看到朋友圈里晒着各地游山玩水的风景照，没有暑假的我们表示除了羡慕，也在思考（我们是一个有思想的公众号）：
大家外出时常用到的谷歌地图，形成这样一张地图需要涉及到多少光学器件及应用？
自十多年前第一次公开以来，全世界的用户对谷歌地图推崇备至。利用谷歌地图，我们能在全球远程间接免费旅游。除了基本的计算机和互联网，不需要借助其他任何工具，我们就能在任意城市的任意景区随意游览。谷歌地图以垂直向下或斜向下的角度展示地球表面各种分辨率的图像，让我们可以看到城市和房屋。
谷歌地图源自EarthViewer 3D，EarthViewer 3D是由Keyhole公司开发的程序，Keyhole是一家从事地理空间数据可视化应用的软件开发公司。EarthViewer最初发布于2001年，是互联网上第一款无条件提供高质量3D图像的产品，使卫星和航空图像能够向公众开放。2004年10月，谷歌公司并购了Keyhole公司，一年后，EarthViewer以“谷歌地图”的名字重新发布。
图1 WorldView-3于2014年9月20日拍摄加拿大Rainbow山区
总的来说，谷歌地图是将从卫星、航空摄影和地理信息系统(GIS, Geographic Information Systems)获取的图像压缩到一个三维球体上运行。从本质上讲，这种方式创建了一个关于整个地球的太字节级的巨幅高分辨图像。
谷歌地图上的大部分图片都是由商业卫星拍摄的，一些图片由市政府和州政府提供给谷歌，还有一些图片甚至是由安装在风筝和热气球上的高分辨率相机拍摄的。
DigitalGlobe是谷歌地图图片的主要供应商之一。它成立于1992年，初时名称为WorldView Imaging，从2005年起与谷歌合作，并拥有一支商业卫星舰队，能为世界各地的众多政府和商业客户提供图片。
DigitalGlobe第一颗卫星是1999年发射的IKONOS，IKONOS是第一颗亚米分辨率商业成像卫星。两年后发射的QuickBird随后成为最高分辨率60 cm的商业成像卫星。2007年DigitalGlobe公司发射了WorldView-1（分辨率46 cm），2008年发射GeoEye-1（分辨率41 cm），2009年发射WorldView-2（分辨率50 cm），2014年发射WorldView-3（分辨率30 cm），2016年10月发射WorldView-4(分辨率31 cm) 。
DigitalGlobe下一代产品总监Kumar Navulur说：“通常，我们认为我们的卫星可以被看作大型数码相机。在任意特定日期，我们每天有4台地球轨道卫星能采集超过300万平千米的图像。算下来，每年约12亿平方千米，约6～7倍地球土地面积。我们2000年就已开始收集，如果追溯到2000年，已有接近60亿平方千米的图像。“
图2用于WorldView-2商业成像卫星上的Harris公司的高分辨率成像系统内部光学组件
Navulur强调，从空间捕获图像与从地面拍摄是两种完全不同的活动，从空间拍摄会极大地影响卫星和成像组件的硬件和软件设计。“当你谈到从空间采集图像的时候，你得意识到我们的卫星是从南极到北极，因此它们有一半时间在白天，一半时间在夜晚。温度变化很极端，大多数情况下，从夜晚到白天能相差几百度。因此，我们必须确保卫星上的温度能保持恒定。为此，我们加了保暖毛毯，确保电子产品有恒定温度，这确保了数据能始终一致，并且准确无误。”
另一个关键因素是稳定。他说：“我们打造大卫星，因为当你计划每小时飞17000英里时，任何小的摇晃或震动都能导致图像模糊或几百米范围的失效。”
但也许最重要的部分是光学成像系统，其设计是为了捕获地球表面（包括陆地、水、冰、沙、路面、建筑等）反射的太阳光。随后，这些数据被压缩并传送回地球进行处理和存档。例如，WorldView-3每秒能传送1.2 GB数据到地球。除了全色和多光谱图像数据，大多卫星还能收集RGB色之外的数据，包括近红外和短波红外数据。
