环绕地球运行的卫星每天都会拍摄数万亿像素的高分辨率地表图像。过去，这类信息主要提供给政府或军队的专家。但如今，几乎任何人都可以使用它。
这是因为将有效载荷（包括成像卫星）送入轨道的成本已大幅下降。高分辨率卫星影像过去的价格是数万美元，而现在的价格只相当于一杯咖啡。
此外，随着人工智能不断取得进展，企业可以更轻松地从庞大的数据集中提取所需信息，包括由卫星影像组成的数据集。利用这些图像动态地做出商业决策，这可能看起来像科幻小说一样，但它已经在一些行业实现了。
下面将简要概述我们如何获取这类信息并从中受益。但在有效地做到这一点之前，我们需要首先了解现代卫星影像的工作原理。
地球观测卫星的轨道通常分为两类：地球静止轨道（GEO）和近地轨道（LEO）。GEO卫星位于赤道上方约3.6万公里处，与地球自转同步。从地面上看，这些卫星似乎是静止的，因为它们的方位和高度保持相对不变。
当然，这样的轨道对于通信中继来说是很有利的，它使人们能够在家里的固定方向上安装卫星电视接收器。除此以外，GEO卫星也合适长时间拍摄图像来监测地球某个区域。不过，由于GEO卫星离地面很远，所以影像分辨率相当粗糙。因此，这些轨道主要用于跟踪广阔区域天气变化的观测卫星。
相对于地球静止，意味着GEO卫星总是在下行链路站的范围内，因此它们可以在几分钟内将数据发回地球，从而可以近实时地提醒人们天气形势的变化。美国国家海洋和大气管理局可免费提供大多数这类数据。
LEO卫星离地面很近，因此可以获得较高分辨率的图像。飞行高度越低，得到的分辨率越高。例如，Planet公司通过将其卫星的轨道从500公里降低到450公里，同时改进图像处理技术，最近将卫星星座SkySat的分辨率从每像素72厘米提高到了50厘米，这是一个难以置信的进步。
最佳的商用光学影像的空间分辨率为25厘米，这意味着一个像素代表地面上25厘米×25厘米的区域，大致相当于笔记本电脑的大小。少数几家公司采集数据的分辨率为25厘米到1米，业内认为这是高分辨率到甚高分辨率的范围。有些公司提供的数据分辨率为1米到5米，这是中分辨率到高分辨率的范围。最后，美国国家航空航天局（NASA）/美国地质调查局的地球资源卫星Landsat、NASA中分辨率成像光谱仪（MODIS）和欧洲航天局的哥白尼卫星系统等政府项目通过数据开放项目免费提供的光学数据的分辨率为10米、15米、30米和250米，这属于低分辨率范畴。
因为提供最高分辨率图像的卫星轨道最低，所以它们一次观察的区域更少。为了覆盖整个地球，可以将卫星放置在极地轨道上，从一个极点运行到另一个极点。当它移动时，地球在它下面旋转，所以当绕地球下一圈时，它将位于地球另一区域的上空。
然而，许多卫星并不直接经过两极。而是被放置在一个近极地轨道上，这个特殊的设计专门利用了一些微妙的物理原理。你看，旋转的地球在赤道处略微向外膨胀。这种额外的质量会导致不在极地轨道上的卫星的轨道发生移动或（从技术上说）进动。卫星运营商经常利用这种现象，将卫星放置在所谓的“太阳同步轨道”上。这种轨道使卫星可以在每天同一时间重复经过某一地点。两次运行之间的阴影模式不会发生移动，这有助于使用这些图像的用户检测并发现变化。
极地轨道上的卫星探测整个地球表面通常需要24小时。为了更频繁地拍摄全世界的图像，卫星公司会使用多颗卫星，这些卫星配备相同的传感器，沿不同的轨道运行。通过这种方式，这些公司可以更频繁地提供某一位置的更新图像。例如，Maxar公司2021年发射的世界观察军团（Worldview Legion）星座就包括6颗卫星。
卫星捕捉一定数量的图像后，所有数据均需发送到地球进行处理。这个过程需要的时间各不相同。
DigitalGlobe公司（2017年被Maxar公司收购）最近宣布，它成功在不到1分钟的时间内将数据从卫星发送到地面站，并存储在云上。这是可能的，因为发回的图像是地面站停车场的图像，所以卫星不需要在数据收集点和数据“倾卸”点之间移动。
