遥感卫星 （用作外层空间遥感平台的人造卫星）

简介

人类最早发射的遥感卫星是1960年4月1日由美国发射的泰罗斯1号气象卫星，它拉开了人类从外太空对地球进行遥感探测的大幕。随后苏联、日本、欧空局、中国、法国和印度在内的许多国家和空间组织都发展和发射了大量的遥感卫星，为人类探测、开发利用资源，监测全球天气变化等研究和工作提供了大量及时、准确和全面的科学依据。截至2022年，世界各国的遥感卫星主要包括气象卫星、地球资源卫星、海洋观测卫星、环境监测卫星和侦察卫星等。

历史沿革

1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星——“卫星1号”被送到了外层空间。这是人类第一次冲破重力的束缚，自由自在地探测宇宙空间。苏联的这一划时代成就当即在西方世界引发了一场“卫星地震”。

1960年4月1日，美国成功发射了世界上第一颗试验性气象卫星“泰罗斯”1号。这颗卫星呈18面柱体，装有电视摄像机等先进设备，在近圆轨道上拍摄了22952张云图和地势照片，有用率达60%。美国在1960至1965年间共发射了10颗“泰罗斯”气象卫星，其中最后两颗为太阳同步轨道卫星。

1968年，美国阿波罗-8宇宙飞行器发送回了第一个地球影像，从此，人类开始以全新的视角来重新认识自己赖以生存的地球。1975年11月，我国成功发射一颗返回式遥感人造地球卫星，使国防科技取得了新的突破。

基于军事方面的考虑，各主要航天大国相继研制出各种以对地观测为目的的遥感卫星，并逐步向商用化转移。随着计算机技术、光电技术和航天技术的不断发展，卫星遥感技术正在进入一个能快速、及时提供多种对地观测海量数据的新阶段及应用研究的新领域。近20年来全球空间对地观测技术的发展和应用已表明，遥感卫星技术是一项应用广泛的高科技，不论是欧美发达国家还是亚太地区的发展中国家都十分重视这项技术。民用遥感卫星按其工作方式有四种主要类型，即光学卫星、雷达卫星、激光测高卫星以及重力卫星。

基本类型

气象卫星

气象卫星是指从太空对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星，是卫星气象观测系统的空间部分，也可以说就是一个高悬在太空的自动化高级气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。

全球知名气象卫星

陆地卫星

陆地卫星主要负责调查矿藏、海洋资源、地下水资源，监控农业、林业和畜牧业资源合理使用，预报农作物收成，研究自然植物和地貌，勘察自然灾害和环境污染，拍摄目标图像以绘制专题图等。遥感器包括MSS和RBV，收集的信息以电信号记录，传输给地面站处理后供用户使用。陆地卫星还配备DCS系统，为150个地面平台收集数据并集中传输。遥感数据广泛应用于土地森林和水资源调查、农作物估产、矿产和石油勘探、海岸勘察、地质与测绘、自然灾害监视、农业区划、工程建设和环境动态监测等领域，全球许多国家已建立陆地卫星地面站。

2021年8月20日，《自然资源部2020年卫星遥感应用报告》发布，报告显示，中国自然资源卫星观测能力进一步提升，卫星共享共用形成规模，自然资源部表示，目前中国在轨自然资源遥感卫星达到19颗，中国面向自然资源调查的遥感卫星观测能力进一步提升。

世界各国（地区）主要陆地卫星

海洋卫星

海洋卫星是地球资源卫星的一种，同陆地卫星和气象卫星相比区别在于海洋卫星可见光传感器要求波段多而窄，灵敏度和信噪比高，具不同的光谱通道及更频繁的重复观测率（地面覆盖周期要求2~3天，空间分辨率为250~1000m）。按用途分，海洋卫星可分为海洋水色卫星、海洋动力环境卫星和海洋综合探测卫星处。

自美国1978年6月22日发射世界上第一颗海洋卫星Seasat-A以后，海洋卫星发展经历了试验、应用研究和综合发展等四个阶段。现在能研制和发射海洋水色卫星的国家有中国、美国、日本、法国、欧洲空间局、俄罗斯、印度、韩国等。中国海洋水色卫星海洋一号A和海洋一号B分别成功发射，海洋动力环境卫星海洋二号预计于2009发射，海洋综合探测卫星海洋三号也已进入预先研究阶段。根据海洋专家建议，我国海洋卫星总体发展目标是：2015年建立起海洋水色卫星、海洋动力环境卫星、海洋环境综合卫星3个业务化运行的卫星系列；2015年使我国的海洋卫星及其应用水平达到国际2005年的水平，在国际社会中占有一席之地。

