2021年2月5日20時，“天問一號”探測器在飛行了約197天，飛行總里程共約4.65億公里，距離火星大概110萬公里。此前，“天問一號”探測器在經過距離火星約220萬公里的地方拍攝了首幅火星影象，並將它傳回到約1.84億公里以外的地球。這無疑是中國航天史上的一個里程碑！

“天問一號”目前正不斷逼近火星，它將於中國農曆除夕（2021年2月10日）前後，進行近火制動（俗稱“剎車”），開啟環繞火星之旅。

火星是太陽系的第四顆行星。這顆紅色的行星是太陽系中，曾是與地球最像的一顆行星。它在很久很久以前其實是藍色的--數十億年前的火星更溼潤、更溫暖，大氣層更厚，而且有液態水。現在它卻只是一個塵土飛揚、寒冷的沙漠世界，大氣層非常稀薄，用各種探測技術觀測的結果是發現其表面有乾涸的河床和無水的湖泊

如果有朝一日，你在晴朗的一天著陸火星，可以看到數以萬計的岩石。維京2號火星探測器曾用它的一個攝像頭連續兩次拍攝過火星地表，這兩張高解析度圖片被鑲嵌在一起，形成了這幅向東北地平線看去的景象，視野縱深大約三公里遠。

中國進行探索火星專案是非常有意義的。我們知道火星是太陽系中最容易到達的一個行星。探索火星可能會提供回答地球生命起源和進化問題的答案的機會，並有一天火星成為人類生存的目的地，就像《流浪地球》或者《星際穿越》裡要解決的問題一樣。

從實用的角度來看，我們知道火星在整個太陽系中是獨一無二的，因為它是一個有大氣層和氣候的類地行星，它的地質情況非常多樣和複雜（就像地球），而且火星的氣候似乎在其歷史上發生了與地球不一樣的變化，這才造成了火星與地球迥異的現狀。

總的來說，探索火星可以有效地解決太陽系中天文科學中的許多關鍵問題。這一努力也有助於激勵下一代科學家，極大地擴充套件人類知識。

2020年7月23日12時41分，長征五號遙四運載火箭在文昌航天發射場點火發射，非常成功地將我國第一顆火星探測器“天問一號”送入太空，中國由此邁出了行星探測的第一步。

時至2月5日，“天問一號”探測器能夠傳回中國第一張火星影象是和我國科技工作的努力和智慧分不開。在“天問一號”靠近火星，必須要進行“繞落巡”三個階段的執行動作。它首先要繞“火星”對其觀測（觀察與測定），進行了一次自變軌，從火星赤道上空的非極地軌道變為兩極上空執行的極地軌道，這樣才能夠觀察到整個火星表面，進行對火星的遙感探測。同時，“天問一號”探測器還會對火星著陸點進行勘測，它經過一段時間的觀測，收集資料並進行分析，選擇最佳著陸點。也許可能在二個月後（但不準確），“天問一號” 探測器確定好了火星著陸點後，就會向火星表面釋放著陸器，完成“落”的任務。在成功著陸後，“天問一號”的著陸探測器帶上搭載於其上的各類科學感測裝置，開始對火星進行實地觀測與取樣等科研工作。這對於中國人來說將是創世紀的事情！

在所有的這些工作中，遙感的技術功不可沒。遙感技術就像是“天問一號” 探測器的一雙眼睛，為它提供任務決策的重要資訊。

望文生義，所謂遙感是指從遠處獲取和感知資訊。人類可以透過衛星、飛機或者其他機動搭載裝置上裝載各類遙感器（感測器），觀測地球和其他行星體或者宇宙中的一切物體。這些遙感器能記錄這些物體反射或發射的能量，進行科學研究或工程應用。遙感器提供了一個全新視角和關於大到地球或火星等天體小到袖珍茶園或農莊系統甚至是一顆古樹、一個古蹟的豐富資料，使我們能夠根據各類觀測物件的當前或未來狀態做出有資料依據的科學決策。

遙感技術的起源首先是從對地球觀測開始的。這裡所說的觀測的含義，除了觀察還有測定。測定是獲得某一物質的物理或化學特徵資料資訊的方法。比如我們看到的“天問一號” 探測器傳回來的影象，除了能夠看到和了解火星表面的一些實況，還能對它確定影象上地物的座標位置、進行距離和方向的測量以及其他元素的測定。

目前，我們人類對地球觀測的遙感技術是最全面也是最豐富的。如果舉一反三、觸類旁通的話，我們可以透過對地球探測器的瞭解，知道一點火星探測器的知識。

“遙感”一詞最初是在1960年提出的。1960年以前，這個術語通常是航空攝影。然而，探測地球表面的新方法和新技術正在超越傳統的黑白航空照片。20世紀70年代以後人們對地球物理環境變化的新的和持續的關注。衛星遙感影象——透過計算機分析和增強——使探測和監測這些變化成為可能。這項技術使人們能夠看到發生在地球表面的事情，而這些事情在普通的航拍照片中是無法發現的。

