目前天問一號距離地球約1.84億(yi) 公裏，距離火星約90萬(wan) 公裏，問天的星際征途還在繼續……

在此之前，天問一號在距離火星約220萬(wan) 公裏處，傳(chuan) 回了我國第一張火星照片，照片中阿茜達利亞(ya) 平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞(ya) 帕雷利坑、水手穀等標誌性地貌清晰可見。

但對於(yu) 專(zhuan) 業(ye) 人士而言，透過照片能看到的信息仍然太少。如何才能讓飛船衛星等探測器“看”得更清楚呢？

天問一號拍攝的火星 (圖片來源 國家航天局)

探測器要看得清所考察的星球上的目標，必須要搞清楚衛星飛船等探測器上相機的三個(ge) 關(guan) 鍵指標——光譜分辨率、空間分辨率、時間分辨率。

Part.1

成為(wei) “火眼金睛”，讓細微事物無處遁形我們(men) 知道，太陽光通常是白光，當白光通過三棱鏡折射後，就會(hui) 形成一係列不同顏色（波長）的彩色光譜，白光是可見光，人類可以肉眼識別，那些可見光之外的光譜就隻有儀(yi) 器才可以探測了。

光的色散：白光其實由一係列不同顏色的光所組成的

圖片來源：unitednuclear.com

事實上，不隻是光，不同的物質都有它獨特的“光譜標識”。我們(men) 前麵提到的光譜分辨率，簡單的理解就是對“顏色”的分辨能力。具體(ti) 來說，就是對影像中地物波譜細節信息的分辨能力，是衛星傳(chuan) 感器接收地物箱射波譜時所能辨別的最小波長間隔。

當間隔較小時，光譜分辨率相應就會(hui) 越髙。在同樣的波譜範圍下，通常影像波段數越多，光譜分辨率越高，如高光譜影像往往比多光譜影像具有更髙的光譜分辨率，高光譜分辨率意味著衛星探測器能夠識別更多的東(dong) 西，像火眼金睛一樣讓細微的事物無處遁形，這對於(yu) 影像地物的分類識別等具有重要意義(yi) 。

光譜分辨率高也有其缺點，那就是空間分辨率低。光譜分辨率與(yu) 空間分辨率相互製約，遙感器成像的一個(ge) 探測單元接收到的能量是電磁波在空間和波長上的雙重積累。

如果空間分辨率和光譜分辨率同時提高，信號將隻能更小的空間和更窄的波長上積累，信號減弱，信噪比降低，導致成像質量差。所以，當光譜分辨率和空間分辨率有一個(ge) 推向極致時，另一個(ge) 指標勢必要降低，以保證接收到的信號足夠強。

這次天問一號拍攝的圖像僅(jin) 僅(jin) 是黑白照片，為(wei) 可見光波段範圍的混合圖像，由於(yu) 是單波段，所以在圖上顯示為(wei) 灰度圖片。這種單波段遙感圖像一般空間分辨率高，但無法顯示地物色彩，也就是圖像的光譜信息少。

光譜分辨率示意圖（左）和空間分辨率示意圖（右）

（圖片來源：https://blog.csdn.net/zaishuiyifangxym/article/details/89461704）

Part.2

放大再放大，讓眼神更銳利

那什麽(me) 是空間分辨率？

當我們(men) 誇讚一張圖片高清時，其實是想說這張圖片能夠讓我們(men) 看清更多的細節。作為(wei) 太空之眼的探測器想要看得更清楚，也需要捕捉細節，讓眼神更銳利，這就需要提高空間分辨率。

通俗來講，空間分辨率就是探測器能看得見地麵上最小物體(ti) 的能力。從(cong) 專(zhuan) 業(ye) 角度上來說，空間分辨率是對遙感影像空間細節信息的辨別能力，指的是傳(chuan) 感器能夠分辨的最小目標地物的大小，是實際衛星觀測影像中的一個(ge) 像素所對應的地麵範圍。

例如，我國研製的高分二號衛星分辨率達到了0.8m全色/3.2m多光譜，使我國空間對地觀測能力進入亞(ya) 米級時代，這意味著能夠觀測到地麵上小汽車；高景1號衛星則分辨率達到了0.5m的分辨率，高分11號衛星的空間分辨率得到了進一步的提升，分辨率達到了0.1m[1]，影像中的一個(ge) 像素所對應的實際地麵大小0.1m*0.1m，獲得了較高的空間分辨率。

