记录地球的人

1957年10月4日，苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”，开启了太空时代。为此，美国成立了国家航空航天局（即NASA），这是一个新的联邦机构，授权将第一个人类送上了月球。记者查尔斯·菲什曼在他的《一次巨大的飞跃》一书中追溯了后来NASA著名的阿波罗登月计划是如何在卫星、计算机和电信等方面取得技术突破的，如今这些技术仍在不断完善。

很少有人知道，在“斯普特尼克1号”发射两年后，美国发射了一系列秘密间谍卫星，作为“日冕”计划的一部分，开始从太空拍摄地球的照片。它们携带着高质量的胶片摄像机，用飞机从空中劫持或海军舰艇从海上打捞上来的降落伞返回舱将宝贵的货物弹出。太空舱有一个盐塞，如果不能迅速回收，盐塞就会溶解，从而将胶片送入海底。日冕图像现在已经解密，并且可以从南达科他州苏福尔斯附近的美国地质调查局地球资源观测与科学（EROS）中心的网上免费获得。

对NASA一个常见的误解是，它唯一的工作就是进行太空探索。事实上，该机构也一直在观测地球。早期登月任务的宇航员用哈苏相机对准飞船窗户拍摄了这张照片。与秘密的“日冕”计划的图像不同，这些照片是公开发布的，让公众和科学家兴奋不已。20世纪60年代末，在美国地质勘探局主任威廉·T.佩科拉的热情支持下，NASA在开展更为著名的月球探测任务的同时，也启动了一项历史性的地球观测项目。佩科拉去世几天后，NASA发射了首个地球资源技术卫星，后来它被重新命名为“陆地卫星1号”。

陆地卫星1号的核心有效载荷是一个被称为多光谱扫描系统（MSS）的传感器。与胶片相机不同，MSS收集的数字图像可以发送给碟形卫星接收站。这成倍地增加了可以收集的图像的数量。此外，MSS技术获得的不是一幅而是四幅地球表面的图像，每幅都采样不同间隔的电磁光谱（绿光、红光和两种不同范围的红外光）。这使得数字图像处理软件能够以各种方式将这四张独立的图像组合在一起，生成丰富多彩的、信息丰富的地球表面数字地图。

陆地卫星1号存活了6年，取得了巨大的成功。随后依次是陆地卫星2号、陆地卫星3号、陆地卫星4号、陆地卫星5号、陆地卫星7号和陆地卫星8号（陆地卫星6号在发射时坠入印度洋）。陆地卫星9号计划于2020年12月发射。在过去的50年里，NASA的陆地卫星项目共收集了700多万张图片，无声无息地扮演了地球上时间最长的纪录片的拍摄者的角色。

2016年，让-弗朗索瓦·佩克尔、安德鲁·科塔姆、欧洲委员会联合研究中心的艾伦·贝尔沃德，以及瑞士谷歌的诺埃尔·戈雷利克，合写了一篇论文，刊发于《自然》杂志。这篇论文很好地说明了卫星持续监测的威力。他们使用基于云计算的数字图像处理平台谷歌地球引擎，分析了全球所有陆地卫星的图像档案，以跟踪1984年至2015年全球河流、湖泊和湿地的持续变化。包括我在内的其他科学家，曾使用陆地卫星传回的图像及时研究地表水状况，但这项发表于2016年的研究非常不同。通过云计算，研究者们获取了陆地卫星在32年来拍摄的每一张地球整体的图片。这一数据量是前所未有的。

《自然》杂志的这篇论文是在旧金山举行的美国地球物理学会年会上发布的。当时有25000多人参加了这次会议，它至今仍是世界上最大的地球和太空科学家聚会。佩克尔在那里展示了他的作品，当他的彩色全球地图在巨大的投影屏幕上一幅接一幅地放映时，观众们都倒吸了一口气。大约有9万平方千米的地表水消失了，这几乎是贝加尔湖面积的三倍。超过16.2万平方千米的水域曾经是恒久且稳定的，但如今已经不再是这样了。中东和中亚地区受到了严重的影响，这是大量的河流改道、抽水和干旱造成的。卫星地图还显示，在以前没有水的地方出现了许多新的水体。新建的水坝水库总计18.4万平方千米——大约是德国面积的一半——大部分都是人工修建的。会议室里人们交头接耳，议论声不断。以前没有任何一项研究能吸收这么多的信息。(https://www.daowen.com)

