延伸的视界
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他们这样摄影
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新的一年，《中国摄影》以“科学”开题，最新一期专题“2019：科学世界影像漫游”介绍了国内外9位具有科研背景，或具备一定的科学热情和科学素养的艺术创作者，展示了他们以摄影为主要媒介，以科学为核心创作的作品。在这9位作者之外，我们继续拓宽眼界，发现更多值得品读的作品。
遥感成像技术：延伸的视界
供图 | 姜景山
采访 | 本刊记者
巴西、秘鲁和哥伦比交界的亚马逊热带雨林地区，图像大小约为79.3km×33.6km，图像中心经纬度为西经70.0533, 南纬4.2122, 获取时间为2016年9月23日10时56分
当我们抬头望向天空，或许会有幸与高远的探测卫星四目相对；打开谷歌地球，就像暂时拥有了“上帝视角”······这些体验都是当下的遥感技术（remote sensing）为我们带来的。通过电磁波的传播与接收，我们借助遥感技术感知甚至观测目标的特性并加以分析，被捕获的讯息能够以图像的方式表现出来。自1858年纳达尔坐上热气球从高空拍下巴黎的鸟瞰照片，尝试用照相机拓展人类视野的那一刻起，对“遥感”的实践就开始在摄影的范畴内萌发，并在新兴科技的推动下将“摄影之眼”越推越远。
本刊记者针对遥感技术在原理和应用层面的基本知识，以及遥感与一般意义上摄影的关联和区别等方面的问题，采访了微波遥感及航天应用工程科学专家，中国工程院院士姜景山。
森林火灾火场红外遥感图像
中国摄影：请简单介绍一下遥感技术的原理和应用范围。
姜景山：遥感技术概念已存在了比较长的时间， 自从有了照相机以后, 遥感技术就已经开始实践，只是那时候不叫遥感。遥感这个概念是美国人在上世纪60年代正式定名的，但是它的技术基础已经在18、19世纪都有了。遥感的原理很自然地跟人的功能相关，人的功能受限制，所以遥感的目的是看我们能不能把人的 “视线”更延伸一点，能看的东西不局限于眼睛能看到的这个范围。仿生生物学里面就有很多用仿生的方法来拓展人的功能。比如说蝙蝠，它就可以看到红外。
遥感技术要为民生服务，同时为国家安全服务。现在遥感无孔不入。比如说灾害，灾害的分析检测和灾后的重建工作都有遥感技术介入。比如地震发生以后马上公布了灾情什么样，灾情以后重建怎么办，这都是用飞机遥感就能看得很清楚的。
中国摄影：遥感设备和技术所应用的平台包括哪些？
姜景山：遥感的平台，包括地面、航空（飞机和无人机），还有近地空间平台（比如离地面20公里的飞艇)；再上去就是地球轨道，地球轨道一直覆盖到3万8千公里；再往上就是深空，深空是月球以外，月球我们已经去过了，我们即将要去火星，未来我们要去更远的地方。那个时候我们看到的东西就会是宇宙空间、其它星球、小行星等，我们的嫦娥二号就连小行星都看得到，比如一颗几公里长、几公里宽的小行星也可以把它拍摄回来。
2011年5月，洞庭湖区遥感图（可见光谱段）
中国摄影：日常意义上的“摄影”是在可见光范围内进行操作的，那么遥感技术所覆盖的波段又是怎样的？不同波段的遥感技术有何区别？
姜景山：现在的遥感技术基本上把整个电磁波都占了，手段都有了，还在进一步发展。从波段来说，遥感分为可见光-近红外遥感、红外遥感和微波遥感。遥感技术正式进入航天应用领域，是1950年代的事，那以后就逐步扩展到这三个光谱都有应用。
