高光譜遙感技術大顯身手 未來發展可期

　　【儀表網 儀表深度】導讀：9月7日11時01分，我國在太原衛星發射中心用長征四號丙遙四十運載火箭成功發射高光譜觀測衛星。該衛星的使命是對我國大氣、水體、陸地環境進行高光譜觀測。
 

　　在高光譜觀測衛星上，一共裝載著七臺遙感儀器，包含兩臺陸表成像儀與五臺大氣成分探測儀，探測譜段覆蓋了從紫外到長波紅外譜段，采用高光譜及高精度偏振等多種手段，獲取大氣和地表的空間幾何、輻射、光譜和偏振等多種信息。
 

　　高光譜遙感——“人類的另一只眼睛”
 

　　作為遙感技術的前沿領域，高光譜遙感對于很多人來說仍然是個比較“遙遠”的專業名詞。其實，高光譜的含義并不神秘。高光譜遙感就像一只“眼睛”，只是它探測的光譜范圍比人眼寬得多，也精細得多。而地面上的每種物體都有自己獨特的光譜特征，就像“指紋”一樣，專家通過高光譜遙感衛星獲得的光譜信息就能識別出地物成分。
 

　　之所以說高光譜觀測衛星就像“眼睛”，是因為衛星和人眼一樣，都是通過獲取光譜來采集信息的。高光譜觀測衛星的“可見”范圍要廣得多。遙感儀器除了探測可見光到短波紅外，還可以探測紫外、中紅外和熱紅外等波段。如果把高光譜設備比作一臺相機，它的功能就是可以在每個光譜波段拍一張照片，比如有的傳感器在400—2500納米范圍內有330個光譜通道，就意味著，它一次能拍攝同一個區域的330張照片。
 

　　衛星上搭載的可見短波紅外高光譜相機可以在可見光到短波紅外范圍內連續光譜成像，可以應用于生態環境監測、水體環境監測、地質找礦等領域。衛星上的另外六臺載荷也很有特點，如全譜段光譜成像儀能獲取中長波紅外譜段的地物輻射信息，精確探測地物溫度和干旱等情況。大氣痕量氣體差分吸收光譜儀可以獲取紫外到可見光的高光譜信息，探測大氣中二氧化氮等污染氣體。多角度偏振成像儀和高精度偏振成像儀兩臺儀器對大氣聯合探測，可以監測全球大氣細顆粒物污染情況。溫室氣體監測儀可以同時探測大氣中的二氧化碳和甲烷。吸收性氣溶膠探測儀可以在有薄云的情況下高分辨率探測霧霾分布。
 

　　衛星收集到大氣和地表的光譜信息，包含了各種目標地物的光譜特征，這些地物都有自己獨特的光譜特征，而科學家就可以利用這些光譜信息識別出地物成分。
 

　　高光譜遙感的應用
 

　　高光譜遙感在農業應用中十分廣泛，可以用于農作物估產、長勢監測、病蟲害識別、農作物精細分類、雜草識別等工作。除農業領域以外，衛星也將為國內各行業用戶提供亟須的高精度、高光譜遙感數據，包括我國環境的綜合監測和監管，以及自然資源勘查、防災減災、林業資源清查、氣候變化研究等領域。
 

　　此外，高光譜觀測衛星有個值得一提的功能——它是可用于大氣污染氣體探測的有效載荷，可單日覆蓋全球污染氣體監測，服務于我國“大氣污染防治”及“臭氧和PM2.5協同探測”等國家戰略。大氣主要溫室氣體監測儀可實現1—4ppm的二氧化碳探測和30ppb的甲烷探測，讓碳排放無所遁形，為我國“碳達峰與碳中和”戰略提供重要支撐。
 

　　高光譜遙感的未來
 

　　如果要讓高光譜技術更好用，那么至少應該在這三方面更進一步：
 

　　“快”，大幅提高數據獲取和處理的速度，甚至所見即所得，在這方面微型高光譜設備的研發，感存算一體化的高效能算法等，都是重要的前沿方向。
 

　　“準”，深度學習不斷刷新著高光譜分類精度，對于普通地物來說，有著上百波段的高光譜數據分類并非難事。但是，在深度學習等智能算法的加持下，高光譜應該可以感知更加細分的地物類型，例如地質體中礦物的識別等。而由于目前大多數的高光譜數據空間分辨率較低，所以更精細的地物識別可能是在混合光譜的基礎上進行，混合光譜分析技術是重要的突破方向。
 

　　“精”，高光譜技術為定量遙感提供了重要的數據源，但是高光譜技術鏈條的復雜性也為地物定量分析帶來了不小的挑戰，如何與概率圖模型、深度學習的人工智能算法結合，開發高光譜定量分析算法是重要的前沿方向，其目的都是讓高光譜可以更加精確進行定量分析。