应用领域

环境监测

无论是草地变成耕地，还是自然生态遭到破坏，遥感监测都可以明察秋毫，精准锁定证据。如腾格里沙漠排污、祁连山生态破坏事件等这些“大案要案”证据的锁定，卫星遥感都发挥了不可替代的作用，卫星遥感技术可以帮助监测海洋表面温度，提前预警海洋暖化和海洋生态系统的变化。针对东南亚每年春季烧荒、夏季俄罗斯森林火灾等大量生物质焚烧以及中蒙边境地区沙尘天气，污染跨境传输对我国境内城市环境空气质量造成严重影响，充分发挥卫星遥感跨区域大范围监测技术优势，综合利用多颗极轨卫星和静止卫星对污染的起源、传输路径以及影响范围进行动态监测分析。水环境方面，开展全国饮用水水源地、城市黑臭水体、河湖岸线等业务化遥感监测；大气环境方面，开展重污染天气应急、秸秆焚烧、网格化大气污染高值区遥感监测；土壤环境方面，开展土壤污染重点行业企业筛选及空间位置动态遥感核实；固废监管方面，开展长江流域固废遥感监测、重点区域尾矿库底数遥感排查，遥感监测在生态环境管理决策中功不可没。

农业

卫星遥感技术在农业方面的应用也非常广泛。通过卫星遥感，可以实时监测农作物的生长情况、土壤湿度、气候变化等因素，为农民提供决策支持。例如，卫星遥感技术可以帮助农民确定最佳的灌溉时间和量，提高农作物的产量和质量。

通过使用卫星遥感器提供的先进卫星图像来监测作物的生长。与无人机图片不同，卫星技术可能会出现人眼不可见或无法触及的问题。这可以作为一种预警机制，通过消除维护作物所涉及的风险和耗时的做法来拯救农作物。

遥感卫星能够快速准确地获取地面信息，结合地理信息系统(GIS）和全球定位系统（GPS）等其他现代高新技术，可以实现农情信息收集和分析的定时、定量、定位，客观性强，不受人为干扰，方便农事决策，使发展精准农业成为可能。

遥感和农业是相辅相成的。这项技术与无人机、卫星和其他平台的基本工作原理几乎相同。能量以光的形式从太阳传播到地球。光波几乎像海浪一样传播——一个波的峰值到下一个波的峰值之间的距离被称为波长。太阳发射的能量被称为电磁能，是电磁频谱的一部分。用于农业应用的波长覆盖了少量的电磁频谱。 当这种电磁能量撞击植物时，根据能量的波长和植物的类型，它可以被吸收、反射或传输。在人眼能够看到绿色作物的地方，这意味着能量已经反弹。这是因为植物的叶绿素吸收了大部分能量，反射绿色。剩余的能量通过叶子传递并浸入地下。通过监测反射、吸收和传输的能量，传感器识别“光谱”特征，这有助于确定某些植物物种的独特特征。该技术可以根据健康和不健康的植物对这些功能进行分类，警告农民他们的作物有没有出现问题。

监测作物的颜色是了解植物健康状况的关键方法之一。植物的颜色能够让农民评估它接受的叶绿素水平，表明营养吸收的程度。该卫星部署了红外和短波传感器，这些传感器描绘了如果光线改变平台的颜色，叶子内部会损坏。

归一化差异植被指数（NDVI）是了解健康和不健康色觉的标准模型。即使在初始阶段也能检测到损害，使农民有时间确保它不会扩散到其他作物上，并试图纠正任何植物已经遭受的损害。

此外，卫星遥感技术可以很容易地探测到任何污染或昆虫攻击。在农作物数量众多的地区，农民很容易准确地注意到污染的来源，并迅速阻止它们传播。

农民使用卫星遥感技术来记录土壤中盐分的状况及其健康状况。当有大量盐物质时，该技术将以更明亮的颜色突出显示该部分。这向农民表明，土壤需要更多的水，需要处理。相比之下，热传感器可以检测缺水的地方。这是通过监测热量来完成的，热量会变成较浅的色调。

气候变化研究

卫星遥感技术对于气候变化研究也具有重要意义。通过卫星遥感，可以实时监测全球的温度变化、云量变化、海洋表面温度等，为气候变化研究提供数据支持。例如，卫星遥感技术可以帮助科学家确定全球变暖的趋势和速度，为制定应对气候变化的政策提供科学依据。气象卫星遥感资料在我国气候和气候变化业务中的应用进展较快。目前，利用气象卫星资料反演的海表温度、长波辐射、积雪和海冰产品已经成为全球和区域气候与气候变化研究不可或缺的信息。