首先说可见光，大家知道红橙黄绿青蓝紫，人眼睛大概能看到也就这么多，最长是红，再长就看不见了。最短的是紫色，比紫还短的看不见。在没有红外和微波遥感技术的时候，人的眼睛应该是最好的遥感。比如我们现在往外一看，看到对面的楼，看得很清楚。只不过太远以后，由于大气等各方面的因素就看不清了，所以人的眼睛现在看相对近处的东西很清楚，但要看更远的月球、火星、深空这些，靠眼睛就不行了。后来站得比较高的卫星就上天了，现在我们对地观测的遥感卫星的高度一般都是几百公里。那么远的地方往下看，人眼就不行了。我们坐在飞机上面，一万米高度看地面，晴天还是看得很清楚。所以大家觉得有了卫星以后，利用这样好的平台，就算把人放在卫星上能不能看得见地面？后来想到有照相机，就首先把可见光相机放到卫星上面看地球。所以遥感首先从可见光开始的。
哥伦比亚麦德林附近海域海岛三维成像
但是，使用可见光相机在下雨的时候，有云彩的时候，有雾的时候，还有黑夜里，就看不见了。所以能不能解决白天黑夜都能看这个问题，如果人的眼睛能看到红色以外再长一点的波长就好了。于是就产生了红外的概念。这个红外有什么特色？它不分白天黑夜，只要物体有温度差别就能看。所以利用这个东西，我们能看到更多的目标，人们的“视线”大大延长。我们估计了一下，如果卫星用可见光相机看地球，能够工作的时间比率是百分之十几。为什么？黑夜它看不见，有云彩它看不见，这些东西都去掉，就只有百分之十几的时间可以看，效率很低。如果添上红外的话，黑夜就 能看，这样它能把观测的时间大大延长，大概能达到百分之五六十。自然界里面最低温度是负273度，物体的温度只要高于这个温度，都 辐射电磁波，可见光、红外和微波都是电磁波。物体既然有这个特性，我们用这三个手段可以观察物体。比如说，夜里在机场里面停着很多飞机，飞机飞走了，可见光看不到，红外能看到。为什么？因为它白天停在那以后，太阳晒的时候，飞机底下晒不到，所以它飞走以后，飞机原来覆盖的地面和周围的温度有大的差别，只要有这个温差，红外可以成像。这个东西现在用得比较多，除了我们民间里面用得比较多，军用也相当广，比如侦查。飞机飞走以后两三个小时，卫星再过，就知道这是一个机场，知道原来有什么机器在这停着，所以红外有这个功能。
但是红外也有问题，如果遇到大风大雨，比较恶劣的天气它就不行。所以大家想能不能实现全天候、全天时的看，这是理想化的。所以大家想到波长更长的微波，于是产生了微波遥感技术，我本人主要是搞微波遥感的。我在上世纪五六十年代提出过“微波也能成像”这个原理，将来很可能出来微波“相机”。
现在可见光有了，红外有了，再有微波的话，这三个同时用，或者需要什么用什么，用它们大概覆盖整个地球，至少能看到百分之八九十。因为卫星轨道的限制，目前全看是不可能的。
山东东营市、莱州湾，谷歌地球所展示的雷达图效果
中国摄影：类比一般意义上的摄影，遥感技术生成图像的要求是如何体现的？
姜景山：不同物体, 它总是有温度不一样，分辨率不一样，层次不一样，辐射的精度不一样。所以如果按照摄影角度考虑的话，这几个方面都需要有标准。
一个是几何分辨率，看得是不是清楚，能不能分出清晰的层次，别模模糊糊，边界要很清楚。所以几何的精度和畸变的控制应该相当高，方的就是方的，圆的就是圆的。另外一个是辐射分辨率。物体都辐射，可见光也在辐射。可见光是被动的，只要有光照进来，你在房间里面可以照相，照的层次清晰不清晰，辐射的程度不一样，就能把它分辨出来。可见光分辨率最高，红外分辨率稍微低一点，微波利用雷达以后分辨率接近于可见光了。比如说从800公里的高度上看，微波遥感有0.1米的分辨率。现在我们对外公开是0.5米，但是我们肯定要继续做到0.1米。美国现在它说已经有了0.3米的分辨率，这方面我们并不比它差哪去。所以通过遥感生成一个图像的要求跟一般的摄影要求一样，只不过行话可能不一样。我们从遥感角度分成几何的分辨率、几何的畸变，还有辐射的变化。从这个角度来说，跟摄影是一样的，只不过你们所说的摄影是以可见光为主，可能还没有广泛地用上红外，微波更没有用上。
