从太空看地球

太空地球观测，是指利用搭载于火箭、载人航天器和人造卫星上的仪器，对地球表面、海洋、大气及近地空间环境进行系统性成像与测量。这一领域始于20世纪40年代末的亚轨道火箭摄影，在20世纪60年代太空竞赛期间迅速扩展，并随着1960年第一颗气象卫星和1972年第一颗民用陆地成像卫星的发射，逐步发展为一套永久性的科学与业务基础设施。截至2020年代中期，联合国外层空间事务厅统计在轨运行的地球观测卫星已逾千颗，由六十余个国家及数量不断增加的私营企业负责运营。

这些任务返回的图像和测量数据，远不止是普通的照片。它们是经过定标处理的数据产品，往往来自人眼无法感知的光波段，使科学家和政府部门得以绘制地表覆盖图、追踪飓风和台风的生成过程、监测海面温度与大洋环流、测量冰川和冰盖质量、探测火山烟羽和野火烟雾，并观察海岸线、森林和城市的缓慢演变。许多最重要的地球观测数据档案——例如自1972年起持续记录的陆地卫星（Landsat）档案——如今已积累了逾五十年的连续数据，构成了迄今最长的地球陆地表面连续观测记录。

人类首张太空地球照片摄于1946年10月24日，拍摄平台是一枚在新墨西哥州白沙导弹靶场发射的缴获德制V-2火箭。一台35毫米电影摄影机被固定在火箭侧面，每隔一秒半拍摄一帧黑白画面，记录飞行器攀升至约105千米高度的全过程，远超国际公认的100千米太空边界。尽管所得照片画质粗糙、云层遮挡，但已清晰呈现出弯曲的地球轮廓，由此开启了轨道与亚轨道成像的不间断传统。

第二个里程碑出现在1960年4月1日，美国国家航空航天局发射了电视红外观测卫星，即TIROS-1。该卫星搭载两台电视摄像机进入近极地轨道，从太空返回了首批可用的云图，证明天气系统可以从高空进行全局观测。TIROS-1仅运行了78天，但其后续卫星开创了美国气象卫星不间断接续的传统，延续至今，并在地球静止轨道环境业务卫星（GOES）和联合极轨卫星系统（JPSS）项目框架下持续运行。

然而，文化影响最为深远的图像来自载人阿波罗计划。1968年12月24日，阿波罗8号成为人类首艘抵达月球并进入月球轨道的载人飞船。在第四圈飞行期间，宇航员William Anders拍下了地球从月球边缘升起的画面，这张照片由此得名"地出"。四年后，1972年12月7日，阿波罗17号乘组在飞往月球途中，于距地球约29,000千米处拍摄了一张光照完整的地球照片。这张照片在美国航空航天局档案中的编号为AS17-148-22727，成为有史以来被复制最广泛的图像之一，举世皆知，名为"蓝色弹珠"。

20世纪70年代同样见证了现代民用遥感的诞生。1972年7月23日，美国发射了陆地卫星1号（Landsat 1），最初命名为"地球资源技术卫星"。该卫星搭载多光谱扫描仪，以约80米的空间分辨率在可见光和近红外四个波段记录陆地表面。陆地卫星1号及其后续卫星不间断传承至今，现运行的陆地卫星9号（于2021年发射）共同构成了迄今现存最长的地球陆地表面连续记录。此后数十年间，欧洲、日本、加拿大、印度、中国和巴西相继开展各自的卫星任务，商业运营商也陆续入场，最终欧盟哥白尼计划（Copernicus）的哨兵系列卫星以前所未有的规模提供免费开放数据。

地球观测仪器按其采样的电磁波谱范围及所测量的物理量，大致可分为几大类别。每类仪器各有其优势与局限，现代研究越来越多地将多类仪器数据综合使用。

光学（可见光与近红外）成像仪在离散波段内记录地球表面反射的太阳光。典型代表包括陆地卫星的陆地成像仪（OLI）、哨兵-2的多光谱仪（MSI），以及Terra和Aqua上的MODIS传感器。光学影像直观易于人眼判读，是真彩色合成图像的基础，但需要日光照射且受云层遮蔽。

热红外成像仪探测地球表面向外辐射的热量。陆地卫星和MODIS的热红外波段可用于测量地表温度、探测活跃野火、绘制火山熔岩流图，以及识别工业热源和发电厂的热羽。热红外传感器在夜间和白天均可正常工作。

合成孔径雷达（SAR）主动发射微波脉冲并接收地表散射回波。由于微波能够穿透云层、不依赖太阳光，欧洲航天局哨兵-1和日本ALOS-2等SAR仪器可在任何时间对地球上任何地点进行成像。SAR在洪水制图、利用干涉测量技术监测地面沉降和火山膨胀，以及追踪海冰方面不可或缺。