此后不久，更多的全球地表水研究开始出现。在北卡罗来纳大学，乔治·艾伦和塔姆林·帕维尔斯基将地球资源卫星的图像档案与艰苦的野外测量数据结合了起来。通过徒步走到7条不同的河流的源头处，测量它们的河道宽度，两人发现了一些奇特的现象：无论位置、地形、气候、植被的情况如何，河水源头的水流的平均宽度均为32厘米（误差小于8厘米）。似乎所有的河流流域都像触角一样，把它们的支流向上游延伸，直到它们收缩到餐盘的宽度。

这一现象的物理原因仍在研究中，但这一发现对许多发生在河流源头盆地边缘的生物地球化学和沉积过程具有深远的影响。尤其是，开阔水域是二氧化碳和甲烷等温室气体的重要天然来源，因此，数十亿微小的供给流的发现表明，这些气体的排放水平肯定比先前认为的要高。

这些源头溪流太过细微、丰富，无法从太空中绘制出来。为了估算它们的全球总面积，艾伦和帕维尔斯基再次利用全球陆地卫星档案，这一次他们绘制出了世界上从太空可见的每条河流的宽度。然后，他们利用统计数据和之前研究中揭示的32厘米的宽度，评估了全球河流的表面面积，并将源头支流纳入考虑。他们发现河水覆盖了77.3万平方千米的土地（占世界非冰川陆地面积的0.58%），比之前的估计高出44%。因此，河流在温室气体排放中所起的作用比以前认为的要大，这一发现是通过结合详细的野外考察、高端计算和全球卫星图像档案而得出的。

NASA的陆地卫星项目并不是世界仅有的卫星项目。法国的SPOT系列卫星的历史可以追溯到1986年。美国宇航局的两颗巨大的Terra和Aqua卫星上布满了传感器，分别可以追溯到1999年和2002年。自2014年以来，欧盟的哥白尼计划已经使用哨兵系列卫星来收集空间图像，并利用现场网络（如气象站、空气质量传感器、海洋浮标、灌溉用水需求）同时收集地面测量数据。这个欧盟项目已经发射了6颗卫星，在2030年之前还计划发射20多颗。

除了这些长期运行的政府计划，像Maxar（以前被称为DigitalGlobe）和Planet这样的私营公司现在正在收集分辨率非常高的卫星图像。总部位于科罗拉多州的国际公司Maxar拥有并运营着一系列商业卫星，这些卫星以30厘米的精细空间分辨率绘制地球表面影像，从而可以对汽车甚至人进行清晰的探测。位于旧金山的Planet公司正在发射数百枚“立方体卫星”——它们价格低廉、体积极小，仅和面包盒一样大，只能容纳一个摄像头——以收集数量惊人的数据。该公司设想，在不久的将来，人们每天都可以在任何地方查看高分辨率的卫星图像。2018年，该公司开设了新的制造工厂，每周能够生产40台新的立方体卫星。我指导的学生萨拉·库里在其博士论文中，率先提出了一种使用机器学习算法来收集高分辨率卫星图像洪流的方法，以跟踪整个地球表面的地表水变化。

这些不断增长的全球档案馆拥有PB^[1]级（即将成为EB级）的卫星图像。直到最近，我们依然无法对这些庞大的数据进行充分的分析。例如，如果扫描美国国会图书馆的所有印刷品，将得到约0.01PB的数据。在陆地卫星图像档案中有超过800万张图像跨越了40年的时间，其容量仅为1PB。但是云计算技术如今可以分析这些庞大的、不断增长的数据档案，其分析速率和范围都是几年前无法想象的。如今，任何精通网络的人都能通过卫星图像进入时光机，查看过去或现在世界上任何地方的信息。

这场大数据爆炸，对河流研究具有无限的价值。如今，人们可以用洪灾区的卫星图像裁定保险索赔并改善洪灾风险模型，也可以通过监测人口中心上游的河流，在洪水泛滥之前提前预警，还可以通过观察河流颜色的细微变化，追踪悬浮的沉积物、藻类和其他丰富多彩的水质指标。例如，热成像技术可用于绘制水温的细微差别，以检测工业废水和地下水泉汇入河流的位置。马萨诸塞州大学的土木和环境工程学教授科林·格利森，使用存档的卫星图像来发现河流的固有特征，这种方法被称为“站点水力几何学”，这样可以在不经地面测量的情况下，合理地估算河流流量。无论河流远近或政治管辖范围如何，如今这些和其他令人兴奋的遥感技术，都为研究和监测世界河流提供了前所未有的机会。