秘鲁亚马逊热带雨林地区, 图像大小约为80km×34km, 图像中心经纬度为西经70.8351，南纬3.4174, 获取时间为2016年9月23日10时56分
另外，对遥感来说，是不是可以这样解释：物体达到自然温度以上，原理上都可以进行遥感。现在的摄影，在零下摄氏度情况下可以操作，只要照相机能够运作就没有问题。到北极南极，零下50摄氏度，照相机快门动不了，那就不行了。所以遥感和一般的摄影对环境都是有要求的。比如说我现在到月球，到那首先照相。因为月球的一昼夜相当于地球的14天左右，所以相当长的时间它是黑夜，月球黑夜的温度可以达到零下一百五六十摄氏度，甚至零下一百八十摄氏度，那个情况下谁都不能工作。所以我们怎么办？我们在那等着，留下一定的功率提供给摄影器械，让它保持点温度，等待白天复苏再做工作。这跟我们到南极和北极拍摄的原理是一样的。所以对环境的要求是起码的。
对环境要求除了温度以外，有一个传播媒介的损耗因素。比如说今天是一个大晴天，对摄影来说看得很清楚，甚至十几公里都大概能照上；但是如果是雾天就看不清楚，所以这就是传播媒介不同的体现：被摄物那边的能量传到这边来以后剩下不多了，没法照相。这里面存在大气辐照的问题，这是最起码的环境方面的问题。不过，从一般摄影角度来讲，大概不太考虑辐照，因为一般拍摄距离都比较近。
日本东京江东区、横滨市、川崎市、浦安市、习智野市、千叶市, 图像大小为96.8km×38km, 图像中心经纬度为东经139.8050, 北纬35.6257, 获取时间为2016年12月14日4时41分
除了这个以外，路程比较远的时候，光线会出现散射或者拐弯，特别是从月球看地球的时候，存在时间滞后的问题。月球到地球距离38万公里，不远，但是总有几秒钟的时间差别；到火星那不是几秒钟的问题了，是几分钟。所以这么远的距离，拍摄到的画面两边不清楚，是因为拍摄设备离被摄物两侧的距离不一样。那怎么办？这个环境在那了，我变不了，我怎么办？我们就放一些仪器专门测量路径和环境，这些仪器不成像，只测量指标，然后参考这些指标，对摄影的内容做校正，把干扰的影像去掉。一般的摄影比较重视去掉杂波，但涉及卫星，不仅仅是杂波，整个环境的温度都在变化。所以为什么说上了卫星以后，遥感手段跟一般的摄影大不同，其中大概一半以上的工作就是保证回来以后成像的图像质量，很多环境因素要把它去掉。
中国摄影：在您看来，目前遥感技术研究的重点方向是什么？
姜景山：我们谈的这个微波是宏观上的微波，微波一般听起来好像是波长比较长，比如无线电波或者电视台播送的那种波，但是我们遥感里面讲的是到太赫兹，太赫兹的波长是亚毫米。我们现在微波跟50年前的微波遥感概念不一样。过去微波遥感刚出来的时候，被分为可成像的（比如雷达）和不成像的。经过四五十年的变化以后，现在所有的微波遥感手段都可 以成像，只不过分辨率不一样。比如说我们现在用的合成空径雷达，这个雷达的分辨率比较高，最高分辨率和可见光可匹敌。微波最大好处就是全天候、全天时，但是这是理想意义上。真正做到全天候、全天时那还不行，需要在一定波长之内实现。但是它有自己的用处，用处在哪里？有些波长直接可以穿透大气，有些波长就不行，我们把它叫做大气窗口。可见光也有窗口，比如说我们到河边，比较清晰的水，一米以下的石头、鱼都看得很清楚。但是如果这个水比较浑浊的话，你就看不清楚，这也是一个窗口的问题。假如到南海以后，想看得很深，你的眼睛就不可能完成了。眼睛是把赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫综合起来的，如果我们做成仪器的话，以绿光为主，就能看得比较深，这个在军用上有大大的用处。到北边的海，海比较浑浊，特别是渤海湾，黄河出去以后带很多泥沙，是很浑浊的，北边的海水的能见度、穿透力跟南边比差很多。所以我们研究海的时候就要考虑这个问题。