高光谱成像仪将反射光谱细分为数百个窄波段，而非多光谱仪器所使用的少数几个波段。德国EnMAP（2022年发射）和国际空间站上的地球表面矿物尘源调查（EMIT）仪器等任务，利用高光谱数据通过光谱特征识别特定矿物、植物种类和大气气体。

重力与测高任务测量的是物理属性而非反射光。GRACE和GRACE-FO绘制地球重力场的微小变化，揭示地下水枯竭和冰盖质量变化。哨兵-6、Jason-3和SWOT上的雷达测高仪将海面高度测量精度提升至数厘米以内，支撑海洋环流、潮汐和海平面趋势研究。ICESat-2上的激光测高仪以厘米级精度测量极地冰盖高程。

地球观测的实际价值可通过若干重要应用加以体现。每项应用都建立在数十年积累数据的基础之上，并随着新任务的不断上线而持续拓展。

天气系统与强对流风暴。GOES和向日葵等地球静止轨道卫星每十分钟返回一幅覆盖半个地球的新图像，使气象学家得以近实时观测飓风、台风、锋面系统和强对流天气复合体的演变过程。红外图像即便在夜间也能揭示云顶温度和对流强度，而新一代GOES卫星上的闪电探测仪则可捕捉正在发展的风暴中的单次闪电。

海洋环流与海面温度。雷达测高仪测量由洋流和涡旋引起的海面微小起伏，Aqua等任务上的红外和微波辐射计则每天绘制全球海面温度图。这些测量数据被输入海洋环流模式，用于渔业管理、航运路线规划以及厄尔尼诺预测。更多内容请参阅我们的世界海洋与海域页面。

植被与农业。归一化植被指数（NDVI）由红光与近红外反射率计算得出，是植物光合作用活性的代用指标。基于MODIS、陆地卫星和哨兵-2影像生成的NDVI产品，被各国农业部门、世界粮食计划署及商业农户广泛应用于监测作物长势、预测产量、管理牧场，以及识别旱情预警信号。

城市扩张与地表覆盖变化。陆地卫星等多年代档案使追踪城市扩张、路网蔓延以及森林向牧场和耕地转变的过程成为可能。美国航空航天局与美国地质调查局资助的马里兰大学全球土地分析与发现（GLAD）实验室等项目，每年制作并更新覆盖全球范围的树木覆盖损失图。

毁林监测。巴西国家空间研究院（INPE）运营的PRODES和DETER系统利用卫星影像发布亚马孙毁林官方统计数据，而全球森林观察（Global Forest Watch）综合陆地卫星、哨兵-2和雷达数据，提供全球近实时森林损失预警。

火山喷发与野火。MODIS和VIIRS的热红外波段能够在火灾或火山活动发生后数小时内探测到活跃火点和火山热点。火山灰羽和烟雾由地球静止轨道卫星及哨兵-5P的TROPOMI等大气探测仪器持续追踪。这些产品被火山灰咨询中心等航空管理机构及各国森林消防管理机构广泛使用。

极地冰盖与冰川。ICESat-2激光测高、哨兵-1 SAR干涉测量以及GRACE-FO重力任务共同协作，使科学家能够测量格陵兰和南极冰盖的厚度与质量，并监测出口冰川的流速。同样的技术也被用于监测全球山地冰川。

国际空间站以约400千米的平均轨道高度、51.6度的轨道倾角绕地球飞行，是迄今建造的最具成效的人类地球摄影平台。自2000年11月载人驻守以来，历届远征乘组持续从近地轨道拍摄地球，积累了一份完整的手持影像记录。美国航空航天局的乘员地球观测项目维护着"航天员地球摄影门户"数据库，至2025年已收录逾四百万张附有精确时间和位置元数据的编目影像。

由于空间站每90分钟绕地一圈，乘员每45分钟便经历一次日出和日落，每隔数天就会飞越地球上大多数有人居住的地区。宇航员从国际空间站拍摄的照片记录了火山喷发、飓风眼壁、河流洪涝和大范围野火烟雾等快速发展的事件。空间站外部平台上还搭载有专用地球观测载荷，包括空间站生态系统机载热辐射计实验（ECOSTRESS）、地球表面矿物尘源调查仪器（EMIT）、全球生态系统动态调查激光雷达（GEDI），以及大气波实验仪器。

乘员通过空间站的七窗"穹顶"舱模块，不仅拍摄壮观的广角全景图像，还针对地面科学家提出的具体需求，有目的地记录河流、海岸线、湖泊和城市。这些影像已进入公共领域，被广泛应用于教科书、地图册和教育项目，包括CountryReports的国家概况页面。如需进一步了解从更遥远距离拍摄地球的相关任务，请参阅月球和太阳系页面。

现代地球观测的一个显著特征是，其绝大多数数据免费且可公开获取。美国、欧盟、日本等国家和地区的政府机构将地球观测数据档案视为公共科学基础设施，全球任何地方的普通公民、学生、记者和研究人员都可以下载并使用与专业科学家相同的影像数据。主要门户网站如下。

