衛星影像的繁榮

環繞地球運行的衛星每天都會拍攝數萬億像素的高分辨率地表圖像。過去，這類信息主要提供給政府或軍隊的專家。但如今，幾乎任何人都可以使用它。

這是因為將有效載荷（包括成像衛星）送入軌道的成本已大幅下降。高分辨率衛星影像過去的價格是數萬美元，而現在的價格只相當于一杯咖啡。

此外，隨著人工智能不斷取得進展，企業可以更輕松地從龐大的數據集中提取所需信息，包括由衛星影像組成的數據集。利用這些圖像動態地做出商業決策，這可能看起來像科幻小說一樣，但它已經在一些行業實現了。

下面將簡要概述我們如何獲取這類信息并從中受益。但在有效地做到這一點之前，我們需要首先了解現代衛星影像的工作原理。

地球觀測衛星的軌道通常分為兩類：地球靜止軌道（GEO）和近地軌道（LEO）。GEO衛星位于赤道上方約3.6萬公里處，與地球自轉同步。從地面上看，這些衛星似乎是靜止的，因為它們的方位和高度保持相對不變。

當然，這樣的軌道對于通信中繼來說是很有利的，它使人們能夠在家里的固定方向上安裝衛星電視接收器。除此以外，GEO衛星也合適長時間拍攝圖像來監測地球某個區域。不過，由于GEO衛星離地面很遠，所以影像分辨率相當粗糙。因此，這些軌道主要用于跟蹤廣闊區域天氣變化的觀測衛星。

相對于地球靜止，意味著GEO衛星總是在下行鏈路站的范圍內，因此它們可以在幾分鐘內將數據發回地球，從而可以近實時地提醒人們天氣形勢的變化。美國國家海洋和大氣管理局可免費提供大多數這類數據。

LEO衛星離地面很近，因此可以獲得較高分辨率的圖像。飛行高度越低，得到的分辨率越高。例如，Planet公司通過將其衛星的軌道從500公里降低到450公里，同時改進圖像處理技術，最近將衛星星座SkySat的分辨率從每像素72厘米提高到了50厘米，這是一個難以置信的進步。

最佳的商用光學影像的空間分辨率為25厘米，這意味著一個像素代表地面上25厘米×25厘米的區域，大致相當于筆記本電腦的大小。少數幾家公司采集數據的分辨率為25厘米到1米，業內認為這是高分辨率到甚高分辨率的范圍。有些公司提供的數據分辨率為1米到5米，這是中分辨率到高分辨率的范圍。最后，美國國家航空航天局（NASA）/美國地質調查局的地球資源衛星Landsat、NASA中分辨率成像光譜儀（MODIS）和歐洲航天局的哥白尼衛星系統等政府項目通過數據開放項目免費提供的光學數據的分辨率為10米、15米、30米和250米，這屬于低分辨率范疇。

因為提供最高分辨率圖像的衛星軌道最低，所以它們一次觀察的區域更少。為了覆蓋整個地球，可以將衛星放置在極地軌道上，從一個極點運行到另一個極點。當它移動時，地球在它下面旋轉，所以當繞地球下一圈時，它將位于地球另一區域的上空。

然而，許多衛星并不直接經過兩極。而是被放置在一個近極地軌道上，這個特殊的設計專門利用了一些微妙的物理原理。你看，旋轉的地球在赤道處略微向外膨脹。這種額外的質量會導致不在極地軌道上的衛星的軌道發生移動或（從技術上說）進動。衛星運營商經常利用這種現象，將衛星放置在所謂的“太陽同步軌道”上。這種軌道使衛星可以在每天同一時間重復經過某一地點。兩次運行之間的陰影模式不會發生移動，這有助于使用這些圖像的用戶檢測并發現變化。

極地軌道上的衛星探測整個地球表面通常需要24小時。為了更頻繁地拍攝全世界的圖像，衛星公司會使用多顆衛星，這些衛星配備相同的傳感器，沿不同的軌道運行。通過這種方式，這些公司可以更頻繁地提供某一位置的更新圖像。例如，Maxar公司2021年****的世界觀察軍團（Worldview Legion）星座就包括6顆衛星。

衛星捕捉一定數量的圖像后，所有數據均需發送到地球進行處理。這個過程需要的時間各不相同。

DigitalGlobe公司（2017年被Maxar公司收購）最近宣布，它成功在不到1分鐘的時間內將數據從衛星發送到地面站，并存儲在云上。這是可能的，因為發回的圖像是地面站停車場的圖像，所以衛星不需要在數據收集點和數據“傾卸”點之間移動。