印度尼西亚中爪哇省与南加里曼丹省之间的爪哇海图，获取时间为2016年9月23日10时14分
到现在为止，我们陆地上遥感用得比较成功，因为陆地上不用考虑海水的问题，就考虑大气的问题。另外，陆地背景本身变化也不大，山不可能明天就移走了，喜马拉雅山的高度在变，这是指在很长时间跨度上，不可能一下子就长高了。所以，陆地上目标是比较稳定的，长时间不变，在整个几万年的历史是变的，但是人类现在寿命也就一百来岁，这个期间变化比较少。所以我现在提出来，遥感未来应该更多地关注海。照样是这些可见光、红外、微波遥感，研究海的表面没有问题，但是海水底下成问题。船出去有时候搁浅，它就是没有看到海底，更不用看到说潜艇，它都是潜在几十米、上百米，甚至一千米底下，对这个我们遥感现在好像能力还不够。所以我这些年一直在提倡，我们要重视海，特别是海底要重视，另外海和陆地的变化、海和大气之间的关系要重视。海陆、海气这个关系得搞清楚。比如说海上温度异常，比如厄尔尼诺现象。所谓的厄尔尼诺就是在赤道的温度异常，温度比平常高。后来人们发现不仅仅是正异常，还有负异常，就是拉尼娜现象。这些异常对我们都有很大的影响。可见光看不到，红外和微波就能够测量温度变化，所以对厄尔尼诺现象和拉尼娜现象的测量，红外和微波用得比较多。
大连与烟台之间的黄海海域，多艘不同大小船只的尾迹清晰可见，图像大小约80km×42km，图像中心经纬度为东经121.3,北纬38.49,数据获取时间为2017年4月10日21时17分
图为较大的船只尾迹
但问题是现在海底怎么办？我们正在研究，原来想用可见光看，用一般摄影的方法，这到南海效果比较好，能够看到十几米以下，但是到北部湾就不行，所以需要三个手段同时用，都是希望用摄影看得直观些。此外成不了像的，就看它变化的指标。比如说关于海洋高度的变化，我们现在在卫星上能够测出海洋高度变化了3厘米，这就是我们中科院国家空间科学中心做的。这3厘米是以地球作为基准来测量，它不成像。我带着学生15年以前开始研究这个，这次由以张运华教授为首的团队研发的 “天宫二号”的三维成像微波高度计有了新的结果，能够在宽域幅中更高地分辨出目标。本来什么都看不见的，我们现在让它能看得见了。比如说在海上，整个船的轨迹看得非常清楚。比较大的船后面总是有一个V型的尾巴，可以看得非常清楚。这就为我们出海以后的舰船提供了一个指导。分辨率再高一点的话，用可见光照相就能够照到比较大的船的本身。
作者简介
姜景山，1936年出生于吉林，朝鲜族，微波遥感及航天应用工程科学专家，中国工程院院士。1962年毕业于苏联列宁格勒乌里亚诺夫电工学院，1981年至1983年在美国从事微波遥感研究。曾参与中国首颗卫星的研制及以后多颗应用卫星探测系统研制工作。在中国卫星、载人航天、探月工程三大里程碑意义的工作中都做出了多方面的贡献，是我国航天遥感技术的倡导者之一，微波遥感技术的主要开创者。
编辑：何博（杂志）/ 周星宜（新媒体）
本文部分内容首发于《中国摄影》2017年10期
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