高景一號衛星拍攝的雲(yun) 南滇池國際會(hui) 展中心影像

圖片來源：中國航天科技集團

高空間分辨率圖像對於(yu) 影響目標地物的識別和目視解譯等具有重要的作用。空間分辨率的大小和哪些因素有關(guan) 呢？

一般來說，離觀測對象越近，看得越清楚，也就是說和探測器的軌道高度H有密切關(guan) 係。

另外“眼睛”越大看得越清晰，空間分辨率的大小還與(yu) 探測器上的相機的口徑大小D有關(guan) ；各國發展的科學水平也影響著空間分辨率的大小，不同探測器上的像元大小a不同，我們(men) 也可以通過公式來表示[2]：

R=H*a/（D*F）

其中F=f/D （F為(wei) f數，f為(wei) 相機口徑的焦距）

這次天問一號探測器的軌道器搭載的六大載荷裏有兩(liang) 個(ge) 都是光學成像設備，分別是中分辨率相機與(yu) 高分辨率相機，其中高分辨率相機在近火星點300公裏軌道高度成像分辨率可達0.6米，根據相關(guan) 媒體(ti) 報道，高分辨相機的口徑僅(jin) 400mm。

“天問一號”高分辨率相機主鏡正麵大概長這樣

（圖來來源：作者拍攝）

那是不是空間分辨率越高越好呢，其實不然，俗話說得好，“鼠”目寸光和管中窺豹，由此可見，空間分辨率並不是越高越好。

分辨率越高，看得到的範圍就越小，也就是看得了細節，卻不知道全貌，就如同我們(men) 在地圖上用放大鏡查找位置。知道了具體(ti) 位置（**街道**村），我們(men) 仍不清楚該如何一步步定位找到它。

高分辨率隻能“鼠目寸光”，所看範圍太小

（圖片來源：veer圖庫）

因此我們(men) 既要看得清楚，又要看的範圍更大，以便洞察全局，這就需要探測器在更高的軌道，看清更大的範圍。這時候探測器的空間分辨率就不需要太高，此時我們(men) 隻要大概了解一個(ge) 範圍就可以了，如同我們(men) 縮小地圖範圍，了解我們(men) 查找的位置在**縣**市**省，然後根據我們(men) 掌握的星空体育官网入口网站就自然明白所找的位置在哪裏了。

高分二號屬於(yu) 低軌衛星（軌道高度約為(wei) 600km），因此它一次成像觀測的視野會(hui) 較小，隻能通過兩(liang) 台相機拚幅成像，成像幅寬45km，在側(ce) 擺23°情況下5天周期內(nei) 可實現對地球表麵任一區域的重複觀測。

從(cong) 上述分析可以看到，高分二號衛星雖然實現了較高的空間分辨率，但仍存在觀測的範圍不足等問題。因此如果需要獲得準確的位置信息，這就需要高低軌道探測器共同聯合發揮作用，低軌道探測器獲得高分辨率的圖像，而高軌道的探測器獲得範圍更大的圖像。

Part.3

邊轉還要邊拍，需要反應更敏捷

除了要看得清楚，盡可能擴大視野外，工程師還要保證探測器有足夠的時間去觀察。

被探測的星球都是不停自轉的，探測器在較低軌道時，星球的自轉速度小於(yu) 探測器的飛行速度，探測器很快就會(hui) 飛離所觀測的位置，因此我們(men) 並不能保證探測器所看到的位置是時刻不間斷偵(zhen) 查，因此學者提出了時間分辨率的觀念。

時間分辨率顧名思義(yi) 就是對同一地點的重複觀測能力。通常也把時間分辨率稱為(wei) 重訪周期，重訪周期越短，時間分辨率越髙，探測器看的也就越清晰。

由於(yu) 大多數目標是移動的非靜止目標，如果沒有足夠的時間分辨率，等探測器飛回再偵(zhen) 查時，目標早已不知去向，因此髙時間分辨率對於(yu) 地物的動態變化檢測等具有重要作用。

對於(yu) 地球而言，地球自轉的周期是23小時56分4.09秒，接近24小時，根據高中所學牛頓的萬(wan) 有引力星空体育官网入口网站，我們(men) 可以出計算地球同步靜止軌道高度約為(wei) 36000公裏，這也是高考經常考到的題目，你還會(hui) 計算嗎？