一般來說，近地軌道的地球觀測衛星不會一直拍攝圖像，只有當它們位于特別受關注的區域上方時才會這樣做。這些衛星一次能發送的數據量是有限的。通常情況下，它們在離開地面站的范圍之前只能傳輸10分鐘左右的數據。它們記錄的數據不能超過它們在有限時間內傾卸的數據量。

目前，地面站大多位于極地附近，這是極地軌道上訪問最頻繁的區域。但我們很快就能期待縮短與最近的地面站之間的距離，因為亞馬遜和微軟都宣布計劃在全球建立大型地面站網絡。事實證明，托管每天收集的萬億字節級衛星數據對這些公司來說是一筆大生意，它們將自己的云服務（亞馬遜Web服務和微軟的Azure）出售給衛星運營商。

如果你正在尋找遠離地面站的區域的影像，那么預計在數據采集和傳輸之間會有幾個小時的顯著延遲。然后，還需要對數據進行處理，這會增加更多時間。當前，速度最快的提供商可以在數據采集后的48小時內提供數據，但并非所有提供商都能做到這一點。雖然在理想的天氣條件下，商業實體請求進行一次新的采集時，可在一周內獲得所需數據，但這種快速周轉時間仍然是最先進的。

我一直在使用“影像”（imagery）這個詞，但需要特別注意的是，衛星拍攝圖像的方式與普通相機不同。衛星上的光學傳感器經過校準，可以測量電磁光譜特定波段的反射率。這可能意味著它們可記錄從地面不同地方反射的紅光、綠光和藍光的數量。然后，衛星運營商將應用各種調整來校正顏色，合并相鄰圖像，并考慮視差，形成所謂的真彩色合成圖像，它看起來非常像一臺優質相機漂浮在高空，正對下方所拍攝出來的圖像。

成像衛星還可以采集可見光譜以外的數據。例如，近紅外波段被廣泛用于農業，這些圖像可以幫助農民判斷作物的生長狀況。這一波段還可用于檢測土壤濕度和其他難以確定的地面特性。

波長較長的“熱”紅外在穿透煙霧和捕捉熱源方面做得很好，對野火監測很有用。合成孔徑雷達（SAR）衛星變得越來越普遍，因為它們生成的圖像不受云層的影響，也不需要太陽照明。我將在下文詳細討論合成孔徑雷達衛星。

你可能想知道，航空影像（比如說無人機拍攝的圖像）是不是沒有衛星數據好。有時候是可以媲美的，但在許多情況下，使用衛星是更好的策略。衛星可以拍攝由于偏遠以及其他可達性問題而無法抵達的地方的圖像，另外，還適用于沖突區、私人領地，或者飛機或無人機無法飛過的其他地方。

因此，有了衛星，機構組織可以經常性地監控各種遙遠地點發生的變化。例如，衛星影像可使管道運營商快速發現其管道占地區域的入侵事件。然后，公司可以采取措施防止災難性事件發生，比如附近施工過程中有人挖斷了天然氣管道等。

還可以將存檔影像與最近采集的衛星數據進行比較，這對許多行業都有幫助。例如，有時保險公司可使用衛星數據來查明騙詐索賠（比如“看起來你的屋頂，在你買房子的時候就壞了”）。金融投資公司應用衛星影像，可以根據停車場的滿位情況來評估零售商的未來利潤，或者在農民報告當季產量之前預測作物價格。

衛星影像提供了一種特別有用的方法來發現或監測隱秘特征或活動的位置。例如，阿拉巴馬大學的莎拉•帕卡克（Sarah Parcak）利用衛星影像定位感興趣的考古遺址。荷蘭咨詢公司52Impact通過訓練算法來識別光譜特征，發現了秘密垃圾場的位置。衛星影像還可以幫助發現非法捕魚活動、打擊人口販運、監測石油泄漏、準確報告新冠死亡人數等，適用于主要參與者不能準確報告詳情的所有場景。

盡管衛星影像獲得了許多成功應用，但調查記者和非政府組織并沒有經常性地使用衛星數據，也許是因為即使是影像成本降低到原來的幾分之一，他們也難以承受。幸運的是，如今可以免費獲得一些低分辨率的衛星數據。

要尋找免費衛星影像，可以首先訪問哥白尼開放獲取中心和地球探索者（EarthExplorer）。二者都提供免費的開放數據，影像的分辨率比付費購買的要低，但如果有限的分辨率即可滿足需求，何必再去花錢呢？

