冷战卫星图像揭示森林扩张

工程7（2021）709新闻亮点冷战卫星图像获得新生命米奇·莱斯利高级技术作家苏联西北部的天气晴朗，1967年9月16日，为经过头顶的美国间谍卫星这是一个名为日冕的绝密项目的一部分，卫星拍摄了一段胶片，并继续其轨道。这些特定的图像是否提供了任何重要的冷战情报尚不清楚，但50多年后，它们已被证明对威斯康星大学麦迪逊分校的森林和野生动物生态学教授Volker Radeloff至关重要卫星拍摄的地区现在横跨俄罗斯和东欧国家拉脱维亚之间的边界，Radeloff和他的同事想了解为什么森林在这个地区一直在扩大。研究人员认为，树木在1991年苏联解体后开始重新生长。但正如Radeloff和他的同事在2020年透露的那样[1]，重新造林是在20世纪60年代进行的。科学家们可以获得20世纪80年代的其他卫星图像，但日冕照片使他们能够更深入地了解过去。 ‘‘Being able从1960年到1972年，超过100颗日冕卫星环绕地球，拍摄了超过86万张地球大部分陆地表面的高分辨率照片。研究人员在1995年第一批照片解密后不久就开始分析这些照片，他们已经使用这些图像将中东已知考古遗址的数量增加了两倍[4]，记录了中亚冰川的萎缩[5]，追踪了哈萨克斯坦草原上啮齿动物种群的下降[6]，并进行了许多其他研究。美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学考古学和民族学教授杰森·乌尔说，这些图像对他的领域“非常重要”，特别是在中东，它们是“所有大型考古项目的起点”。但这样的研究可能只是一个开始。Radeloff说，用于校正照片失真的软件的可用性将允许更多的科学家分析它们日冕卫星需要几次技术飞跃。为了表彰实现这些飞跃，使其成为第一个基于空间的地球观测系统，美国国家工程学院于2005年授予日冕项目德雷珀奖1958年2月，美国总统德怀特·艾森豪威尔批准了这一计划[7]，就在苏联发射第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号的四个月后[8]。但是人造卫星1是他在美国新罕布什尔州汉诺威的达特茅斯大学它没有携带相机或仪器，也不能自行推进[9]。虽然日冕卫星和斯普特尼克1号一样，是由火箭发射的，但它们预计会自行进入最终的轨道。一旦到达那里，他们必须保持三个斧头的稳定性-这是一个还没有航天器实现的壮举[3]-这样机载相机就可以捕捉到苏联导弹基地和其他军事重要地点的详细照片。然后，他们必须将这些图像返回地球进行分析。最重要的是，该计划的工程师只有两年的时间这些挑战的难度的一个指标是，前12个任务失败了-远远超过当时的典型数字[10]。但第十三次任务成功飞行，1960年8月发射的第十四次任务是第一次拍摄苏联的照片。‘‘It was an amazing engineering featin the 1960s to be able to build an autonomously operatingmapping system in orbit,” said Jackson Cothren, a professor ofgeography at the日冕号团队设计的许多创新在后来的航天器上成为标准例如，这些卫星是第一批配备陀螺仪的卫星，可以记录三个轴上的偏差。陀螺仪以及一对可以识别地平线的红外传感器，使相机对准地面，并确保拍摄期间的稳定性[11]。如果其中一颗卫星检测到它正在倾斜或滚动，它可以通过发射氮气来纠正它的姿态。如今，类似的三轴系统使哈勃太空望远镜保持对遥远星云和其他摄影主题的训练，它仍然是确保航天器稳定性的两大策略之一[12，13]。在整个计划过程中，日冕卫星所必需的摄像系统得到了相机使用定制设计的70毫米胶片，结合了广泛的地面覆盖和高分辨率[14]。尽管如此，最早的图像是颗粒状的（图。 1），分辨率通常为8 -12米[15，16]。由于日冕团队改进了卫星的姿态控制能力，并使用更好的镜头改进了相机，后来的一些卫星可以拍摄近5公里的胶片[14]，但无论照片揭示了多少细节，除非情报分析人员可以检查它们，否则它们是无用然而，当时https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.04.0042095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engM. 莱斯利工程7（2021）709710Fig. 1. 1960年第一次成功的日冕任务的图像显示了西伯利亚东北部的苏联着陆带这张照片的分辨率远低于后来的任务所拍摄的照片，后者拥有更好的镜头和更好的稳定性控制。图片来源：美国国家侦察局（维基媒体，公共领域）。