DigitalGlobe的卫星光学有效载荷包括光学望远镜和传感器子系统。望远镜中的光学组件包括一个1.1 m通光口径镜头，主镜、副镜、三镜各一个和两个折叠后视镜，还有一种用来固定的专用纤维材料。望远镜还配有管状组件和遮阳罩，而遮阳罩能像防晒板或棒球帽一样工作防止阳光直射望远镜，这些料件能帮助维持光学对准。
图3 WorldView-3拍摄的马达加斯加塔那那利佛水灾图片
Navulur说：“制造1.1 m镜头时，曲率需要达到真正的完美，因为最后会影响数据质量。你需要完美的透镜曲率，以便能精确捕获地球的反射光。”
Harris公司空间&情报系统部商业成像经理Craig Oswald 指出，Harris公司刚好专注这些精密组件，多年来一直为DigitalGlobe提供光学望远镜装置和传感器子系统。
Oswald说：“我们把从我们的传统望远镜中获得的能力应用到DigitalGlobe的中型光学系统，再加上高MTF（Modulation Transfer Function，调制传递函数）、瞄准线稳定和精密结构，我们的光学系统波前误差很低。”他补充说，这台望远镜的独特之处还在于热控制光学系统，其设计目的是为了确保能对准光学和相关结构。
Oswald说：“在地面上，很多材料都会吸收少量的水或湿气。然而，一旦到太空中，水就会被释放，这会造成望远镜在几微米范围内轻轻晃动。因此，Harris利用了一种DigitalGlobe客户想要的材料，这是一种能生成高分辨率影像的独特专利纤维材料。”
他补充说，Harris所有的光学组件都是利用磁流变抛光（MRF）技术精加工制成的。MRF技术是一种基于流体的精密光学抛光方法，能用极少的缺陷制成复杂的高精度光学表面。主镜制造和精准对齐非常困难，但用MRF能帮助我们精简抛光，降低成本，加快进度。
图4 WorldView-2拍摄的照片，一座岛屿从日本海岸线外的太平洋上升起。科学家声称，由仍然活跃的海底火山形成的新岛Nishinoshima，将为研究移居贫瘠土地，开拓新生活提供难得机会。
相机本身也是独特的。它不使用快门，而是配备了用推扫式传感器制成的一个成像光栅，传感器阵列垂直于飞行器飞行方向。这类传感器比起其他类型的传感器能采集更多光线，因为它们长时间专注于一个特定区域，就像在一台相机上长时间曝光。
根据Navulur的说法，在一个给定的区域经过一次，这些传感器能捕获的范围宽度是16 km（约10英里），长度是100～200 km，单点扫描一次约10000平方千米。它们还能通过并行扫两列的方式扫描到邻近区域。因此，一次扫描100x100平方千米，卫星能捕获的面积是10000～15000平方千米。他说：“这很重要，因为这意味着我们一次就能扫描完整个Denver（美国丹佛市）。”
Navulur介绍说，传感器捕获的这些数据随后会聚焦到CCD芯片上，由8～12组阵列（取决于各个卫星）组成，每组包含10000～12000个探测器。Harris还制造这些传感器子系统，因为信噪比高，所以提取的信息会更纯。
Oswald说：“我们有独特的专利技术，能用在我们所有的传感器系统上，能同时采集全色、多光谱、短波红外图像。但数据处理单元是真正的主力。我们用6千兆比特/秒的速度产出大量图像，它们全都必须传回地面。因为DigitalGlobe不采用没有压缩的图像，他们依赖Harris的技术压缩，以便能更快将图像传回地面。”
该相机还配备时间延迟集成装置，根据卫星飞过不同类型的地球表面，自动控制探测光量。“比如说，如果你正捕捉水的反射光，因为全部光被水吸收，信号很弱，你需要慢一点扫描，以便采集更多的光。”“但是，在沙子和冰上，就完全不同，因为太多光被反射。我们还需要确定，在采集这些数据时，系统处于不饱和状态。尽管有手动设置，但大部分时间，我们还是让卫星自动计算正确的设置。”
(唐宇译自 Optics of Google Earth，spie.org)
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