《流浪地球Ⅱ》热映背后：聊一聊让地球“病变”无所遁形的卫星光学成像技术
最初，没有人在意这场灾难，这不过是一场灾火，一次旱灾，一个物种的灭绝，一座城市的消失。直到这场灾难和每个人息息相关。
——《流浪地球Ⅱ》
近年来，随着科技水平的飞速进步，现代化的工业体系得到了全面的发展。工业力量从根本上改善了人类生活质量，但超额能源消耗也为地球的未来埋下了隐患，近十年间异常气候灾害数量的激增便是最好的注解。
春节档热映的电影《流浪地球Ⅱ》，开篇旁白发人深思：对地球而言，自然灾害如同一场“牵一发而动全身”的疾病。或许灾害的发生很难避免，但如果采用了有效的监测手段，精准获知自然的动态变化方式，便拥有了及早应对灾害的决策时间，进而避免灾害影响的持续扩大。
卫星光学成像：地球“病变”的诊疗之法
事实上，自然环境的监测技术一直是各个国家关注的重点，而搭载了先进成像系统的卫星，由于具有观测范围广、观测时效快、观测图像连续完整的优势，以及有效突破地理空间环境限制的能力，成为了人类洞悉自然变化、诊疗地球“病变”的首选方案。
图1 正在工作的高光谱卫星——高分五号02星
（图源：国家航天局）卫星的成像方式主要可分为光学和合成孔径雷达成像 (SAR) 两类，根据观测环境的不同，卫星的成像方式也不尽相同。除了常规的全色摄影相机，光学成像卫星往往还会搭载多光谱、红外以及高光谱相机，进而实现全天候的成像监测功能。光学成像技术中常见的几种光谱相机与我们日常生活中常见的数码相机类似，它们都包含了一个性能优秀的光电传感模块：当强度足够高的光信号进入相机镜头之后，光电传感模块便可将其转化为电信号，进而实现对像素点的编码；但与数码相机不同的是，光谱相机在透镜（相机镜头）与传感模块之间，额外增加了一个分光滤波系统，进而能够将捕获到图像中光子的波段信息存储到最终所成的像中。值得一提的是，光谱成像技术能够很好地捕捉到人眼无法看到的紫外、红外光，提升人类对于自然的感知能力。
图2 多光谱相机结构示意
(图源：知乎)SAR技术则利用到合成孔径原理，实现具有较高分辨率的成像，相较于光学方式，SAR能够无视光线条件和气象状况的限制，实现极端气候条件下的成像需求。光学与SAR成像技术没有绝对的优劣之分，二者都拥有各自适宜的成像环境，并可形成相互补充的关系，共同确定一地的实际环境状况。
卫星成像技术支持下，环境学家有了新
发现
就在2023春节前夕，国际环境学界公开了两条极其重大的发现，直接拨动了无数学者以及普通民众的心弦。1月9日，国际地球科学顶级期刊Nature Geoscience发表了来自英国利兹大学Benjamin J. Davison研究员团队一项长达6年的研究工作，该工作利用欧洲航空局 (ESA) 哨兵1号卫星所拍摄到的海量图像，以及先进的人工智能算法，分析了南极洲冰川活动的动力学规律。哨兵1号卫星搭载了先进的SAR成像系统，能够实现对积雪层的穿透成像，获知雪层以下冰川构造的活动迹象，以提供准确、分辨率较高的监测数据；而人工智能算法则可有效地甄别出每张监测图像中的冰川裂纹，实现对冰川活动更加准确的预测。该团队对南极洲Thwaites冰架的运动行为进行了详细的记录分析，并希望能够以点带面，分析出冰川裂缝产生的一般规律。
图4 对南极洲Thwaites冰架的光学观测图像
（图源：ESA）在接受媒体采访时，该工作的参与者——来自利兹大学的冰川学专家Anna E. Hogg教授表示， Thwaites冰架中的冰舌结构，在过去短短6年时间内，发生了以往数十甚至上百年才会出现的增减速运动行为。愈加频繁的冰川活动，从侧面印证了全球变暖趋势的加剧，也再一次为人类敲响了警钟。而就在这项工作发表的当天，联合国环境规划署 (UNEP) 发表了一项声明：上个世纪里被人类严重破坏臭氧层，已逐渐得到了修复。在这项声明中，UNEP强调了过去数十年间，世界各国对氢氟碳 (HFC) 化合物限制政策的成效，并再次呼吁人们加强对《蒙特利尔议定书》的重视。
图5 最新的臭氧层监测卫星：PICASSO号，于2020年6月被ESA发射升空
（图源：optic.org）地球臭氧层出现空洞的危机，最早可追溯至上世纪50年代，在臭氧危机出现后的数年间，各国均采取了较为积极的应对措施，共同抵御臭氧环境的持续恶化趋势。以ESA为例，近年来，该机构在臭氧环境监测领域，做出了很大的贡献。如图5所示，2020年，一颗搭载了先进光谱成像装置的微型卫星被ESA发射升空，该卫星监测到的光谱较宽，能够更加精确地探知臭氧层的实际状况。UNEP对臭氧层恢复状况的声明，在全球变暖问题日趋凸显的时代背景下，成为了一束曙光；臭氧层的恢复，既验证了人类对环境进行保护和修复的能力，又为各国政府留下了治理环境难题的“标准答案”。
未来，需要每个人为地球“出一份力”
本文概述了卫星光学、SAR成像的技术手段，指出了其在自然环境变化监测工作中的显著作用，同时也介绍了两项卫星成像监测实例，以期使大家对卫星成像技术产生较为深刻的认知。卫星成像技术将人类带到了一个“上帝视角”上，在这一视角下，我们能够更加清晰地看到地球正在面临的环境大考，而这场大考的最终结果，也将直接影响到每个人的生活。在此，我们也呼吁每一位朋友都能够尽己所能，采取低碳环保的生活方式，为保护地球生态环境出力。
中国激光杂志社《光学学报》， 时有所需，必有所为，积极响应国家战略方针，围绕“空间（S）、大气（A）、海洋（M）、环境（E）”四大领域，自2022年始，重点开设“空间、大气、海洋与环境光学”（SAME）专题刊，并凝聚SAME专题刊编委力量，全力打造专题同名会议。SAME专题刊每年4期，每季1期，常年接受优秀成果投稿，如果您已取得了理想的研究成果，欢迎赐稿，让我们与您共享探索未知的喜悦。《光学学报》杂志投稿通道：
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