“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

2021年2月5日20时,“天问一号”探测器在飞行了约197天,飞行总里程共约4.65亿公里,距离火星大概110万公里。此前,“天问一号”探测器在经过距离火星约220万公里的地方拍摄了首幅火星图像,并将它传回到约1.84亿公里以外的地球。这无疑是中国航天史上的一个里程碑!

“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

图片来源自中国国家航天局

“天问一号”目前正不断逼近火星,它将于中国农历除夕(2021年2月10日)前后,进行近火制动(俗称“刹车”),开启环绕火星之旅。

火星是太阳系的第四颗行星。这颗红色的行星是太阳系中,曾是与地球最像的一颗行星。它在很久很久以前其实是蓝色的--数十亿年前的火星更湿润、更温暖,大气层更厚,而且有液态水。现在它却只是一个尘土飞扬、寒冷的沙漠世界,大气层非常稀薄,用各种探测技术观测的结果是发现其表面有干涸的河床和无水的湖泊


“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

图片来源自《科学美国人》

如果有朝一日,你在晴朗的一天着陆火星,可以看到数以万计的岩石。维京2号火星探测器曾用它的一个摄像头连续两次拍摄过火星地表,这两张高分辨率图片被镶嵌在一起,形成了这幅向东北地平线看去的景象,视野纵深大约三公里远。

“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

图片来源自NASA/JPL

中国进行探索火星项目是非常有意义的。我们知道火星是太阳系中最容易到达的一个行星。探索火星可能会提供回答地球生命起源和进化问题的答案的机会,并有一天火星成为人类生存的目的地,就像《流浪地球》或者《星际穿越》里要解决的问题一样。

从实用的角度来看,我们知道火星在整个太阳系中是独一无二的,因为它是一个有大气层和气候的类地行星,它的地质情况非常多样和复杂(就像地球),而且火星的气候似乎在其历史上发生了与地球不一样的变化,这才造成了火星与地球迥异的现状。

总的来说,探索火星可以有效地解决太阳系中天文科学中的许多关键问题。这一努力也有助于激励下一代科学家,极大地扩展人类知识。

2020年7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭在文昌航天发射场点火发射,非常成功地将我国第一颗火星探测器“天问一号”送入太空,中国由此迈出了行星探测的第一步。

“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

图片来源自网络

时至2月5日,“天问一号”探测器能够传回中国第一张火星图像是和我国科技工作的努力和智慧分不开。在“天问一号”靠近火星,必须要进行“绕落巡”三个阶段的运行动作。它首先要绕“火星”对其观测(观察与测定),进行了一次自变轨,从火星赤道上空的非极地轨道变为两极上空运行的极地轨道,这样才能够观察到整个火星表面,进行对火星的遥感探测。同时,“天问一号”探测器还会对火星着陆点进行勘测,它经过一段时间的观测,收集数据并进行分析,选择最佳着陆点。也许可能在二个月后(但不准确),“天问一号” 探测器确定好了火星着陆点后,就会向火星表面释放着陆器,完成“落”的任务。在成功着陆后,“天问一号”的着陆探测器带上搭载于其上的各类科学传感设备,开始对火星进行实地观测与采样等科研工作。这对于中国人来说将是创世纪的事情!

在所有的这些工作中,遥感的技术功不可没。遥感技术就像是“天问一号” 探测器的一双眼睛,为它提供任务决策的重要信息。

望文生义,所谓遥感是指从远处获取和感知信息。人类可以通过卫星、飞机或者其他机动搭载设备上装载各类遥感器(传感器),观测地球和其他行星体或者宇宙中的一切物体。这些遥感器能记录这些物体反射或发射的能量,进行科学研究或工程应用。遥感器提供了一个全新视角和关于大到地球或火星等天体小到袖珍茶园或农庄系统甚至是一颗古树、一个古迹的丰富数据,使我们能够根据各类观测对象的当前或未来状态做出有数据依据的科学决策。

遥感技术的起源首先是从对地球观测开始的。这里所说的观测的含义,除了观察还有测定。测定是获得某一物质的物理或化学特征数据信息的方法。比如我们看到的“天问一号” 探测器传回来的图像,除了能够看到和了解火星表面的一些实况,还能对它确定图像上地物的坐标位置、进行距离和方向的测量以及其他元素的测定。

目前,我们人类对地球观测的遥感技术是最全面也是最丰富的。如果举一反三、触类旁通的话,我们可以通过对地球探测器的了解,知道一点火星探测器的知识。

“遥感”一词最初是在1960年提出的。1960年以前,这个术语通常是航空摄影。然而,探测地球表面的新方法和新技术正在超越传统的黑白航空照片。20世纪70年代以后人们对地球物理环境变化的新的和持续的关注。卫星遥感图像——通过计算机分析和增强——使探测和监测这些变化成为可能。这项技术使人们能够看到发生在地球表面的事情,而这些事情在普通的航拍照片中是无法发现的。

“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

美军著名的“锁眼”系列侦查卫星

毫无疑问,卫星遥感图像首先用在军事上的。但随着社会的发展,许多卫星用各种遥感仪器监测地球表面,用来收集对地观测数据,促进人类社会的发展。

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2008年6月由QuickBird卫星拍摄的著名旅游景点柏林电视塔(Fernsehturm)

