这几日,卫星图像为人们了解俄乌局势提供了新的视角,这种观测方式具有安全性高、观测范围大、效率高等优势,堪称是“上帝视角”。但仔细一看,这些卫星图在“风格”上又形成了鲜明的对比:国外拍的都是彩图,中国的却是黑白照,这到底是什么原因呢?

我们先来看看国外卫星拍下的图像,分别来自美国的麦克萨科技(Maxar Technologies)、行星实验室(Planet Labs)以及卡佩拉空间(Capella space)公司,其中Maxar发布的卫星图数量最多,画面也很清晰。

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卫星图像显示 Chuhuiv 机场的燃料储存区和其他机场基础设施遭到破坏/Maxar

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Chuhuiv机场升起黑白烟雾/Maxar

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地面飞机和房屋清晰可见/Maxar

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俄行进车队/Maxar

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机场受损区域/Planet Labs

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2022 年 2 月 21 日,乌克兰哈尔科夫郊外 Chuhuiv 空军基地的卫星图像/Planet Labs

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乌克兰边境/Capella Space卫星图

我们可以看到,以上这些卫星图不仅全是彩色,而且分辨率也很高,飞机、车辆、机场、跑道、河流等一览无余。很多网友对此表示惊叹,认为国外的卫星技术确实不一般。其实在这些彩色图像的背后却隐藏着一个“致命”的前提,那就是要求地表能见度一定要高

画面中的彩色元素实际上是光学成像的结果,高度依赖太阳光线的反射来获取地面信息。但在雾霾天、沙尘暴天、雨天、多云天的时候,地面物体就会被云雾、烟尘等遮住,物体的反射光在穿过云层时就会被散射,这时候在轨卫星就无法观察到地面的情况了。到了夜间,光学卫星也同样“失灵”,光线的限制可以说是最大的弊端。

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比如在2月24日,美国国家大气与海洋管理局的卫星再次将目标锁定在了乌克兰上空,这一次在拍摄时就受到了云层的阻挡,乌克兰南部乃至整个黑海都是白茫茫一片,根本无法观察到地面的情况。

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2022 年 2 月 24 日拍摄的卫星图像显示了乌克兰大部分地区的云层覆盖/美国国家海洋与大气管理局

再来看中国的卫星图像。2月24日,我国的一颗商业卫星“海丝一号”获取了基辅哈尔科夫机场、鲍里斯波尔国际机场、梅利托波尔空军基地以及敖德萨港的高清卫星影像,从新的角度拍下了机场和港口的关键画面。

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可以看到,这些图片全是灰度图像,没有任何的彩色信息,一眼看上去确实容易“迷糊”(人眼无法直观判断一些灰度级差异较小的地物信息)。在分辨率上,图像样张看起来似乎也不如国外卫星拍摄的彩图,乌克兰梅利托波尔空军基地上的车辆、飞机等都以“点状”存在,就连四架大型运输机看起来也快要和周围的黑色“融为一体”。

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经过仔细研判,天仪研究院的专家们也获得了很多重要的信息,比如:哈尔科夫机场跑道上出现了十多辆装甲车,航班服务已处于中断状态;再如,敖德萨港口的基础设施基本上保持良好,船只有序排列,这表明当地未受到大面积的炮火攻击。

那么,“海丝一号”拍摄的卫星图为什么是黑白图像呢?真的比国外的彩色照片更差吗?

“海丝一号”是我国为数不多的可以对标国际先进指标的、具备米级分辨率的遥感卫星。它的成像原理并不是光学成像,而是依靠雷达成像,采用的微波频段是C波段,这并不是可见光频率范围内的电磁波,所以最终只能得到黑白照片。

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但这并不意味着黑白照片比彩色照片更差,因为雷达成像有其无法比拟的优势——可以穿透雾霾、云层、沙尘暴,还不受时间的限制,在夜间也能通过发射、接收电磁波的方式观察地面。所以,“海丝一号”可以实现真正意义上的全天时、全天候监测。

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从科技含量来看,“海丝一号”也已经位于世界前列,实际重量只有180公斤,功能密度高,工业级器件高度集成化。该卫星的中心频率为5.4GHz,载荷平均功率小于2500w,拥有条带模式、扫描模式和聚束模式(最佳分辨率可达1米)三大工作模式,完全可以捕捉到大范围、高分辨率的地面场景,如城市、山脉、河流、海岸等典型地貌。

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天仪研究院官网截图

至于网友们纠结最多的黑白照,其实也是可以通过技术手段转化成伪彩色图。根据“海丝一号”自身的散射特点,我们可以通过分段式灰度-彩色变换的方法对黑白照片进行后期处理,提高鲜明度,从而直观地区分不同的地物信息。

把黑白照变成伪彩色图,效果到底如何呢?“海丝一号”曾对厦门大学思明校区和漳州校区进行过观测,下图中黑色阴影和白色高光区分别对应了不同的地面事物。

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芙蓉湖、情人谷、道路等为C波段的弱散射区域,后期用蓝黑色标出;金属、建筑物则是强散射区域,在后期用橙色表示;其余分别用紫色至黄色表示卫星图上逐渐增大的灰度级。这样一处理,人眼更容易识别出不同的地标和场景,由于这些色彩并不是物体原本的颜色,所以叫伪彩色图。

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“海丝一号”拍下的苏伊士运河货轮堵塞事件与国外卫星图对比

所以结论就是,各国卫星拍下的彩照和黑白照并没有高低之分,分别对应了不同的应用场景和设计需求。在成像上,两种卫星图应该说各有优劣,彩色卫星图的优点是分辨率高,观测更加直观清晰,缺点是受到了天气、时间段的严格限制。

我国卫星拍下的黑白照虽然丢失了很多色彩信息,分辨率也不够高,但却能实现任何时段任何天气下的观测。特别是在台湾海峡以及南方等多雨、多云的地区,几乎常年被厚厚的云层覆盖,这时候就只能借助微波频段的雷达成像技术了。

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FY4A真彩色气象图

最后还要再说一句,我国地球影像卫星目前的水平已经不低,未来的发展蓝图也是相当宏伟!“海丝一号”是我国构建“海丝星座”卫星群的第一步,后继者“海丝二号”也已经于2021年6月11日成功发射升空,这颗卫星可拍摄高质量的彩色图片,和“海丝一号”打出了“组合拳”。

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按照规划,整个“海丝星座”将由16颗雷达小卫星以及16颗定制特殊波段的多光谱水色小卫星构成,雷达卫星和光学卫星届时可组网运行,相互搭配,优势互补,成像质量必定还能再上一个台阶!

对于中外卫星图的差异,您怎么看?欢迎留言讨论!