人造卫星——地球的“扫描仪”

作者:葛锦涛张超发布时间:2020-06-08

目前是国家航天事业蓬勃发展的重要节点，“北斗”卫星导航系统全球组网即将完成。作者通过对人造卫星的概念、分类、工作原理和应用举例的介绍，让公众尤其是青少年对人造卫星——“地球的‘扫描仪’”能有更加清晰的认识，了解其在国防、工业与生活中广泛的用途，更加热爱并投身于卫星遥感事业发展的浪潮中！

一什么是卫星？什么是人造卫星？

卫星是指围绕一颗行星按闭合轨道做周期性运行的天然天体，简单的例子，月亮就是我们地球（行星）最大的卫星，也就是月球，它日复一日的围绕着地球转动。而人造卫星，顾名思义就是我们“人工制作的卫星”，是人类发射到地球空间轨道上，做环绕运动的无人航天器。

1970年，我国自行研制的第一颗人造地球卫星—“东方红一号”准确进入预定地球轨道（图1），开创了我国航天事业的新纪元，我国成为世界上第五个自行研制和发射人造卫星的国家，也掀开了我国向浩瀚宇宙进军的璀璨篇章！截止2018年9月，我国的在轨卫星共有192颗正在工作，而且这一数据正在以每年20颗的速度增加，卫星数量排世界第二，成为无可争议的航天大国。

图1 东方红一号卫星(来源网络百度图库)

二人造卫星的分类

人造卫星按用途，大致可以划分为科学卫星、通信卫星、军事卫星、气象卫星、资源卫星等；按使用功能划分，又有导航卫星、地球观测卫星、侦查卫星等。

笔者主要想聊聊与地球科学研究息息相关的地球观测卫星（下文统一用“卫星”称呼），从名字我们就已经知道这种卫星的用途和目的，就是对我们人类共同的家园——地球的观察与研究。地球观测卫星，泛指用于对地球资源与环境进行遥感的各种人造地球卫星和航天器。对地观测卫星主要包括气象卫星、陆地卫星、海洋卫星、轨道航天站以及其他特殊用途的卫星。人们可以利用地球观测卫星进行监测以获取大面积观测数据，聚集有关地球生态系统相关数据，最终可有效得到非常综合的分析资料，具有重要的研究价值。

三人造卫星的工作原理

为什么说人造卫星是地球的“扫描仪”呢？我们利用火箭和航天飞机，将其运送到地球空间轨道上，地球观测卫星搭载了有关设备，类似于“照相机”，为地球“照相”，通过地面的接受装置，将“自拍”传回来，我们就可以看到“地球母亲”的“自拍”了（图2）。

图2 卫星工作原理流程示意图

为什么不直接把卫星说成“照相机”，而称作“扫描仪”呢？首先，大部分的地球观测卫星是围绕我们旋转的，不是相对静止的（同步轨道卫星），它的“照相”过程更类似于扫描仪扫面，是多张影像的叠加；其次，卫星 “照相”原理是通过接受地球地表反射的电磁波成像的，而其接受的波段不止是可见光，还包括短波红外、热红外、微波等波段，传回地球经过数据处理，才会有我们所看见的卫星影像。所以，我们更倾向称它为地球的“扫描仪”。

四人造卫星的应用

目前，地球观测卫星常用的主要为三个大类：气象卫星、陆地卫星和海洋卫星。气象卫星用于探测和监视全球大气、陆地和海洋气象状况，天气预报是离我们生活最近的一个应用例子；陆地卫星以探测地球资源和监测地球环境为主要目的，该种卫星以美国的Landsat系列和法国的SPOT 系列尤为出名，对地球科学研究做出了杰出的贡献。近年，我国的资源系列和高分系列卫星也开始崭露头角，在国际舞台上大放光彩，未来可期；海洋卫星主要用于探测全球海洋表面状况，监测海洋动态，能起到海啸预警及监测的效果（图3）。

图3 渤海湾海岸带遥感影像

图4 昌图某地地形地貌三维遥感影像效果图

具体来说，人造卫星的应用范围非常广泛。首先，卫星可以收集气象数据，从而做到全球范围的气象预报；其次，卫星可以收集环境数据，能做到环境的保护和地灾的预防等；再次，卫星可以收集农林资源数据，科学筹划国家土地资源的利用情况；卫星也可以用于国防、辅助地质研究（图5）等。

图5 阿根廷某地地质火山遥感影像

下面我们重点介绍一下卫星在辅助地质研究方面，具体可以有哪些作为。首先，地质研究学者都不可避免的要去野外实地调研，进行地质现象观察或者岩石样品采集等工作，而有些地点可能很难到达或者不知道是否可以到达，此时，研究人员就需要实时的遥感影像数据，通过高分辨的卫星影像，我们可以进行野外调查的预研究，设计一条合理的勘察路线，甚至可以直接推断此地点的岩石出露情况以及地形地貌特征（图4，图5），从而判断其是否为一个合格的地质观测点；再具体而言，基础地质方面，我们通过卫星影像的色调、形状、影纹等标志，可以大体来识别并区分岩石的种类（图6），从而进行遥感解译，这对基础地质的野外填图，有着不可替代的指导意义；生态地质方面，通过卫星影像数据可以宏观地观察某地的林地、草地和水系的分布情况，再进一步，还可以对一个地区的土地利用现状进行解译（图7），实现一个地区生态地质数据的宏观统计，同一地区多年段的数据，还可以看出环境的变迁状况，从而在环境保护方面提出建议；工程地质方面，通过遥感影像观测一个地区的地形地貌特征，并且判别岩石性质，即岩石的坚硬程度，从而对某地的工程选址有一定的反馈作用。

图6 某地区不同种类岩石的遥感影像数据

图7 昌图地区土地利用现状遥感解译草图

五小结

从地球的气象观测到海洋数据的监测，再从地球环境的保护到地质研究的辅助，地球的“扫描仪”—人造卫星，名副其实。尤其卫星数据在地质研究方面的建树，有目共睹。无论在基础地质、生态地质还是工程地质中，都有其发光发热的地方。国家的航天航空事业正处于蓬勃发展的时期，希望能有更多对地球“扫描仪”感兴趣的人才，投身祖国卫星遥感事业发展与工程建设的浪潮中！