災難警報從天上發出

□ 張智慧

國際空間站航天員利用WORF進行對地拍攝

國際空間站作為近地軌道空間唯一在軌運行的大型綜合實驗平臺，部署了許多先進的對地觀測和遙感設備。使用手持或自動裝置，航天員可以靈活開展對地觀測活動，尤其是在監測突發自然災害時，較無人飛行器而言，更具靈活性。作為一個“全球觀測與監測站”，國際空間站在收集全球氣候、環境變化及自然災害信息，推動探究和解決地球環境問題以及推動全球對地觀測活動的國際合作方面發揮了重要作用。

優于遙感衛星的觀測能力

國際空間站究竟提供了怎樣的遙感能力？為什么這些能力不能被無人飛行器或衛星所取代呢？

原來，與傳統的遙感衛星不同，空間站的軌道是傾斜赤道軌道，而非太陽同步軌道。國際空間站的軌道面投影覆蓋了北緯52度至南緯52度之間的區域，可以觀測地球表面同一地點在不同光照條件，不同時間的情況。而遙感衛星通常運行在極軌道上，作為太陽同步軌道平面，遙感衛星每天經過地面上同一地點的時刻幾乎相同。如果衛星經過地球上某地的時間為中午，則科學家們就無法了解該地早上或晚上的情況。

國際空間站作為觀測平臺的另一個獨到的好處是，航天員可以對時間的演變做出及時反饋。尤其是在拍攝突發災難事件（如火山爆發、地震及颶風）的照片時，航天員可以同時關注云層、光照等條件調整拍攝。而普通的遙感衛星則無法考慮成像質量問題。

先進多樣的遙感設施

自2000年11月國際空間站正式運行以來，作為“乘員對地觀測”（CEO）實驗項目的一部分，站上航天員利用手持膠片或手持數碼相機拍攝了超過600,000張的圖像，包括地球表面、海洋、大氣層圖像以及月球圖像。盡管圖片數量如此之大，但在遙感科學家眼里，國際空間站此前并非真正意義上的對地觀測平臺，直到最近兩年，一些新的設施和精密傳感系統被陸續部署，國際空間站才成為真正的對地觀測平臺。

目前，作為航天員手持或數碼相機的補充，國際空間站外部或內部裝配了自動感應系統和設施，提供更強的對地遙感能力。目前，國際空間站已裝備或即將裝備的遙感設備設施有：

1. 舷窗觀測研究設施（WORF）

一個高品質光學天底觀察窗，位于美國“命運”號實驗艙的下部，為地球科學遙感儀器提供了一個高穩定的內部裝備平臺。

2.國際空間站農業照相機（ISSAC）

ISSAC由北達科他州的學生和教師設計，主要目的是收集多譜段數據支持農業活動及相關研究。該相機安裝在舷窗觀測研究設施（WORF）上，但可獨立進行操作。該相機分辨率為20米，利用兩臺帶有濾鏡的數碼相機分別收集可見光中的綠光、紅光及近紅外波長（3波段）范圍的獨立圖像信息幀，然后可以將這些圖像幀合成為單一多譜段圖像。這種獨特的波長合成能力可以使得ISSAC能夠區別不同種類的農作物并檢測農作物區域覆蓋變化以及農作物健康狀況，這對于農業研究和農業生產監測具有非常重要的意義。

沿海海域超光譜成像儀HICO

3.沿海海域超光譜成像儀（HICO）

HICO位于日本“希望”號實驗艙外，主要任務是收集沿海海域的水質、底部物質、水深以及近海岸植物等情況。分辨率為90米。該儀器收集可見光及近紅外波長的高質量信息。

4.國際空間站環境研究可視化系統（ISERV）

一套由施密特-卡塞格倫望遠鏡和一臺數碼攝像系統共同構成的傳感器系統，可以以小于3米的分辨率收集可見光波長范圍內的影像。該系統將被安置在WORF上，具備高溫定和高目標捕獲能力。該傳感器將支持ISERV計劃實現服務開發地球、減災以及人道主義救援等目的。

比較重要的設備還有日本的“超導亞毫米波邊緣發射探測器”（SMILES）。該探測器于2009年9月11日隨日本HTV-1貨運飛船到達國際空間站，隨后被安裝在日本“希望”號實驗艙的外部暴露平臺上。在持續開展了6個月的觀測工作后，因一個重要設備組件故障而不得不于2010年4月21日停止工作。

國際空間站農業照相機ISSAC2

此外，歐洲哥倫布實驗艙的外部載荷設施（CEPE）有四個載荷裝置，可以進行天底、天頂以及側方觀測，也為對地觀測裝置的部署提供了良好的平臺。目前，天頂窗被歐洲航天局用于“太陽能源輻照度”（氣候研究的一個重要參數）的監視。2015年，歐洲空間局還將把一臺“環境與太空感應檢測裝置”（ASIM）部署在哥倫布艙上，該裝置將開展與雷電天氣有關的高能光學與伽馬射線研究。