如果需要中高分辨率的數據，可以直接從相關的衛星運營商那里購買。這一領域最近經歷了一段時期的并購，只剩下少數幾家供應商，西方的三大供應商分別是美國的Maxar和星球Planet公司，以及德國的空客公司。還有一些大型亞洲供應商，如韓國的SI成像服務公司和新加坡的二十一世紀航空航天技術（亞洲）有限公司。大多數供應商都有一個商業分支機構，但它們主要針對政府買家。而且它們通常要求很大的最低采購量，這對指望監控幾百個或更少地點的公司來說并沒有幫助。

幸運的是，聯系衛星運營商并不是唯一的選擇。在過去5年里，一個咨詢顧問和本地代理商的家庭作坊式產業迅速興起，他們通過獨家經營為某特定的市場提供服務。服務整合商和代理商花費數年時間與多家提供商進行合同談判，能以非常有吸引力的價格向客戶提供數據集訪問，有時每張圖片的價格只有幾美元。Esri、L3Harris和Safe Software等提供地理信息系統的公司也與衛星影像提供商洽談代理協議。

傳統的代理商是中間商，他們會派銷售人員與我們聯系，討論我們的需求，代表我們從供應商處獲取報價，協商價格并優先安排圖像采集，有時還有數據處理，Apollo Mapping、European Space Imaging、Geocento、LandInfo、Satellite Imaging公司等皆是如此。更具創新性的代理商會提供數字平臺的訪問權限，通過數字平臺查看某個檔案中是否有所需圖像，然后訂購，例如EOS的LandViewer和Apollo Mapping的Image Hunter。

最近，一批新的服務整合商開始向客戶提供以程序化方式訪問地球觀測數據集的能力。這些公司最適合那些希望將這類數據集成到自己的應用程序或工作流中的人。其中包括我工作的公司SkyWatch，它提供一項名為EarthCache的服務。其他還包括空客公司的UP42和Sinergise公司的Sentinel Hub。

我們仍然需要與銷售代表聯系才能激活賬戶（通常是為了驗證我們使用數據的方式是否符合公司服務條款和許可協議），但在獲得其應用程序的訪問權限后，我們能夠通過程序化的方式向一家或多家提供商訂購檔案數據。然而，SkyWatch是唯一允許用戶以程序化方式提出未來數據采集請求（“給衛星分配任務”）的服務整合商。

今天，衛星影像極其豐富且易于獲取，而兩個正在發生的變化將進一步拓展衛星數據的功能：更頻繁的成像和更多地使用合成孔徑雷達。

第一個變化并不令人驚訝。隨著越來越多的地球觀測衛星進入軌道，捕捉的圖像會越來越多，捕捉的頻率也會越來越高，因此，某一區域的衛星影像成像頻率將增加。現在，通常是每周兩到三次；預計重復成像很快會變成每天幾次。這并不能完全解決云層遮擋必要查看對象的挑戰，但會有所幫助。

第二個變化更微妙。在過去幾年里，歐洲航天局Sentinel-1 SAR任務的兩顆衛星提供的免費數據使很多公司都開始涉足合成孔徑雷達領域。

配備合成孔徑雷達后，衛星可以****無線電波并測量從地表反射回來的信號。它持續不斷地這樣做，并通過巧妙的處理程序將數據轉換為圖像。使用無線電波可使這些衛星能夠透過云層，晝夜不停地收集測量數據。根據使用雷達的波段，合成孔徑雷達影像可用于判斷材料特性、水分含量、精確運動和高程。

毫無疑問，隨著越來越多的公司熟悉這類數據集，對衛星合成孔徑雷達影像的需求將越來越大。自20世紀70年代以來，軍方一直在廣泛使用衛星合成孔徑雷達影像。但它才剛開始出現在商業產品中。不過，我們可以預判這些產品將急劇增長。

事實上，目前行業投資的大部分資金都用于資助大型合成孔徑雷達星座，包括Capella Space、Iceye、Synspective、XpressSAR等。市場很快將變得擁擠，不過這對客戶來說是個非常好的消息。這意味著對于他們感興趣的地方，他們將能獲得高分辨率合成孔徑雷達圖像，每小時（或更短時間）拍攝一次，無論白天還是黑夜，陰天還是晴天。

無疑，人們會想出奇妙的新方法來利用這些信息，獲取這些信息的人越多越好。我和SkyWatch的同事深信這一點，因此我們的使命是普及衛星影像，讓更多人使用它們。

在不久的將來，地球觀測衛星數據可能會像GPS一樣普遍存在，GPS也是一項最初僅由軍方使用的衛星技術。想象一下，有一天你也許可以拿出手機這樣說：“給我看看今天早上格羅弗角高地的土壤濕度圖；我想看看棒球場的地面是不是仍然那么濕。”

作者：Dexter Jagula