• NASA Earthdata — 美国航空航天局地球观测系统数据的中央入口，涵盖MODIS、VIIRS、ICESat-2、GRACE-FO、SMAP及数百个其他任务的数据。
• USGS EarthExplorer — 访问完整陆地卫星档案、航空摄影及数字高程模型的主要公共接口。
• 哥白尼数据空间生态系统 — 欧盟面向所有哨兵卫星及哥白尼服务的开放数据平台，为早期哥白尼开放访问中心的后继平台。
• NASA Worldview — 一款浏览器工具，允许任何用户在可缩放地图上查看数百个近实时全球影像图层，通常在数据获取后数小时内即可访问。
• EONET — 地球观测台自然事件追踪器 — 当前野火、风暴、火山喷发等自然事件的精选信息流，与卫星影像交叉关联。
• NOAA CLASS — 综合大型数组数据管理系统，托管美国国家海洋和大气管理局的气象卫星档案，包括GOES和JPSS数据。
• 日本宇宙航空研究开发机构地球观测 — 日本宇宙航空研究开发机构的ALOS-2、GCOM-C、GCOM-W及向日葵系列产品门户。
• 航天员地球摄影门户 — 美国航空航天局汇集的逾四百万张航天员手持地球照片目录，涵盖航天飞机、天空实验室、和平号空间站及国际空间站拍摄的影像。

如需进一步了解地球系统与轨道视角的关联，请参阅我们的气候系统页面；如需了解使这些任务得以实现的人类航天历史，请参阅航天探索史。

CountryReports所有内容的详细引文、数据参考及机构来源均列于资料来源页面。以下政府机构、政府间项目和学术机构是我们地球观测内容所依赖的主要权威来源，每个链接指向相关机构的主页或直接相关子页面。

政府航天机构与地球观测项目

• 美国航空航天局 — 地球科学部 — 美国航天机构地球观测卫星群，包括陆地卫星（与美国地质调查局联合）、Terra、Aqua、Suomi NPP、SMAP、ICESat-2、GRACE-FO及SWOT。
• 美国地质调查局 — 陆地卫星任务 — 自1972年起负责运营陆地卫星计划民用地面系统及公共档案库。
• 欧洲航天局 — 地球观测 — 与欧盟委员会合作协调哥白尼哨兵任务，并运营地球探索者研究卫星。
• 哥白尼计划 — 欧盟地球观测计划，免费开放哨兵卫星数据及六项主题服务。
• 美国国家海洋和大气管理局国家环境卫星、数据和信息服务局 — 负责运营美国GOES地球静止轨道系列和JPSS极地轨道系列气象卫星。
• 欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT） — 负责运营Meteosat和MetOp气象卫星群。
• 日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）— 卫星与航天器 — 负责运营ALOS、GCOM、GOSAT及向日葵地球观测任务。
• 法国国家空间研究中心（CNES）— 地球观测 — 法国国家航天机构，与美国航空航天局联合运营SWOT及Jason测高系列卫星。
• 加拿大航天局 — 卫星 — 负责运营雷达卫星星座任务（RADARSAT Constellation Mission）及前身RADARSAT-1和RADARSAT-2合成孔径雷达卫星。
• 印度空间研究组织 — 地球观测卫星 — 负责运营Resourcesat、Cartosat、Oceansat及INSAT系列地球观测卫星。
• 联合国外层空间事务厅（UNOOSA） — 维护联合国射入外层空间物体登记册，为在轨卫星的权威国际注册机构。

科学与历史档案机构

• 美国航空航天局航天员地球摄影门户（约翰逊航天中心） — 收录航天员自水星计划至国际空间站拍摄的地球手持照片目录。
• 美国航空航天局地球观测台 — 美国航空航天局地球观测科学编辑出版平台，收录自1999年起的数千篇每日图像专题报道。
• 英国气象局 — 卫星应用 — 负责在英国数值天气预报中业务化应用卫星数据的研究团队。
• 世界气象组织空间计划 — 联合国专门机构负责协调气象卫星和全球观测系统的职能机构。
• 史密森学会国家航空航天博物馆 — 保存TIROS-1、陆地卫星及阿波罗计划相关原始飞行硬件和历史档案。

学术研究中心

• 马里兰大学 — 全球土地分析与发现（GLAD）实验室 — 基于陆地卫星和哨兵-2数据生产全球年度树木覆盖损失图的机构。
• 麻省理工学院 — 地球、大气与行星科学系 — 在测高、重力及地球系统科学数据解译领域处于学术前沿的院系。
• 哈佛大学 — 地球与行星科学系 — 从事固体地球、冰盖和大气遥感研究。
• 科罗拉多大学博尔德分校 — 科罗拉多航天动力学研究中心 — 长期开展Jason和哨兵-6测高数据解译的海平面研究团队所在地。
• 德国地学研究中心（GFZ波茨坦）— 全球地球监测与重力场研究部 — 与美国航空航天局联合运营GRACE和GRACE-FO任务。

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