美軍著名的“鎖眼”系列偵查衛星

毫無疑問，衛星遙感影象首先用在軍事上的。但隨著社會的發展，許多衛星用各種遙感儀器監測地球表面，用來收集對地觀測資料，促進人類社會的發展。

2008年6月由QuickBird衛星拍攝的著名旅遊景點柏林電視塔(Fernsehturm)

對一個執行的天體來說，探測器對它觀測一般對先進行環繞，要成為它的一顆人工衛星。宇宙的很多天體形狀為近似的橢圓形，地球其實不是一個圓形，也不是一個橢圓形，而是一個形狀不規則的星球。下圖這顆地球極地軌道探測衛星位於與赤道面成近90度傾斜的軌道面上。

NOAA/NASA聯合極地衛星系統（JPSS）的軌道平面，軌道傾角為98.69度

這種傾斜使得衛星能夠感知整個地球，包括極地地區，提供對難以透過地面到達地點的觀測。許多極軌探測衛星被設定為與太陽同步的，這意味著衛星在每個週期的同一太陽時間經過同一地點。而“天問一號” 探測器第一次變軌也是這麼類似進行極地軌道調整的，這也是地球與火星非常相似的一個佐證。

當然，根據實際的科研或者工程需求，探測衛星極地軌道可以上升或下降。在上升軌道上，當探測衛星的軌道穿過赤道時，它們正由南向北移動。在下降軌道上，探測衛星由北向南移動。

地球探測器（衛星）除了極地軌道，一般還有近地軌道和地球靜止軌道。

非極低地球軌道的高度通常低於地球表面2000公里，而國際空間站的軌道高度約為400公里。高度低，則覆蓋面小，但獲取的資料更加精細。這些非極低地球的探測器不能覆蓋全地球，而是隻覆蓋部分緯度範圍，卻能獲取精度更高的資料。比如監測全球降水情況（GPM）的探測衛星是一個非極性近地軌道探測衛星的例子，覆蓋範圍從北緯65度到南緯65度。

所謂地球靜止軌道，並不是指衛星是靜止的，而是指衛星和地球運轉就像靜止一樣（就像你坐在時速200公里的高鐵上，雖然你在以200公里/小時的速度在運動，但以你的座椅作為參考物，你是靜止的），看上去“靜止”的衛星跟隨地球自轉，以相同的自轉速率執行。因此，在地球上的觀察者看來，衛星似乎固定在一個位置。這些衛星每次觀測都能捕捉到相同的地球景象，因此幾乎可以連續覆蓋一個地區。氣象探測衛星，如地球靜止執行環境的系列探測衛星（GOES）就是地球靜止衛星的例子。

一個地球靜止軌道上的探測器

當然，花費了大量人力物力並不是僅僅為了讓探測器繞著星球跑，探測器的主要任務是收集星球上的資料，具體說來就是需要收集星球上反射或自己發射的電磁波。

由帶電粒子振動產生的電磁能，以波的形式在大氣和空間的真空中傳播。這些波有不同的波長（從波峰到波峰的距離或波谷到波谷的距離）和頻率；波長越短意味著頻率越高。有些，如無線電、微波和紅外線，波長較長，而另一些，如紫外線、x射線和伽馬射線，波長較短。可見光位於長波到短波輻射範圍的中間。這一小部分能量是人眼所能探測到的。需要儀器來探測所有其他形式的電磁能。科學家研究各種電磁波的感應儀器，利用全光譜來探索和理解地球和其他行星上發生的過程。

自然界中的電磁波頻譜(頻率譜密度的簡稱,是頻率的分佈曲線)圖

例如，以地球為例，有些電磁波被大氣中的元素吸收或反射，如水蒸氣和二氧化碳，而有些波長的電磁波允許在大氣中暢通無阻地運動。可見光的波長可以在大氣中傳輸。微波能的波長可以穿過雲層。我們人類的許多氣象和通訊衛星都利用了這一點。

地球探測器觀測到的主要能量來源是太陽（火星也類似）。太陽反射的能量大小取決於天體星體表面的粗糙度和反照率，也就是表面反射光線而不是吸收光線的程度。例如，雪的反照率非常高，它大概反射了90%的來自太陽的能量，而海洋的反射率只有6%，吸收了大部分的太陽能量。通常，當能量被物質吸收後，它會被重新二次發射，通常波長更長。例如，海洋吸收的能量會被重新發射為紅外輻射。

被動式與主動式感測器

需要注意的是，大多數被動感測器無法穿透濃密的雲層，因此在探測器觀察地球熱帶等經常出現濃密雲層的地區時存在侷限性。

在評價感測器獲取到的影象質量時，解析度是一個重要指標。而解析度在如何使用感測器的資料方面起著重要作用。根據衛星的軌道和感測器設計，解析度可能會有所不同。對於任何資料集，有四種類型的解析度需要考慮輻射、空間、光譜和時間。

輻射解析度是每個畫素中的資訊量，即代表記錄能量的位數。每一位記錄一個2的冪指數量。例如，8位解析度為28，表示感測器有256個潛在數字值（0-255）來儲存資訊。因此，輻射解析度越高，可用於儲存資訊的值就越多，從而更好地區分哪怕是最微小的能量差異。例如，在評估地球表面水質時，輻射解析度是區分海洋顏色細微差異的必要條件。

