戴上你的3D眼镜

很快，这些全球性的、快速增长的大数据档案馆，将不仅包括二维图像，还将囊括三维图像。

直到最近，高分辨率数字地形数据仍然令人垂涎，很难找到。它们主要是由军方产出的，用于敏感目的，例如操纵低空巡航导弹穿越某个地域，或与地震波记录相结合以监测秘密的核弹试验。我想起我在读研究生的时候，有一次没能在感恩节假期回家，因为当时我只能以手动的方式，一点一点地将纸质地形图上所有短小的棕色轮廓线变成数字图像。当时，国家地理空间情报局（那时被称为国家影像测绘局）将数字地形数据集租借给我们大学使用，版权是受限的，我有名同学曾秘密复制并试图出售这本数据集，后来被捕入狱。

让我们快进到2020年，现在我们在网上就可以免费获得分辨率极高的3D数字地形数据。这一趋势可以追溯到2000年，当时美国宇航局的“奋进号”航天飞机执行了一项特殊的测绘任务，即航天飞机雷达地形图任务（SRTM）。雷达（英文为radar，是由radio detecting and ranging的首字母组成的缩写词）使用一个或多个天线发射和接收微波，其电磁波谱的波长范围比可见光和红外光长得多。SRTM使用了一种被称为“雷达干涉法”的惊人技术，该技术可同时发射两个雷达，并对各自的回波进行三角测量，以绘制出整个地球表面的地形高程。为了做到这一点，奋进号倒立过来，打开了货舱，用一根天线对准了地球。第二根天线安装在60米长的可折叠吊臂的末端，小心翼翼地从航天飞机的侧面伸出。幸运的是，一切正常，在接下来的10天里，当这对三角测量雷达绕地球旋转时，宇航员兴奋地将雷达数据记录在磁带上（多么古朴！）。当为期10天的任务结束时，宇航员已收集了足够的雷达数据，以创建有史以来最全面的高分辨率地球地形图，其范围覆盖了南纬54度和北纬60度之间的区域。

如今，奋进号在洛杉矶的加利福尼亚科学中心博物馆中展出，可折叠的吊杆收藏于弗吉尼亚州的史密森尼国家航空航天博物馆，悬挂在史蒂芬·F.乌德瓦·哈兹中心。但是，SRTM雷达数据仍在继续使用和重新处理，并且多年来经过了许多改进和重新发布。该任务的3D图像是谷歌地球地图软件中的标准背景，并且用于从科学研究到手机信号塔选址再到视频游戏图形的所有内容。

航天飞机雷达地形探测任务背后的技术正是雷达干涉测量，如果航天飞机至少能发回一次地面上同一区域的图像，也可以使用单个天线来完成。因此，两次访问之间的任何时间，都可能会在地形本身之外，绘制出地形的细微变化。我以前的研究生室友，道格·阿尔斯多夫，现在是俄亥俄州立大学的教授，他利用一次名为“SIR-C/X-SAR”的航天飞机飞行任务的雷达数据在河流上开创了这一技术。(https://www.daowen.com)

通过对泛滥的亚马孙河上反射的雷达回波进行三角测量，收集航天飞机出发24小时内的数据，阿尔斯多夫绘制出了这段时间内两个轨道之间洪水水位下降的厘米级精度的图片。他发现，当亚马孙河的水位下降12厘米的时候，其周围的洪水水位下降了7～11厘米，而距该河更远的地方的洪水水位只下降了2～5厘米。

这一发现表明，被洪水淹没的河漫滩无法像浴缸一样均匀地上下填充。相反，洪水水位（和流动方向）遵循由死水、植被和次生河道构成的错综复杂的空间格局。使用日本地球资源卫星（JERS-1）和其他雷达卫星的后续研究表明，河漫滩很复杂，通常在某些地区积水较多，而在其他地区积水较少。从太空中绘制这些3D特征模型，可以为保护湿地和准确评估大型河漫滩的洪水风险提供有价值的信息。

这种雷达技术即将成为主流。2017年，美国宇航局（NASA）向北美洲北部最偏远的地区派出了9架不同的飞机，这是其长达10年的计划北极地区脆弱性实验的一部分，该计划旨在从空中、地面和太空测试新的传感器技术，以回答关于北极和亚北极地区所发生的变化的一系列科学问题。作为这些新技术之一的飞行项目负责人，我的工作是在北美洲的北极和亚北极地区的约28000千米的范围内部署由美国宇航局喷气推进实验室制造的机载实验雷达干涉测量传感器AirSWOT。AirSWOT飞机上的仪器套件包括多个雷达天线，这些天线的设计意图是使用雷达干涉测量法绘制河流和湖泊中的水位。

在整个夏天，AirSWOT拍摄了超过4万条湖泊和河流的影像，而我同时在地面上组织了野外团队。来自4个国家和15个机构的将近36个人使用小船、水上飞机和直升机在AirSWOT飞行的航迹之下穿越了萨斯喀彻温省、西北地区和阿拉斯加北部的偏远地区。我们的主要目标是使用精密的现场测量设备来测试雷达干涉测量法是否如希望的那样，可以灵敏地测量水位。通过将我们的现场调查与从空中收集的AirSWOT图像进行比较，我们证实了这项新技术确实能以精确而有用的方式绘制很大区域的水位图。例如，我指导的一名博士生，林肯·皮彻，使用AirSWOT图像来揭示地下永久冻土层对育空平原水位的影响，育空平原是阿拉斯加北部育空河沿岸的一个巨大的、具有生态学意义的重要湿地系统。另外两名学生，杰西卡·费恩和伊桑·基西瓦，则使用在加拿大西部和阿拉斯加收集的AirSWOT图像进行了相关研究。

NASA的北极地区脆弱性实验仅仅是个开始。目前，全球数以百万计的淡水湖泊中只有不到1%的水位受到监测。在世界上许多地方，河流和水库的水位要么是未经测量的，要么是受保护的国家机密。NASA并不是将AirSWOT本身作为最终目标，而是将它作为一种将要发射到太空的新型卫星的示范。它为即将到来的更大的技术飞跃提供了可借鉴的原型。