也就是說，隻要探測器在地球同步靜止軌道，此時探測器的角速度就和地球自轉的角速度相同，那樣探測器就會(hui) 一直在同一地點的上空不間斷觀測。

高分四號就是這樣的工作原理，它是我國成功研製的首顆地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛星。與(yu) 高分二號不同，高分四號為(wei) 高軌衛星，處於(yu) 距地球36000km的地球靜止同步軌道，所拍攝的每張照片可覆蓋16萬(wan) 平方公裏，通過拍攝60張照片可實現對西太平洋一千萬(wan) 平方公裏的覆蓋，拍攝時間約為(wei) 4～12分鍾。基本可實現對地實時探測，具有極其重要的戰略意義(yi) 。

然而，由於(yu) 高分四號衛星空間分辨率僅(jin) 為(wei) 50m，對地觀測形成的圖片比較模糊，因此不能用於(yu) 直接識別小目標。

這個(ge) 難題可以通過高軌衛星和低軌衛星的組合來解決(jue) ，我們(men) 可以利用具有高時間分辨率的高軌衛星進行普查，再利用高空間分辨率的低軌衛星進行詳查，但這種方法依然存在時效性不足的難題。

同樣，如果想要固定在火星某一位置長時間拍攝，探測器也要達到一定的高度。火星自轉一周的周期為(wei) 24小時37分22.6秒,和地球自轉一周時間比較近似，但是它的半徑隻有地球的一半，因此探測器需要在約17000km的高度才能和火星保持相對的靜止。

地球靜止軌道 （圖片來源：百度圖庫）

Part.4

“三高”的高分探測器存在嗎？

高光譜分辨率、高空間分辨率、高時間分辨率的“三高”探測器存在嗎？

同時具備其中兩(liang) 項的方法還是有的，提高地球靜止軌道相機口徑能在保證時間分辨率的同時使探測器具有高空間分辨率。

拿高分四號來說，它的空間分辨率大約為(wei) 50m，將它的空間分辨率調整到10m，衛星可發現100m以上大型目標。因此可以將高分四號的相機口徑擴大5倍，約為(wei) 3.5m左右，利用可見和紅外波段實時探測目標。

當然低軌衛星還可以與(yu) 高軌衛星協同工作來進行觀測，低軌衛星高分辨率可以清楚地看清地方目標，利用低軌衛星的高分辨，發現並識別具體(ti) 更有價(jia) 值的小型目標，然後利用高軌地球靜止軌道衛星相機的高時間分辨率對其進行實時探測。

除了對火星等地外星係進行探測，對地觀測也是未來發展的重點，高分辨率對地觀測衛星快速發展，對地觀測係統由最初的單星模式發展為(wei) 現在的輕小型衛星組建星座，實現了全天時、全天候、全方位的對地精細化觀測。

未來將通過對地觀測衛星星座與(yu) 通信衛星、導航衛星和飛機等空間節點動態組網，建立天基空間信息網絡，實現智能化空天信息的實時服務，形成一種模擬腦感知、認知過程的智能化對地觀測係統。此係統可結合地球空間信息科學、計算機科學、大數據科學與(yu) 雲(yun) 計算及腦科學與(yu) 認知科學等領域星空体育官网入口网站，在天基空間信息網絡環境下形成集測量、定標、目標感知與(yu) 認知、服務用戶為(wei) 一體(ti) 的智能對地觀測“腦”係統[3]。

地球觀測腦 （圖片來源：李德仁、王密，沈星等，2017）

作為(wei) 太空之眼，探測器攜帶的高分辨率相機拓寬了人們(men) 認識和感知宇宙的能力，我們(men) 相信，這雙持續“升級”的慧眼，還將在更多領域貢獻價(jia) 值和力量！

參考文獻

[1]郝哲，從(cong) 對地觀測衛星到對地觀測腦，中國測繪，2020，10：10-13.

[2]劉韜，如何計算光學對地衛星的空間分辨率，國際太空，2013，10.

[3]李德仁、王密，沈星等，從(cong) 對地觀測衛星到對地觀測腦，武漢大學學報，2017,42（2）：

出品：科普中國

製作：陳健（中國科學院上海矽酸鹽研究所）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

（本文中標明來源的圖片已獲得授權）

本文來源於(yu) ”中國科普博覽“公眾(zhong) 號（kepubolan），轉載請注明公眾(zhong) 號出處


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