一般来说，近地轨道的地球观测卫星不会一直拍摄图像，只有当它们位于特别受关注的区域上方时才会这样做。这些卫星一次能发送的数据量是有限的。通常情况下，它们在离开地面站的范围之前只能传输10分钟左右的数据。它们记录的数据不能超过它们在有限时间内倾卸的数据量。
目前，地面站大多位于极地附近，这是极地轨道上访问最频繁的区域。但我们很快就能期待缩短与最近的地面站之间的距离，因为亚马逊和微软都宣布计划在全球建立大型地面站网络。事实证明，托管每天收集的万亿字节级卫星数据对这些公司来说是一笔大生意，它们将自己的云服务（亚马逊Web服务和微软的Azure）出售给卫星运营商。
如果你正在寻找远离地面站的区域的影像，那么预计在数据采集和传输之间会有几个小时的显著延迟。然后，还需要对数据进行处理，这会增加更多时间。当前，速度最快的提供商可以在数据采集后的48小时内提供数据，但并非所有提供商都能做到这一点。虽然在理想的天气条件下，商业实体请求进行一次新的采集时，可在一周内获得所需数据，但这种快速周转时间仍然是最先进的。
我一直在使用“影像”（imagery）这个词，但需要特别注意的是，卫星拍摄图像的方式与普通相机不同。卫星上的光学传感器经过校准，可以测量电磁光谱特定波段的反射率。这可能意味着它们可记录从地面不同地方反射的红光、绿光和蓝光的数量。然后，卫星运营商将应用各种调整来校正颜色，合并相邻图像，并考虑视差，形成所谓的真彩色合成图像，它看起来非常像一台优质相机漂浮在高空，正对下方所拍摄出来的图像。
成像卫星还可以采集可见光谱以外的数据。例如，近红外波段被广泛用于农业，这些图像可以帮助农民判断作物的生长状况。这一波段还可用于检测土壤湿度和其他难以确定的地面特性。
波长较长的“热”红外在穿透烟雾和捕捉热源方面做得很好，对野火监测很有用。合成孔径雷达（SAR）卫星变得越来越普遍，因为它们生成的图像不受云层的影响，也不需要太阳照明。我将在下文详细讨论合成孔径雷达卫星。
你可能想知道，航空影像（比如说无人机拍摄的图像）是不是没有卫星数据好。有时候是可以媲美的，但在许多情况下，使用卫星是更好的策略。卫星可以拍摄由于偏远以及其他可达性问题而无法抵达的地方的图像，另外，还适用于冲突区、私人领地，或者飞机或无人机无法飞过的其他地方。
因此，有了卫星，机构组织可以经常性地监控各种遥远地点发生的变化。例如，卫星影像可使管道运营商快速发现其管道占地区域的入侵事件。然后，公司可以采取措施防止灾难性事件发生，比如附近施工过程中有人挖断了天然气管道等。
还可以将存档影像与最近采集的卫星数据进行比较，这对许多行业都有帮助。例如，有时保险公司可使用卫星数据来查明骗诈索赔（比如“看起来你的屋顶，在你买房子的时候就坏了”）。金融投资公司应用卫星影像，可以根据停车场的满位情况来评估零售商的未来利润，或者在农民报告当季产量之前预测作物价格。
卫星影像提供了一种特别有用的方法来发现或监测隐秘特征或活动的位置。例如，阿拉巴马大学的莎拉•帕卡克（Sarah Parcak）利用卫星影像定位感兴趣的考古遗址。荷兰咨询公司52Impact通过训练算法来识别光谱特征，发现了秘密垃圾场的位置。卫星影像还可以帮助发现非法捕鱼活动、打击人口贩运、监测石油泄漏、准确报告新冠死亡人数等，适用于主要参与者不能准确报告详情的所有场景。
尽管卫星影像获得了许多成功应用，但调查记者和非政府组织并没有经常性地使用卫星数据，也许是因为即使是影像成本降低到原来的几分之一，他们也难以承受。幸运的是，如今可以免费获得一些低分辨率的卫星数据。
要寻找免费卫星影像，可以首先访问哥白尼开放获取中心和地球探索者（EarthExplorer）。二者都提供免费的开放数据，影像的分辨率比付费购买的要低，但如果有限的分辨率即可满足需求，何必再去花钱呢？
如果需要中高分辨率的数据，可以直接从相关的卫星运营商那里购买。这一领域最近经历了一段时期的并购，只剩下少数几家供应商，西方的三大供应商分别是美国的Maxar和星球Planet公司，以及德国的空客公司。还有一些大型亚洲供应商，如韩国的SI成像服务公司和新加坡的二十一世纪航空航天技术（亚洲）有限公司。大多数供应商都有一个商业分支机构，但它们主要针对政府买家。而且它们通常要求很大的最低采购量，这对指望监控几百个或更少地点的公司来说并没有帮助。