对一个运行的天体来说,探测器对它观测一般对先进行环绕,要成为它的一颗人工卫星。宇宙的很多天体形状为近似的椭圆形,地球其实不是一个圆形,也不是一个椭圆形,而是一个形状不规则的星球。下图这颗地球极地轨道探测卫星位于与赤道面成近90度倾斜的轨道面上。

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NOAA/NASA联合极地卫星系统(JPSS)的轨道平面,轨道倾角为98.69度

这种倾斜使得卫星能够感知整个地球,包括极地地区,提供对难以通过地面到达地点的观测。许多极轨探测卫星被设置为与太阳同步的,这意味着卫星在每个周期的同一太阳时间经过同一地点。而“天问一号” 探测器第一次变轨也是这么类似进行极地轨道调整的,这也是地球与火星非常相似的一个佐证。

当然,根据实际的科研或者工程需求,探测卫星极地轨道可以上升或下降。在上升轨道上,当探测卫星的轨道穿过赤道时,它们正由南向北移动。在下降轨道上,探测卫星由北向南移动。


地球探测器(卫星)除了极地轨道,一般还有近地轨道和地球静止轨道。

非极低地球轨道的高度通常低于地球表面2000公里,而国际空间站的轨道高度约为400公里。高度低,则覆盖面小,但获取的数据更加精细。这些非极低地球的探测器不能覆盖全地球,而是只覆盖部分纬度范围,却能获取精度更高的数据。比如监测全球降水情况(GPM)的探测卫星是一个非极性近地轨道探测卫星的例子,覆盖范围从北纬65度到南纬65度。

所谓地球静止轨道,并不是指卫星是静止的,而是指卫星和地球运转就像静止一样(就像你坐在时速200公里的高铁上,虽然你在以200公里/小时的速度在运动,但以你的座椅作为参考物,你是静止的),看上去“静止”的卫星跟随地球自转,以相同的自转速率运行。因此,在地球上的观察者看来,卫星似乎固定在一个位置。这些卫星每次观测都能捕捉到相同的地球景象,因此几乎可以连续覆盖一个地区。气象探测卫星,如地球静止运行环境的系列探测卫星(GOES)就是地球静止卫星的例子。

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一个地球静止轨道上的探测器

当然,花费了大量人力物力并不是仅仅为了让探测器绕着星球跑,探测器的主要任务是收集星球上的数据,具体说来就是需要收集星球上反射或自己发射的电磁波。

由带电粒子振动产生的电磁能,以波的形式在大气和空间的真空中传播。这些波有不同的波长(从波峰到波峰的距离或波谷到波谷的距离)和频率;波长越短意味着频率越高。有些,如无线电、微波和红外线,波长较长,而另一些,如紫外线、x射线和伽马射线,波长较短。可见光位于长波到短波辐射范围的中间。这一小部分能量是人眼所能探测到的。需要仪器来探测所有其他形式的电磁能。科学家研究各种电磁波的感应仪器,利用全光谱来探索和理解地球和其他行星上发生的过程。

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自然界中的电磁波频谱(频率谱密度的简称,是频率的分布曲线)图

例如,以地球为例,有些电磁波被大气中的元素吸收或反射,如水蒸气和二氧化碳,而有些波长的电磁波能够在大气中畅通无阻地运动。可见光的波长可以在大气中传输。微波能的波长可以穿过云层。我们人类的许多气象和通信卫星都利用了这一点。

地球探测器观测到的主要能量来源是太阳(火星也类似)。太阳反射的能量大小取决于天体星体表面的粗糙度和反照率,也就是表面反射光线而不是吸收光线的程度。例如,雪的反照率非常高,它大概反射了90%的来自太阳的能量,而海洋的反射率只有6%,吸收了大部分的太阳能量。通常,当能量被物质吸收后,它会被重新二次发射,通常波长更长。例如,海洋吸收的能量会被重新发射为红外辐射。

所以,搭载在卫星上的传感器(遥感设备)可以粉墨登场了。搭载在卫星和飞机上的遥感设备利用太阳作为电磁波能够源或自己提供的电磁波能够源,测量反射回来的能量。使用来自太阳的自然能量的传感器被称为被动传感器;那些提供自己能量来源的传感器被称为主动传感器。

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被动式与主动式传感器

需要注意的是,大多数被动传感器无法穿透浓密的云层,因此在探测器观察地球热带等经常出现浓密云层的地区时存在局限性。

在评价传感器获取到的图像质量时,分辨率是一个重要指标。而分辨率在如何使用传感器的数据方面起着重要作用。根据卫星的轨道和传感器设计,分辨率可能会有所不同。对于任何数据集,有四种类型的分辨率需要考虑辐射、空间、光谱和时间。

辐射分辨率是每个像素中的信息量,即代表记录能量的位数。每一位记录一个2的幂指数量。例如,8位分辨率为2的8次方,表示传感器有256个潜在数字值(0-255)来存储信息。因此,辐射分辨率越高,可用于存储信息的值就越多,从而更好地区分哪怕是最微小的能量差异。例如,在评估地球表面水质时,辐射分辨率是区分海洋颜色细微差异的必要条件。