不同解析度的圖片精度不同清晰度不同

既然高解析度的影象資料這麼清晰，那麼為什麼所有衛星探測器都裝載一個高解析度的感測器？科學家們當然不是不是傻子，因為很難將所有符合需要的光譜特徵（空間和時間解析度）組合到一個遙感器中。要獲得具有高空間解析度的觀測資料（如陸地衛星），就需要更窄的觀測區域帶，這反過來就需要在給定一定面積的區域物件進行花費更多時間的觀測，從而導致較低的時間解析度（指在同一區域進行的相鄰兩次遙感觀測的最小時間間隔）。研究人員必須做出權衡。這就是為什麼瞭解某一特定研究領域需要什麼樣的資料是非常重要的。在研究隨時間變化非常動態的天氣時，具有良好的時間解析度是至關重要的。在研究季節性植被變化時，為了獲得更高的光譜和/或空間解析度，可能需要犧牲一個良好的時間解析度

在經過衛星探測器轉軌、感測器收集資料，接下來就要進行資料處理、解釋和分析。從衛星上的探測儀器獲取的遙感資料需要在大多數研究人員和應用科學家使用之前進行處理。

當科學家和科學工作者拿到處理好的遙感資料後可以進行各種各樣的應用。一般，遙感資料會被處理成具有不同波段組合的影象，它們就可以有助於資源管理或最佳化決策和災害評估，這個工作透過對影象進行解釋來完成。

比如，基於影象的空間解析度有不同的尺度，每個尺度提供不同的重要特徵。例如，跟蹤洪水時，一個精細的高解析度影像地圖將顯示哪些房屋和企業被水包圍。覆蓋面積更大的影像地圖可以顯示了一個哪些地方比如縣市區被洪水淹沒，也會科學定性地確定洪水從哪裡來，顯示整個地區洪水氾濫的河流系統或控制水流徑表流域的山脈和山谷等地形。還可以以半個地球視角分析與洪水有關的天氣系統的運動。

使用影像地圖，還可以尋找地理分佈趨勢或模式。根據影像地圖中的形狀和紋理-許多特徵很容易識別基於它們的空間分佈模式或形狀。例如，農業區的形狀非常幾何，通常是圓形或矩形。直線是典型的人造結構，它在現實世界裡往往如道路或運河。

使用影像地圖，可以透過顏色來區分現實世界裡的地物特徵。因為在收集遙感資料，建立影像影象前，探測器所使用的波段等相關引數就在實驗室裡測定好了。如果從太空往下看，真彩色或自然彩色影象基本上就是我們用自己的眼睛看到的。水吸收的光通常是黑色或藍色；然而，陽光從表面反射可能使它看起來是灰色或銀色。而且水域中的沉澱物可以影響水的顏色，使它看起來更棕色，藻類也會起到近似作用，使它漂浮的水面看起來會更綠色。植被的顏色因季節而異：在春天和夏天，通常是鮮綠色；秋天可能有橙色、黃色和棕褐色；冬天可能有更多的棕色。裸露的地面通常是一些棕色的陰影。但是，這也取決於沉積物的礦物成分。城市地區通常是灰色的從廣泛的混凝土。冰雪是白色的，雲也是白色的。在使用顏色識別事物時，基於環境的上下文和使用周圍地物的特徵來分析事物就很重要了，要不然真的是“不識廬山真面目了”。

大火在陸地上燒過的痕跡在 Landsat探測衛星上的第7段紅外波段資料裡上反射強烈而典型。比如，森林大火的痕跡在下面的右側影象中作為紅色標記得到了很好的突出，而在左側的標準RGB影象中，因為時間已經有一段時間後地表植被被修復後而無法識別曾經火痕。這是多光譜或高光譜遙感器的優勢所在。

左圖為普通影像地圖，右圖為紅外波段的影像地圖

當然除了這種地圖判定的定性分析，還是更加準確和精細的定量分析。透過使用遙感影象智慧分類演算法，可以更容易地將影像覆蓋地區分不同的土地覆蓋型別。影象分類使用每個畫素的光譜資訊。使用影象智慧分類演算法的程式可以自動將畫素分組，這就是所謂的無監督分類。科學還可以指示已知土地覆蓋型別的區域，以“訓練”程式將這些畫素分組（比如使用人工智慧中著名的深度學習演算法），這稱為監督分類。影像地圖也可以整合到地理資訊系統（GIS）中，然後每個畫素可以與其他GIS資料（如人口普查資料）進行比較，進行疊置分析。

以上所有這些技術都可以應用到“天問一號”探測器對火星觀測的任務中。

所以說，“天問一號”探測器發回來的那張火星照片聚集了無數中國人的智慧和努力。它在未來還將創造出更加讓人嘖嘖驚歎的奇蹟！向艱苦奮鬥的中國航天人致敬！

作者簡介：晨星，男，湖北武漢人，高階程式設計師，副高職稱，理學博士