回到地球，Casana说该项目一旦卫星拍摄了照片，它就会旋转，向地球倾斜，并丢弃装有胶片的胶囊[10]。在减速火箭和降落伞的减速下[18]，太空舱在太平洋上空向下漂移，直到到达大约4500米。然后，一架美国空军飞机拖着一系列的杆、线和钩，将机动到太空舱上方，并能抓住降落伞（图2）。虽然这种所谓的水桶捕捉似乎很冒险，但它在大多数时候都很有效，并使该计划实现了几个第一。例如，第十三次日冕任务的回收舱是第一个从太空返回的人造物体。图二、1960 年8月，美国空军的一架飞机试图用水桶打捞日冕卫星释放的电影胶囊。太空舱就挂在飞机即将捕获的降落伞下方。图片来源：美国空军（维基媒体，公共领域）。到了20世纪70年代初，日冕计划已经失去了收集情报的作用。但20多年后，当研究人员开始接触卫星拍摄的近650公里长的胶片时，他们很快意识到这些图像是一座科学金矿，因为 在中东，乌尔指出，许多考古遗址已被水库淹没（图。（3）由于城市的扩大而被过度建设，由于机械化农业的扩大而被过度耕作，或者由于其他原因而被破坏。日冕图像使研究人员能够恢复那些消失的遗址。这些图像还有其他优点。虽然今天这些图像也很容易获得，Casana说。所有原始胶片仍然存在，研究人员只需30美元就可以从美国地质调查局（USGS）获得特定位置的高分辨率扫描[16]。此外，Casana指出，“Corona提供了大陆范围的覆盖。这使它具有独特的力量。乌尔称这些图片他利用这些图像绘制了叙利亚北部和伊拉克北部6000多公里的道路，揭示了4000多年前该地区社区之间的互动程度。这些图像也被Casana使用，他在2014年用它来普查整个中东的考古遗址。当时，研究人员在该地区确定了大约4500个这样的地点，但通过分析Corona照片，Casana和同事确定了另外10000个，包括废弃的城市。尽管有这样的实用性，电晕图像仍然很难处理，因为它们是如此扭曲[21]。卫星用全景相机拍摄长条胶片，结果照片看起来被拉伸，图像边缘的分辨率低于中心[16]。山脉和其他地形，以及卫星的运动，进一步扭曲了图像。 要进行任何严肃的大规模分析，你需要对图像进行校正，”科斯特洛说。最近开发的软件使这项任务，称为正射校正，更容易。Radeloff和他的团队使用了一个商用软件包来调整他们2020年研究的日冕图像。卡萨纳和科萨共同指导了CORONA Atlas项目，该项目已经对2000多幅Corona图像进行了正射校正，现在提供了一个免费的工具，让研究人员可以图3.第三章。19 6 9 年8月1日，一颗日冕卫星拍摄了这张土耳其东南部萨姆萨特古城的照片。3000多年来，萨姆萨特一直是一个重要的城市中心，1990年阿塔图尔克大坝建成图片来源：CORONA Atlas Project，US Geological Survey（公有领域）。M. 莱斯利工程7（2021）709711工作本身[21]。Radeloff说，只有大约5%的Corona图像被扫描过，分析剩下的图像是很重要的，它将使研究人员能够引用[1] Rendenieks Z，Nita MD，Nikodemus O，Radeloff VC.通过对Corona和LandsatTM/OLI数据进行基于对象的图像分析，获得拉脱维亚-俄罗斯边境沿线半个世纪的森林覆盖变化。远程传感环境2020;249：112010。[2] 雷诺M.它监视苏联的原子弹。现在它正在解决生态之谜。 纽约：纽约时报; 2021年1月5日[引用2021年3月9日]。可查阅：https://www.nytimes.com/2021/01/05/science/corona-satellites-environment.html。[3] 弗利·T电晕来自冷[互联网]。阿灵顿：空军杂志; 1995年9月1日[引用2021年3月9日]。可从以下网址获得：https：//www. airforcemag.com/article/0995corona/网站。[4] 韦尔加诺湾冷战间谍卫星图像揭开失落的城市。华盛顿特区：国家地理; 2014年4月26日[引用2021年3月9日]。可从：https://www.nationalgeographic.com/adventure/article/140425-corona-spy-satellite-archaeology-science。[5] [10]杨文，杨文，杨文.根据多个立体日冕和六边形图像，20世纪60年代和70年代在Ak-Shirak山脉（吉尔吉斯斯坦）的冰川质量损失。 远程传感器2017;9（3）：275。[6] 利文斯顿冷战时期的卫星无意中追踪到了物种的减少。华盛顿特区：科学; 2020年5月19日[引用2021年3月3日]。