幸运的是，联系卫星运营商并不是唯一的选择。在过去5年里，一个咨询顾问和本地代理商的家庭作坊式产业迅速兴起，他们通过独家经营为某特定的市场提供服务。服务整合商和代理商花费数年时间与多家提供商进行合同谈判，能以非常有吸引力的价格向客户提供数据集访问，有时每张图片的价格只有几美元。Esri、L3Harris和Safe Software等提供地理信息系统的公司也与卫星影像提供商洽谈代理协议。
传统的代理商是中间商，他们会派销售人员与我们联系，讨论我们的需求，代表我们从供应商处获取报价，协商价格并优先安排图像采集，有时还有数据处理，Apollo Mapping、European Space Imaging、Geocento、LandInfo、Satellite Imaging公司等皆是如此。更具创新性的代理商会提供数字平台的访问权限，通过数字平台查看某个档案中是否有所需图像，然后订购，例如EOS的LandViewer和Apollo Mapping的Image Hunter。
最近，一批新的服务整合商开始向客户提供以程序化方式访问地球观测数据集的能力。这些公司最适合那些希望将这类数据集成到自己的应用程序或工作流中的人。其中包括我工作的公司SkyWatch，它提供一项名为EarthCache的服务。其他还包括空客公司的UP42和Sinergise公司的Sentinel Hub。
我们仍然需要与销售代表联系才能激活账户（通常是为了验证我们使用数据的方式是否符合公司服务条款和许可协议），但在获得其应用程序的访问权限后，我们能够通过程序化的方式向一家或多家提供商订购档案数据。然而，SkyWatch是唯一允许用户以程序化方式提出未来数据采集请求（“给卫星分配任务”）的服务整合商。
今天，卫星影像极其丰富且易于获取，而两个正在发生的变化将进一步拓展卫星数据的功能：更频繁的成像和更多地使用合成孔径雷达。
第一个变化并不令人惊讶。随着越来越多的地球观测卫星进入轨道，捕捉的图像会越来越多，捕捉的频率也会越来越高，因此，某一区域的卫星影像成像频率将增加。现在，通常是每周两到三次；预计重复成像很快会变成每天几次。这并不能完全解决云层遮挡必要查看对象的挑战，但会有所帮助。
第二个变化更微妙。在过去几年里，欧洲航天局Sentinel-1 SAR任务的两颗卫星提供的免费数据使很多公司都开始涉足合成孔径雷达领域。
配备合成孔径雷达后，卫星可以发射无线电波并测量从地表反射回来的信号。它持续不断地这样做，并通过巧妙的处理程序将数据转换为图像。使用无线电波可使这些卫星能够透过云层，昼夜不停地收集测量数据。根据使用雷达的波段，合成孔径雷达影像可用于判断材料特性、水分含量、精确运动和高程。
毫无疑问，随着越来越多的公司熟悉这类数据集，对卫星合成孔径雷达影像的需求将越来越大。自20世纪70年代以来，军方一直在广泛使用卫星合成孔径雷达影像。但它才刚开始出现在商业产品中。不过，我们可以预判这些产品将急剧增长。
事实上，目前行业投资的大部分资金都用于资助大型合成孔径雷达星座，包括Capella Space、Iceye、Synspective、XpressSAR等。市场很快将变得拥挤，不过这对客户来说是个非常好的消息。这意味着对于他们感兴趣的地方，他们将能获得高分辨率合成孔径雷达图像，每小时（或更短时间）拍摄一次，无论白天还是黑夜，阴天还是晴天。
无疑，人们会想出奇妙的新方法来利用这些信息，获取这些信息的人越多越好。我和SkyWatch的同事深信这一点，因此我们的使命是普及卫星影像，让更多人使用它们。
在不久的将来，地球观测卫星数据可能会像GPS一样普遍存在，GPS也是一项最初仅由军方使用的卫星技术。想象一下，有一天你也许可以拿出手机这样说：“给我看看今天早上格罗弗角高地的土壤湿度图；我想看看棒球场的地面是不是仍然那么湿。”
作者：Dexter Jagula
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