有效的對地遙感應用

利用上述設施，國際空間站進行了大量對地觀測項目，內容涵蓋地球資源管理、大氣環境監控、自然災害拍攝以及海洋運輸等各個領域。

1.利用國際空間站影像幫助島國管理珊瑚礁

對于位于赤道附近的太平洋和印度洋島國而言，珊瑚礁是其重要的國家資源，不僅直接影響著其漁業和旅游業的發展，而且與島國氣候變化也有很大關系。近些年來，全球氣溫變暖引發的海平面上升、海洋酸化以及沿海居民對海洋的過度開發、過度捕撈等活動導致大量珊瑚島礁消失。島礁系統的崩潰不僅嚴重威脅著那些依靠島礁資源的國家，而且對全球海洋生物多樣化造成不良影響。

2011年6月10日，ISSAC 傳回的首張圖片是夏洛特海港區域圖片。紅色部分代表植物，灰色代表城市，黑色代表水域，白色代表云層

國際空間站環境研究可視化系統（ISERV）

利用國際空間站上觀測設備拍攝的印度洋上法屬群島的地貌。該群島由于有海龜和海鳥棲息地而受到保護

利用航天員拍攝圖片與地圖組合而成的威尼斯潟湖圖景

為了研究并有效保護珊瑚礁資源，十年前，科學家們呼吁建立全球珊瑚島礁數據資源。但他們發現：（1）缺乏準確的全球珊瑚島礁分布圖。（2）詳細的珊瑚島礁數據分布圖對當地資源管理至關重要。（3）對地遙感衛星幾乎無法拍攝所需范圍的圖像。

國際空間站航天員對地觀測有效彌補了上述不足，航天員可以拍攝分辨率為5米～6米且無云層干擾的高分辨率圖像，并可拍攝覆蓋全球范圍內的珊瑚島礁分布情況，從而有助于建立全球島礁分布情況圖并有效監控這些珊瑚島礁的變化。未來，航天員還可利用站上遙感設施，服務珊瑚島礁測繪工作。

2.幫助檢測威尼斯水域的變化

2010年，一張國際空間站航天員在太空無意中拍攝到的威尼斯潟湖圖片引起了意大利環境保護專家Alessandro Mulazzani博士的注意。他對這幅照片進行了高度評價，他說：“這種圖片非常有用，能及時反映威尼斯水域環境的變化，幫助科學家隨時了解相關情況，同時對公眾和學生極具吸引力，能喚起社會公眾對威尼斯環境的關注。”從此，對威尼斯潟湖的拍攝成為國際空間站上“乘員對地觀測”項目的固定內容。

利用不同分辨率的設備，在不同的光照和云層條件下，航天員拍攝了大量的威尼斯潟湖圖片。目前，這些圖片數據已經形成一個較為完備的數據庫，不僅為科學家研究威尼斯水域生態系統變化提供了重要參考，而且對幫助公眾樹立環保意識、有效保護威尼斯潟湖生態系統發揮了積極作用。

除上述兩個事例外，還有一些典型應用，如利用ISSAC成功檢測對北達科州邁諾特市的蘇里斯河水災、利用沿海海域超光譜成像儀（HREP-HICO）呈現地球海岸的空前視覺形象、利用國際空間站捕獲日本北部地震海嘯情況等。

國際空間站各合作國也開展了不同類型的對地遙感項目。俄羅斯航天局利用空間站遙感設施開展了地球災難監測的“颶風”計劃，不僅用來檢測風暴、地震、火災等自然災害，而且還用來監測海上原油污染等人為災害。日本宇宙探索局利用“超導亞毫米波邊緣發射探測器”（SMILES）研究大氣同溫層（臭氧層）的修復和穩定性。歐洲空間局利用其“哥倫布”艙外的載荷設施平臺開展了一系列地球氣候變化研究項目，另外，歐洲空間局還在“哥倫布”艙外安裝了甚高頻天線，成功聯通地面海港通信網與遠航船只的通信，從而實現了對全球海洋運輸的監控。

集成遙感能力將發揮更大作用

當前，許多科學團隊開發了多種傳感器系統來進行地球遙感研究。未來，國際空間站上將會構建一套中央數據存取設施，將所有有人操作系統和自動感應系統的遙感能力相結合，這將會顯著提升對地觀測和自然災害響應能力，集成空間站對地感測系統是對衛星遙感系統的有益補充，將為人類提供了解地球、改善生存環境提供更多幫助。

火災監測

2011年3月13日，日本大地震期間，在遠離地球350千米的國際空間站上的航天員拍攝了這張圖片。圖上顯示，在日本仙臺東部的日本北海岸，由海嘯引發的洪水正向內陸的農田和土地蔓延，機場也被洪水環繞