迎接地球观测开放获取新时代

《自然》撰文呼吁提升人造卫星数据共享力度

卫星数据开放获取新时代已经到来。

2013年，地球资源卫星Ⅷ发射升空（艺术图）。图片来源：美国宇航局

地面覆盖物的变化通过吸收和反射太阳辐射，以及改变热流、水蒸气、二氧化碳和其他污染气体，影响全球气候。要监督生物多样性丧失和生态系统动力学，并且降低森林砍伐和退化的排放物，人们需要陆地使用情况和地面覆盖物的详细评估，包括区域性、全球性、日常性和季节性评估。

加拿大林业服务部资深研究员Michael A. Wulder表示，卫星图像是这类数据的最好来源，涉及大面积范围时尤为如此。观察结果应当是大量、定期和一致的，以便确立基线和趋势。但目前，大部分的卫星观测结果覆盖范围和兼容性有限，原因是它们受不同国家空间政策目标的控制。在许多情况下，卫星数据是保密或需要收费的。

不过，英属哥伦比亚大学森林资源管理学系遥感专家Nicholas C. Coops指出：“卫星数据开放获取新时代已经到来。”2008年，美国地质调查局（USGS）宣布其地球资源卫星档案向公众免费开放，这些数据能追溯到上世纪70年代，是全世界最大的地球图像收集库。

科学家还需要更高通量的电脑以便处理代表更大区域且更复杂的海量数据，最终制作出高达数十亿像素的地表覆盖和区域、大陆及全球间变化的综合地图。Wulder和Coopsd在《自然》杂志上撰文指出，近实时监控陆地覆盖变化目前已经实现。

卫星数据开放共享

目前依然存在障碍。研究人员表示，地球资源卫星档案的数据覆盖在空间和时间维度上是可变的。而且，很少有人拥有足够的计算能力以及带宽下载和处理数据能力。决策者仍在很大程度上未察觉最新方法带来的环境监督能力的改善，也没有充分发挥这些数据的潜力。

Coops提到，科学家和政策制定者应当支持向卫星数据开放获取方向的转变，并协调向国际气候变化和减排项目递交全球监控详细数据的努力。此外，各国政府也应公开其国家卫星图像资料库，并整合可兼容数据以填补空白。未来空间项目拍摄的图片也应能够免费访问，以提高创新能力。

地球资源卫星任务是目前运行时间最长的民用地球观测项目。1972年，美国发射了第一颗卫星，当时，公众对空间项目的热情高涨。1982年，地球资源卫星Ⅳ开始交付更精细的图像（空间分辨率为30米，现在被认为是历史分析的基准）和可见光、近红外线及短波红外线光谱通道，以追踪不同类型植物反射出的光线。

最新的该系列卫星是发射于2013年的地球资源卫星Ⅷ，它能以15/100米的分辨率观测地球表面，覆盖范围从可见光到红外波长。地球资源卫星数据从一开始就被归档，但早期的观察策略和限制性影响了部分储存数据和向下传输能力，以致全球覆盖不均匀。

但多年来，存取策略发生了改变。上世纪80年代，地球资源卫星开始商业化运营。图像获取更少，但价格上扬——数千美元一张，且使用权限有限。1999年，地球资源卫星Ⅶ发射后，它能够在全球范围内更系统地收集图像。已购买图像的重新分配开始被允许，用户组成的联盟能大量购买并分享原始图像和产品。

2008年，图像免费后，使用量直线上升。第一年，图片下载量超过100万，而前一年的只卖出去2.5万张照片。自从档案库开放后，图片下载量已超2000万，并且这一数字仍在增加。

数据革命

海量卫星数据加速了处理和分析技术革命。云量（光学遥感的克星）能够被建筑物合成图像所战胜。在一段时期内，可以选择清晰的像素点，以避免要求整张图像均清晰。这一方法正在改变大陆和全球尺度的监控。

植被扰动和生长周期也能通过追踪清晰像素点被捕捉到。

例如，一场大火后陆地景观的变化也能通过植被恢复出人意料地被检测出来。而且，年轻森林向衰老森林的转变等逻辑顺序也能以更大的可信度被列入模型和规划中。

Wulder还提到，可视化和分布式云计算的发展也能够改变游戏规划。例如，美国宇航局地球交换和谷歌地球引擎等强有力的平行处理设备能操纵大容量的地球空间和遥感数据。

这些中央设备允许使用者将算法带入海量数据集，同时最小化数据存储副本和处理工作。例如非洲等缺乏计算能力和基础设施建设的发展中地区，也能从这些共享平台中获益。

在资料库开放后，外部地球资源卫星图像数量可能超过内部。全球接收站网络保留了许多图片。2010年起，一项整合这些资料的努力为数据库增加了300多万张照片。

另外，未来的覆盖范围将进一步拓宽。地球资源卫星Ⅷ每天能收集700多张图片——是上世纪80年代的14倍。

2015年4月，首颗欧洲哨兵—2号卫星也将加入其中，该卫星每10天就将绘制一次地球陆地地图。

第二颗哨兵—2号卫星计划两年后发射。3颗卫星联合在一起将每两周拍摄一次全球陆地图像。

哨兵—2号卫星也将采用免费且公开的数据政策，尽管目前数据仅在收集后的4个月里对外开放。这一战略将限制访问大时间跨度的数据，并将导致资料库不完整和因不同校准造成的数据多重版本。

国际策略

研究人员指出，政府和遥感领域现在应当抓住机遇，发展陆地监控的一致战略。

首先，尽可能多地在地球资源卫星资料库或其他开放数据库中存储历史图片。地球观测领先的国家——其卫星携带能补充地球资源卫星的传感器——应该寻找机会将数据添加到全球数据库中。

第二，地球观测领域和政府应该致力于使未来卫星项目尽可能地开放获取。“我们希望欧洲空间局能设法放宽哨兵—2号卫星图片的使用。”Coops说，选择第三方资料库和分配点等传送机制，将有助于更多用户使用数据，以便达成既定的科学利益。

研究人员还提到，地球观测项目应当变得更像气象项目，拥有标准图像规格和国际性协议以确保连续测量。

Coops等人表示，当然，为国际利益而集合国家项目将面临的成本和困难显而易见。但地球资源卫星项目所证实的开放获取的好处能证明和鼓励这些努力。

“我们希望国际地球观测卫星委员会继续督促空间机构、商业实体和科学及工作数据用户之间的沟通，从而建立一个更统一的规划。”Wulder说。

研究人员表示遥感学界必须拥护数据资料库和创新处理方法的开发和维护。“地球观测组织和全球森林观测项目等衍生项目能开发最好的实践方法和标准。”为了促进对不同传感器收集到的数据的使用，科学家和数据分配中心还应当为用户提供广泛兼容的校准数据。

Wulder认为，研究人员、政策制定者、非政府组织和土地管理者需要使用和提升卫星数据库捕捉并描绘陆地覆盖物和陆地使用的过去及现在变化的能力。（张章）