可从：https://www.sciencemag.org/news/2020/05/cold-war- 卫 星 无 意 中 跟 踪 物 种 下降。[7] 历史图像解密情况说明书[互联网]。Chantilly：国家侦察局; [引用2021年3月9日]。可从以下网址获得：https://www.nro gov/History-and-Studies/Center-for-the-Study-of-National-Reconnaissance/The-CORONA-Program/Fact-Sheet/.[8] 沃尔M 史泼尼克一号！7有趣的事实关于人类 纽约：太空; 2020年10月4日[引用2021年3月9日]。可从以下网址获得：https：//www. space.com/38331-sputnik-satellite-fun-facts.html。[9] 扎克·A Sputnik是如何工作的（WEB纽约：大众力学; 2017年10月4日[引用2021年3月9日]。可从以下网址获得：https：//www.popularmechanics.com/space/satellites/news/a28496/how-sputnik-worked/。[10] 克劳森岛对Corona的严峻挑战的反思。In：Clausen I，MillerEA，editors. 情报 革 命 1960 ： 检 索帮 助 赢 得 冷 战 的 情 报 图 像 。 Chantilly ： NationalReconnaissanceOffice; 2012。[11] 实公司agena助推器平台的挑战。In：Clausen I，Miller EA，editors. 1960年的情报革命：检索帮助赢得冷战的情报图像Chantilly：National ReconnaissanceOffice;2012。[12] 史密斯。探索使太空望远镜更小[互联网]。纽约：福布斯; 2020年6月3日[引用2021 年 3 月 9 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ： https ： //www.forbes.com/sites/kionasmith/2020/06/03/the-quest-to-make-space-telescopes-smaller/？sh=7fc1020e2278。[13] 空间飞行基础：姿态和关节控制子系统（AACS）。华盛顿特区：美国国家航空航天局;[引自2021年3月9日]。可查阅：https://solarsystem.nasa.gov/basics/chapter 11 -2/。[14] 奥伯豪斯D第一颗间谍卫星不得不把巨大的胶片桶扔回地球。纽约：副; 2017年4月22日[引用2021年3月9日]。可从：https://www.vice.com/en/article/jpzpkg/the-first-spy-satellites-had-to-drop-gigantic-buckets-of-film-back-to-earth。[15] 解密的情报卫星照片事实说明书2008-3054。华盛顿特区：美国地质调查局; 2008年7月。[16] Casana J，Coconut J，Kalayci T.剑成犁头：CORONA卫星图像在中东的考古应用。2012年：第32期。[17] 惠伦广告日冕：第一颗侦察卫星。《今日体育》1997;50（2）：24.[18] 放大图片作者：Christopher G.第一个弹射、稳定和推进自己以使有效载荷脱离轨道的人造物体。In：Clausen I，Miller EA，editors.1960年的情报革命：检索帮助赢得冷战的情报图像Chantilly：National Reconnaissance Office;2012。[19] Landsat 1 [Internet].华盛顿特区：美国地质调查局;[引自2021年3月9日]。可查阅：https://www.usgs.gov/core-science-systems/nli/landsat/landsat-1。[20] 高贵的WJ。卫星揭示了古代中东道路网[因特网]。纽约：纽约时报; 2003年1月28日[引用2021年3月9日]。可查阅：https://www.nytimes.com/2003/01/28/science/satellites-uncover-ancient-mideast-road-networks.html。[21] Casana J.使用CORONA卫星图像的全球规模考古勘探：自动化，众包和专家主导的方法。JFieldArchaeol 2020;45（Suppl 1）：S89-100。