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不同分辨率的图片精度不同清晰度不同

既然高分辨率的图像数据这么清晰,那么为什么所有卫星探测器都装载一个高分辨率的传感器?科学家们当然不是不是傻子,因为很难将所有符合需要的光谱特征(空间和时间分辨率)组合到一个遥感器中。要获得具有高空间分辨率的观测数据(如陆地卫星),就需要更窄的观测区域带,这反过来就需要对一定面积的区域对象花费更多时间的观测,从而导致较低的时间分辨率(指在同一区域进行的相邻两次遥感观测的最小时间间隔)。研究人员必须做出权衡。这就是为什么要了解某一特定研究领域需要什么样的数据是非常重要的。在研究随时间实时动态变化的天气信息时,具有良好的时间分辨率是至关重要的。在研究季节性植被变化时,为了获得更高的光谱和/或空间分辨率,可能需要牺牲一点良好的时间分辨率

在经过卫星探测器转轨、传感器收集数据,接下来就要进行数据处理、解释和分析。从卫星上的探测仪器获取的遥感数据需要在大多数研究人员和应用科学家使用之前进行处理。

当科学家和科学工作者拿到处理好的遥感数据后可以进行各种各样的应用。一般,遥感数据会被处理成具有不同波段组合的图像,它们就可以有助于资源管理或优化决策和灾害评估,这个工作通过对图像进行解释来完成。

比如,基于图像的空间分辨率有不同的尺度,每个尺度提供不同的重要特征。例如,跟踪洪水时,一个精细的高分辨率影像地图将显示哪些房屋和企业被水包围。覆盖面积更大的影像地图可以显示了一个哪些地方比如县市区被洪水淹没,也会科学定性地确定洪水从哪里来,显示整个地区洪水泛滥的河流系统或控制水流径表流域的山脉和山谷等地形。还可以以半个地球视角分析与洪水有关的天气系统的运动。

使用影像地图,还可以寻找地理分布趋势或模式。根据影像地图中的形状和纹理-许多特征很容易识别基于它们的空间分布模式或形状。例如,农业区的形状非常几何,通常是圆形或矩形。直线是典型的人造结构,它在现实世界里往往如道路或运河。

使用影像地图,可以通过颜色来区分现实世界里的地物特征。因为在收集遥感数据,创建影像图像前,探测器所使用的波段等相关参数就在实验室里测定好了。如果从太空往下看,真彩色或自然彩色图像基本上就是我们用自己的眼睛看到的。水吸收的光通常是黑色或蓝色;然而,阳光从表面反射可能使它看起来是灰色或银色。而且水域中的沉淀物可以影响水的颜色,使它看起来更棕色,藻类也会起到近似作用,使它漂浮的水面看起来会更绿色。植被的颜色因季节而异:在春天和夏天,通常是鲜绿色;秋天可能有橙色、黄色和棕褐色;冬天可能有更多的棕色。裸露的地面通常是一些棕色的阴影。但是,这也取决于沉积物的矿物成分。城市地区通常是灰色的从广泛的混凝土。冰雪是白色的,云也是白色的。在使用颜色识别事物时,基于环境的上下文和使用周围地物的特征来分析事物就很重要了,要不然真的是“不识庐山真面目了”。

大火在陆地上烧过的痕迹在 Landsat探测卫星上的第7段红外波段数据里上反射强烈而典型。比如,森林大火的痕迹在下面的右侧图像中作为红色标记得到了很好的突出,而在左侧的标准RGB图像中,因为时间已经有一段时间后地表植被被修复后而无法识别曾经火痕。这是多光谱或高光谱遥感器的优势所在。

“天问一号”探测器为什么能够传回首幅火星图像?

左图为普通影像地图,右图为红外波段的影像地图

当然除了这种地图判定的定性分析,还是更加准确和精细的定量分析。通过使用遥感图像智能分类算法,可以更容易地将影像覆盖地区分不同的土地覆盖类型。图像分类使用每个像素的光谱信息。使用图像智能分类算法的程序可以自动将像素分组,这就是所谓的无监督分类。科学还可以指示已知土地覆盖类型的区域,以“训练”程序将这些像素分组(比如使用人工智能中著名的深度学习算法),这称为监督分类。影像地图也可以集成到地理信息系统(GIS)中,然后每个像素可以与其他GIS数据(如人口普查数据)进行比较,进行叠置分析。

以上所有这些技术都可以应用到“天问一号”探测器对火星观测的任务中。

所以说,“天问一号”探测器发回来的那张火星照片聚集了无数中国人的智慧和努力。它在未来还将创造出更加让人啧啧惊叹的奇迹!向艰苦奋斗的中国航天人致敬!


以上原始图像主要来源于网络


作者简介:晨星,男,湖北武汉人,高级程序员,副高职称,理学博士

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投稿时间:2021-02-21  最后更新:2021-02-21

标签:火星   探测器   图像   遥感   传感器   轨道   能量   分辨率   地球   数据

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