[科普中国]-3D新视角！NASA卫星给地球拍张立体照

上个世纪六七十年代起，气象和陆地遥感卫星相继投入使用。从那之后，人类就开始以全新的俯瞰视角观察地球。时至今日，卫星图像能清楚地显示出街道、房屋，甚至车辆和行人的细节。衍生的各类地图软件，也已经成为人们旅游出行必不可少的工具。

然而，科学家们对此还远远不满足。今年9月15号，NASA发射了名为 “爱斯塞特2号（ICESat-2， Ice， Cloud and land Elevation Satellite 2）” 的卫星。它将突破平面摄影的限制，为地球拍摄一张清晰的“3D”照片。

图1 爱斯塞特2号运行想象图（图片来源：NASA）

卫星携带一台名叫“阿特拉斯（ATLAS，Advanced Topographic Laser Altimeter System）”的激光测高仪，包括主激光器和备用激光器。阿特拉斯可以发射六束亮绿色激光，高能激光束穿透细碎的云层和雾气到达地面。当激光被地面物体反射时，卫星上的探测器就能捕获信号，从而识别出反射物体。通过这种方式，卫星的探测精度可以达到惊人的70厘米——能够在太空中分辨出街道上跑着的孩童。

爱斯塞特2号的观测目标主要有三类：冰盖、陆地和云层。它重点扫描南北极地的海冰，以及各座高山和高原的冰冻雪层。通过它的监控，我们可以得知冰盖融化速度、冰川质量、海冰厚度等重要信息。

图2 此前NASA已开始一项名为Operation Icebridge的飞机探测项目，检测格陵兰岛及附近的冰层变化。相关数据将用来与爱斯塞特2号比对，以校准卫星。（图片来源：NASA）

当卫星掠过陆地时，它还将扫描森林、湖泊、湿地以及城市地区的高度。由于爱斯塞特2号有极高的灵敏度，它甚至可以精确辨认出森林地面和伸出树林的树冠。通过这些信息，科学家们可以得知一个地区的生物量，并计算出其碳吸收量。当爱斯塞特2号经过城市，它同样记录着建筑、水库、河道、农田等人造物的高度信息。

图3 树木测高示意图（图片来源：NASA）

即便浓云蔽日，爱斯塞特2号仍然能够工作。它可以帮助大气科学家收集关于云层高度、密度、成分等信息。对地表形态与大气的进一步了解，还可以让天体测量学家们完善关于地球本身的信息，从而更好地进行观测工作。

卫星将始终处于开启状态，一旦运行，每天都产生数据。当它飞越加拿大北方的冻原，它可以从解冻区地面的沉降判断出永久冻土层的融化；在沿海地区，它报告潮汐涨落；在丛林地带，它记录植被生长的速度……它还能探测火山爆发和地震带来的地面运动，甚至是滑坡和雪崩等更小型的灾害。

剪辑：刘渊默

图像来源：NASA's Goddard Space Flight Center

背景音乐：Illuminate-Dirk Leupolz

这并不是科学家们第一次尝试拍摄3D地球。2003年，爱斯塞特2号的前身ICESat-1发射升空。相比前辈，爱斯塞特2号在许多方面能力大幅增强。它的激光脉冲频率高达每秒10000次，是上一代的250倍；激光光束也由1条增加到6条。这使得它绘制的地图更为精细，覆盖面积也更广。

图4 相比于ICESat-1（左），爱斯塞特2号（右）能以更高的网格密度扫描地面。（图片来源：NASA）

尽管爱斯塞特2号每个脉冲都能释放超过20万亿个光子，被地面反射后回到卫星的光子却只有区区十几个。为了收集这少得可怜的反馈，卫星携带一面直径80厘米的望远镜，并安装复杂的滤光和光纤装置。只需捕获1个光子，就能够在探测器中生成信号。望远镜使用了特殊的铍合金材料，尽管结构复杂，却仅重22千克。

爱斯塞特2号的设计周期超过九年，耗资近十亿美元。项目科学代表Tom Neumann说：“爱斯塞特2号使用的技术是镭射激光技术的最前沿。每当我们在设备中应用前沿技术时，总是要花费很长时间测试或调整这些新技术。”

图5 工程师Tyler Evans与望远镜（图片来源：NASA）

爱斯塞特2号的激光器能在3.3毫秒内完成一次数据收集，反应精确到十亿分之一秒，对地球进行一次全身扫描只需91天。这一过程将不断重复，以生成动态图像。在它服役期间，我们可以一览地球春夏秋冬的雪融雪落、树木枯荣、河流跌宕……

当然，爱斯塞特2号满足的不只是我们的好奇心，科学家们同样关心如何将其数据投入使用。早在发射之前，研究者们就公开了若干应用前景：它可被用于定位航道中的冰山，预防火山爆发，建立鸟类栖息地模型……

图6 博伊西州立大学计划利用爱斯塞特2号数据改进半干旱生态系统的碳含量估算方法（图片来源：BSU）

爱斯塞特2号的研发者们欢迎不同的组织机构参与合作。实际上，它的成果已在多个国家和地区产生了实实在在的价值。在丹麦，风能发电站在它的指导下获得产能最大化。在巴西和台湾，研究者们分别用其数据建立了洪水预防模型和山洪预警系统。意大利环境研究所发展了使用卫星监控空气质量的方法；印度林业部门计划用其评估热带雨林生物量；加拿大环境部则将参考它的数据发布天气预报。在美国本土，科学家们在它的帮助下勘测北极冰层、预防野火、管理草原、监控湖泊水库、绘制近海珊瑚礁……

这份应用名单可以写得很长。随着更多数据的产出，爱斯塞特2号必将显现出更广阔的应用前景。

“3D地图”不仅是看待地球的全新视野，更是一次改善人类生活的良机。

参考资料：

[1] Molly Brown, Vanessa Escobar, Mark Carroll, Tom Neumann, Michael Jasinski. Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite 2 (ICESat-2) Applications Plan. 2013.

[2] NASA. NASA Science Program Support Office 2016 Annual Report. 2016.

[3] Sabrina Delgado Arias, Lisa Sheffield Guy, Rebecca Heim, Helen V. Wiggins, Molly Brown. White Papers.

https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/white-papers.

[4] NASA. Assessments of Major Projects Report to Congressional Committees. 2018.

（本文中标明来源的图片均已获得授权）