能看得見地面上最小物體的能力,理論上講就是對遙感影像空間細節信息的辨別能力,指傳感器能夠分辨最小目標地物大小,是實際衛星觀測影像中的一個像素所對應的地面范圍。如:我國研制的高分二號衛星分辨率達到瞭0.8m全色/3.2m多光譜,使我國空間對地觀測能力進入亞米級時代;高分11號衛星的空間分辨率得到瞭進一步的提升,分辨率達到瞭0.1m[1],獲得瞭較高的空間分辨率。高分11號衛星全色圖像空間分辨率是0.1m,指的是影像中的一個像素所對應的實際地面大小0.1m*0.1m,高空間分辨率圖像對於影響目標地物的識別和目視解譯等具有重要的作用。

空間分辨率的大小和哪些因素有關?一般來說,離觀測對象越近,看得越清楚,這就是所說的探測器的軌道高度H,另外還與探測器上的相機的口徑大小D有關,“眼睛”越大看得越清晰,還與各國發展的科學水平息息相關,那就是探測器上的像元大小a有關,即由此可以得到公式[2]:

R=H*a/(D*F)

其中F=f/D (F為f數,f為相機口徑的焦距)

例如:這次天問一號探測器的軌道器搭載的六大載荷裡有兩個都是光學成像設備,分別是中分辨率相機與高分辨率相機,其中高分辨率相機近火星點300公裡軌道高度成像分辨率可達0.6米,根據相關媒體報道,高分辨相機的口徑僅400mm(圖4)。

圖4 火星高分辨率相機主鏡(Φ400mm口徑)

那是不是空間分辨率越高越好呢,其實不然,俗話說得好,“鼠”目寸光和管中窺豹~可見一斑,空間分辨率並不是越高越好,分辨率越高,看得到的范圍就越小,也就是看得瞭細節,就不知道全貌,就如同我們在地圖上用放大鏡查找位置(圖5),具體位置在哪裡(**街道**村),但是你知道屬於哪裡嗎?我們仍不清楚具體在哪個位置,還是一臉茫然。因此我們既要看得清楚,又要看的范圍更大,以便洞察全局,這就需要我們在更高的軌道,看清更大的范圍,這時候探測器的空間分辨率就不會太高,此時我們隻需要大概瞭解一個范圍就可以瞭,如同我們縮小地圖范圍,瞭解我們查找的位置在**縣**市**省,然後根據我們掌握的知識就自然明白所找的位置在哪裡。如:高分二號屬於低軌衛星(軌道高度約為600km),因此其一次成像觀測的視野較小,其通過兩臺相機拼幅成像,成像幅寬45km,在側擺23°情況下5天周期內可實現對地球表面任一區域的重復觀測,從上述分析可知高分二號衛星雖然實現瞭較高的空間分辨率,但仍存在觀測的范圍不足等問題。因此如果需要獲得準確的位置信息,這就需要高低軌道探測器共同聯合發揮作用,低軌道探測器獲得高分辨率的圖像,而高軌道的探測器獲得范圍更大的圖像。

圖5 高分辨率隻能“鼠目寸光”所看范圍太小

除瞭要看得清楚和更大的范圍外,還要保證足夠的時間去觀察。盡管所探測的星球是不停自轉的,但是在較低軌道,星球的自轉速度小於探測器的飛行速度,探測器很快就飛離所觀測的位置,因此是不能保證所看到的位置是時刻不間斷偵查,因此提出瞭時間分辨率的觀念,時間分辨率顧名思義就是對同一地點的重復觀測能力,通常也把時間分辨率稱為重訪周期,重訪周期越短,時間分辨率越髙。髙時間分辨率對於地物的動態變化檢測等具有重要作用。對於地球而言,地球自轉的周期是23小時56分4.09秒,接近24小時,因此根據高中所學牛頓的萬有引力知識可以計算地球同步靜止軌道高度約為36000公裡(圖6),高考經常考到的題目,你會計算嗎?隻要探測器在地球同步靜止軌道,此時探測器的角速度就和地球自轉的角速度相同,那樣探測器就會一直在同一地點的上空不間斷觀測。我國成功研制瞭首顆地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛星—高分四號,與高分二號不同,高分四號為高軌衛星,由於處於36000km的地球靜止同步軌道,所拍攝的每張照片可覆蓋16萬平方公裡,通過拍攝60張照片可實現對西太平洋一千萬平方公裡的覆蓋,拍攝時間約為4~12分鐘,基本可實現對敵方航母戰鬥群在軍事熱點地區的實時監視,瞭解敵方航母戰鬥群的實時動態,具有極其重要的軍事意義。然而,由於高分四號衛星空間分辨率僅為50m,航母在其圖片上僅為幾個像素組成的模糊圖像。由於像素太少,難以將航母與遍佈於大洋上的超級油輪等目標區分開,因此不能用於直接識別目標。雖然通過高軌衛星和低軌衛星的組合——一方面利用具有高時間分辨率的高軌衛星進行普查、另一方面再利用高空間分辨率的低軌衛星進行詳查,可在一定程度上解決上述問題,但依然存在時效性不足的難題。為此,開發具有高分辨率的地球靜止軌道衛星對實現我國監控軍事熱點地區的實時動態具有極其重要的意義。同樣,如果想要固定在火星某一位置長時間拍攝,根據火星自轉一周的周期為24小時37分22.6秒,和地球自轉一周時間比較近似,但是其半徑隻有地球的一半,其同步靜止軌道高度約為17000公裡。

圖6 地球靜止軌道

那有沒有具有高光譜分辨率、空間分辨率、高時間分辨率的探測器呢?方法是提高地球靜止軌道相機口徑能保證時間分辨率的同時具有高空間分辨率。例如高分四號空間分辨率大約為50m,無論對於海洋還是陸地,戰場連續監視非常重要,空間分辨率達到10m時,才可發現、鎖定、跟蹤海上100m以上中型軍民船隻以及航母群等大型目標,因此可以將高分四號的相機口徑擴大5倍,約為3.5m左右,利用可見和紅外波段實時跟蹤目標,還可以與低軌高分衛星協同工作。以低軌衛星進行目標發現、鎖定,以高軌衛星進行凝視實時跟蹤觀測,成為一種好的監控手段。低軌衛星高分辨率可以清楚地看清地方目標,利用低軌衛星的高分辨,發現並識別敵方軍艦、戰機、坦克、集結部隊等,利用高軌地球靜止軌道衛星相機的高時間分辨率對其進行實時跟蹤。

除瞭對火星等地外星系進行探測,對地觀測也是未來發展的重點,高分辨率對地觀測衛星快速發展,對地觀測系統由最初的單星模式發展為現在的輕小型衛星組建星座(圖7),實現瞭全天時、全天候、全方位的對地精細化觀測。未來將對地觀測衛星星座與通信衛星、導航衛星和飛機等空間節點通過動態組網,建立天基空間信息網絡,以實現智能化空天信息的實時服務,形成一種模擬腦感知、認知過程的智能化對地觀測系統,通過結合地球空間信息科學、計算機科學、大數據科學與雲計算及腦科學與認知科學等領域知識,在天基空間信息網絡環境下集成測量、定標、目標感知與認知、服務用戶為一體的一種智能對地觀測“腦”系統[3]。

圖7 地球觀測腦

參考文獻

[1]郝哲,從對地觀測衛星到對地觀測腦,中國測繪,2020,10:10-13.

[2]劉韜,如何計算光學對地衛星的空間分辨率,國際太空,2013,10.

[3]李德仁、王密,沈星等,從對地觀測衛星到對地觀測腦,武漢大學學報,2017,42(2):1-7