卫星助力地球污染防治_风闻

如今，无论是车水马龙的闹市还是渺无人烟的野外，地球上的污染无处不在。凭借人工智能的分析能力，科学家运用卫星数据对全球污染进行细致入微的大摸排。

实时且高精度地监测我们的星球？这项任务似乎不可能在地球上完成。出于技术或政治原因，很多地方的条件不允许；而且，各种地面传感器形成的监测网无法覆盖整个地球。所以，必然要“退一步海阔天空”。当然，可能不止一步。如此，卫星技术才可以帮助人们从太空扫描地表的每一个角落；企业或院校则通过人工智能（AI）对收集到的大量数据进行分析，确定生态系统的状态及污染源，无论是突发的污染（如大规模管道泄漏），还是持续的污染（如城市中不同街区的生活污染），都能得到识别和描述。

当然，利用卫星来监测地球的想法并不新鲜，比如军用观察卫星很早就启用了。1960年，美国国家航空航天局（NASA）发射了泰罗斯1号（TIROS-1）气象卫星——该卫星能对大气层进行扫描，为天气预报奠定了基础。1965年，在看到美国“水星计划”和“双子座计划”所拍摄的照片后，人们有了用卫星直接观察地面的想法。1972年，“地球资源卫星”（后改名“陆地卫星”）升空，标志着“陆地卫星”（LANDSAT）计划正式启动。但之后，该计划遇到了一些阻碍。有的人认为，耗费的资金本可以有更好的用途，而另一些人则担心军事机密可能会被民用卫星窃取。截至目前，LANDSAT计划共发射了9颗卫星，主要负责观测气候变化。

再看大西洋彼岸的欧盟，欧洲空间局（ESA）直到2003年才正式启动哥白尼计划，并发射了“哨兵”系列卫星，以便欧盟各成员国能对环境进行持续监测。如今，随着生态问题的急剧恶化，用卫星来为地球“把脉”已成为一个重大的经济和政治议题。

卫星监测大规模管道泄漏

管道泄漏在偏远地区很难被发现。有了卫星监测，每小时释放数十吨甲烷的大规模泄漏基本上无处遁形。

洞察不同尺度下的环境

目前，地球观测卫星成像的分辨率能支持极其精细的分析。比如ESA于2017年发射的哨兵5号先导卫星（Sentinel-5 Precusor）将地面分割成3.5×5.5千米的矩形区块，可以精确地描述每一个区块中的空气污染状况，并与邻近区域进行比较。得益于此，美国弗吉尼亚大学环境科学系助理教授莎莉·普赛德（Sally Pusede）团队绘制出了整个休斯敦市道路交通二氧化氮排放的精确分布图。

“地面污染传感器分布稀疏，想靠它完成二氧化氮等短期污染物的分布图是不可能的，更不要说进行社区层面的研究了。”普赛德团队的博士生安热莉克·德梅蒂约（Angelique Demetillo）分析道，“在休斯敦，只有3%的区域分布在地面传感器2千米的范围内。与此同时，当前的卫星图像能持续提供高分辨率的测量结果。”研究人员运用该技术测定出贫困社区的二氧化氮污染较平均水平高出37%。这样的成果在几年前是不可能实现的。

卫星带来的惊喜还不止于此。“运用AI对鞋盒大小的卫星图像进行分析后，我们能够追踪城市细颗粒物的污染状况，分辨率可达300米。”美国杜克大学土木与环境工程系教授迈克· 柏金（Mike Bergin）解释说。他用这种方法检测了北京社区的空气质量，比之前效率高10倍。“要达到这样的效率，需要训练AI，教会其从高空拍摄的图像中识别出污染。”这位空气污染研究专家指出。

卫星跟踪森林火情

卫星图像是监测火灾发生、蔓延及受灾范围（图为美国西海岸一次火灾后的场景）的重要工具。据估计，每年排放到大气中的二氧化碳中，有5%到10%是由森林火灾产生的。

因此，包括哥白尼计划在内的环境安全监测计划可以有针对性地研究地球上的所有环境，以及大气中或陆地上各种形式的污染。有的卫星负责监测沿海地区的污染情况，例如污水排放或船舶泄漏；还有一些则以观察和预防洪水、森林火灾或山体滑坡为主。而计划于2020年代末发射的哨兵8号卫星（Sentinel-8）将通过红外传感器监测土地温度，以评估地表水分蒸发量，这对农业和水资源管理来说至关重要。而且，这些珍贵的观测数据是共享的，无论对学者还是企业来说都意义匪浅——致力于追踪污染迹象的法国 Kayrros公司正是从中受益的范例。

“我们为世界各地的决策者提供引领能源转型的风向标。”法国能源工程师、Kayrros创始人兼总裁安托万·罗斯唐（Antoine Rostand）解释 说，“多亏了哥白尼计划，我们可以锁定污染源所对应的某种工业产物，从而定位其来源国，帮助欧洲立法者制定针对污染产品的关税。”Kayrros依靠数颗哨兵卫星提供的数据来侦测甲烷泄漏，监测大气或生物量中的二氧化碳，或是对露天矿进行监测。这意味着要处理海量数据。“每个月都会产生数千TB（太字节）的数据，”安托万·罗斯唐介绍道，“如此多的图像，我们没法一张张检查。因此需要AI来自动完成这些工作。”同时，哥白尼计划也极大地方便了图像的识别。“它正是为复杂的AI运算而设计的。该计划能提供同一地点在相同时刻、同一角度不同日期的图像。”

监测太空中的污染？

太空是绝佳的地球环境瞭望台，但其本身也受到了污染的威胁。逾60年的人类太空活动在轨道上留下了大量垃圾，例如多级火箭和报废卫星。2009年，一颗美国卫星与一颗俄罗斯卫星之间的一次碰撞事故就留下了1000多块碎片。据估算，太空中1~10厘米长的碎片超过90万块，随时威胁着工作中的卫星。随着卫星星座时代的到来，这个数字极有可能失控。伊隆·马斯克（Elon Musk）的星链计划平均每周引发1600 次碰撞警报，而该计划目前仅发射了预计发射的12000颗卫星中的1700颗。并且，星链的防撞系统并没有那么可靠……

技术的综合运用

Kayrros公司根据哨兵5号先导卫星提供的图像，估算了澳大利亚煤炭储量最大的鲍文盆地每年的甲烷排放量——估算结果为160万吨，与欧洲一个中等发达国家全年碳足迹的一半相当。“但我们也不是完全依靠 AI，”安托万·罗斯唐继续说道，“还有一些更经典的算法，比如利用几何学绘制出某地区的地形图。”因此，结合从不同角度拍摄的地面高分辨率图像，Kayrros可以实时再现该地区的精密3D模型，监测物种多样性和林冠密度，以提供森林的采伐量、健康状况或生物量增长等指标。

那么，是否地球上每一个角落、每一处污染都逃不过卫星的“火眼金睛 ”呢？“所有的污染类型都在监测范围内：河流、海洋、土壤、自然灾害链……但在溯源方面仍有不足，”安托万·罗斯唐客观指出，“我们能侦测到一团甲烷云，却不一定能探明其来源，除非量很大。此外，直接测量某家工厂的二氧化碳排放量也非常困难。但是，随着技术进步，我们也期待卫星的精度会越来越高。”到2037年，作为哥白尼计划的一部分，ESA还会发射至少17颗卫星。它们同样用于监测地球环境，将继续为人类提供大量数据用于研究。

撰文 Stéphane Fay

编译 陈天涵