2019年末，中国生态环境部联合国家航天局等机构，通过中国应对气候变化南南合作项目，援助埃塞发射了其首颗人造卫星ETRSS—1，还帮助建设了恩托托空间天文台地面站，系统培训了相关技术人员。ETRSS—1让埃塞人第一次通过自己的卫星图片看到了首都亚的斯亚贝巴的城市布局、祖库拉休眠火山周边的植被生态状况、库卡湖区水体及沿岸的演变过程等。接收到的数据和图片进行数字化处理后，对了解和掌握尼罗河流域火点火情分布、农牧场地面干湿度变化等具有重要作用。卫星对地区性气候变化进行了持续性跟踪，提供了人类活动影响气候变化的直接证据。埃塞气象学家正根据卫星观测结果，对地区中长期气象走势进行预测，为应对可能出现的气象灾害做好准备。

城市规划

卫星遥感技术在城市规划方面也发挥着重要作用。通过卫星遥感，可以实时监测城市的土地利用变化、建筑物分布情况等，为城市规划者提供决策支持。例如，卫星遥感技术可以帮助规划者确定合适的用地类型和建筑物高度，为城市的可持续发展提供指导。

军事侦察

遥感卫星对于战场的保障作用更加突出，重要性日益明显。对于卫星，特别是气象卫星的改进创新架构，在以后的研究中将多领域新技术进行有机结合，提升遥感卫星的战场保障实力。相比光学遥感卫星，雷达卫星的雷达波能穿透土壤和植被，也就是可以探测地下目标。雷达遥感在不同的波段下，对土壤穿透的深度不一样，通过不同波段的雷达卫星遥感，还可以反演地表土壤特征，轻松探测到隐藏在地下的军事设施，进而实施精确打击。

发展趋势

总体状况

自上世纪90年代冷战结束后，对地观测卫星市场需求增加。美国商业航天部门抓住机遇，发射了多颗相对廉价的商业遥感卫星，拥有的遥感卫星数量最多，占比50%。中国排名第二，拥有134颗遥感卫星，占比18%。日本以28颗遥感卫星排名第三，占比4%。其他国家如俄罗斯、印度和德国等的卫星数量相对较少。据忧思科学家联盟卫星数据库显示，截至2018年11月底，光学成像卫星占遥感卫星总量的50%，其次是气象卫星和地球科学卫星。

高分辨率遥感卫星

高分辨率对地观测卫星具有多种优势，包括高视角观测、强生存能力和长期稳定运行等，被广泛应用于国土、海洋、气象、测绘、军事等领域。其经济和军事价值非常重要。空间分辨率是指单个像素所能描述的最小地物尺寸，高分辨率卫星已经进入了亚米级时代。例如，光学成像侦察卫星锁眼-12的全色分辨率达到了0.1米，军商两用卫星世界观测-3的分辨率为0.31米，美国“未来成像体系-雷达”卫星的分辨率优于0.3米，德国商业合成孔径雷达卫星TerraSAR-X的分辨率为0.25米。除了空间分辨率，图像定位精度也是一项重要的指标。数字地球公司的“地球眼”和“世界观测”卫星的图像定位精度已达到3.5米。

小卫星星座

随着对地观测卫星的进步，微小型卫星星座成为全球观测网络的关键部分。美国Planet公司的“天空卫星”是用于获取时序图像和视频产品的高频成像对地观测小卫星星座，已发射13颗卫星，是世界数量最多的亚米级高分辨率卫星星座。2018年，芬兰ICEYE公司成为首家利用小型SAR卫星获得高分辨率图像的公司，其SAR卫星可在任何时间提供高分辨率卫星图像。同时，英国Earth-i公司成功发射全球首个全彩色视频商业遥感卫星星座Vivid-i，具有创新功能，可提供地球任意位置高帧频图像和高精度对地观测数据，为救灾和基础设施监控等场景提供决策依据。

未来方向

随着商用对地观测卫星领域的发展，预计未来10年将有超过2000颗小卫星发射升空，提供高重访周期和多样化应用。雷达和视频卫星将成为未来卫星制造需求的热点，两家新兴公司——美国天空盒子成像公司和行星实验室公司，采用了颠覆式创新的商业模式，前者构建云服务平台，鼓励用户或第三方开发专业应用APP，提供定制化服务，后者采用“永远在线”工作模式，确保全球实时数据更新。对地观测产业正在从图像售卖转向分析判读和对地观测数据处理与分析等业务，随着供应、分销和客户渠道问题的解决，下游信息产品和大数据分析服务将有更大的发展空间。然而，对地观测数据市场存在供应过剩的问题，同时商业价值越来越大，市场将继续整合。