張淳民 穆廷魁 顏廷昱 陳澤宇

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高光譜遙感技術(shù)發(fā)展與展望

張淳民 穆廷魁 顏廷昱 陳澤宇

（西安交通大學(xué)空間光學(xué)研究所，西安 710049）

高光譜遙感技術(shù)是在成像光譜學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種遙感信息獲取技術(shù)，因其高光譜分辨率及光譜和圖像同時(shí)獲取的能力，在大氣探測(cè)、航天遙感、地球資源普查、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和海洋遙感等領(lǐng)域有著廣泛和重要的應(yīng)用。文章對(duì)高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展概況進(jìn)行了回顧，詳細(xì)介紹了典型的高光譜遙感儀器的發(fā)展歷程及其主要參數(shù)，對(duì)比了不同時(shí)期各個(gè)國(guó)家高光譜遙感載荷的性能特點(diǎn)，分析了中國(guó)高光譜遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并歸納了國(guó)際上未來高光譜遙感技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。文章結(jié)合當(dāng)前信息時(shí)代的發(fā)展特點(diǎn)，對(duì)高光譜遙感技術(shù)未來發(fā)展進(jìn)行了展望，指出了高光譜遙感技術(shù)探測(cè)波段進(jìn)一步拓寬，時(shí)間、空間及光譜分辨率進(jìn)一步提高，高光譜遙感技術(shù)種類進(jìn)一步豐富，圖像、光譜、偏振多元信息一體化獲取，智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及小型輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，可為中國(guó)高光譜遙感技術(shù)的進(jìn)一步成熟化和實(shí)用化提供參考。

成像光譜儀 高分辨率 發(fā)展趨勢(shì) 高光譜遙感 “高分五號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

隨著人類對(duì)地球資源、人類生存環(huán)境及地外空間的探索、開發(fā)及利用，對(duì)陸地表層、大氣、海洋以及空間目標(biāo)的探測(cè)與監(jiān)視，科學(xué)家們?cè)絹碓街匾晫?duì)既具有高空間分辨率，同時(shí)又具有高光譜分辨率的高科技探測(cè)技術(shù)與儀器的研究與開發(fā)。高光譜遙感技術(shù)具有光譜分辨率高、圖譜合一的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，是遙感技術(shù)發(fā)展史上一次革命性的飛躍[1]。高光譜遙感是用很窄且連續(xù)的光譜通道對(duì)地物進(jìn)行持續(xù)遙感成像的技術(shù)，它是在成像和光譜學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與地面光譜輻射計(jì)相比，高光譜遙感獲取的不是點(diǎn)上的光譜測(cè)量，而是在連續(xù)空間上進(jìn)行光譜測(cè)量，所以可以同時(shí)獲取目標(biāo)的圖像信息和光譜信息；與傳統(tǒng)的遙感相比，高光譜分辨率的成像光譜儀為每一個(gè)成像像元提供很窄的成像波段，其分辨率高達(dá)納米數(shù)量級(jí)，光譜通道數(shù)多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)以上，而且各光譜通道間往往是連續(xù)的。高光譜遙感相對(duì)于傳統(tǒng)遙感，能獲得更多的光譜空間信息，在對(duì)地觀測(cè)和環(huán)境調(diào)查中能夠提供更為廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在：地物的分辨識(shí)別能力大幅提高，成像通道數(shù)大大增加，使遙感從定性分析向定量或半定量的轉(zhuǎn)化成為可能。

時(shí)至今日，高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣探測(cè)、地球資源普查、自然災(zāi)害、天文觀測(cè)等諸多領(lǐng)域[1-7]，為人類社會(huì)的發(fā)展起到了難以估量的作用，并且還將繼續(xù)發(fā)展下去，在國(guó)家安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)方面發(fā)揮至今我們還認(rèn)識(shí)不到的重要作用。隨著“高分五號(hào)”衛(wèi)星的發(fā)射成功[8]，國(guó)內(nèi)對(duì)于高光譜遙感技術(shù)的關(guān)注達(dá)到新的高度，這為我國(guó)高光譜遙感領(lǐng)域的發(fā)展帶來了諸多新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。本文將介紹目前高光譜遙感技術(shù)的特點(diǎn)，回顧高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展歷程，總結(jié)高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，討論及分析其發(fā)展趨勢(shì)，為高光譜遙感技術(shù)未來的應(yīng)用與發(fā)展提供參考。

1 國(guó)外高光譜遙感技術(shù)發(fā)展概況

高光譜分辨率遙感的發(fā)展是過去幾十年中人類在對(duì)地觀測(cè)方面所取得的重大技術(shù)突破之一，是當(dāng)前遙感的前沿技術(shù)。20世紀(jì)70年代起形成了雛形，1983年第一個(gè)航空成像光譜儀AIS-1問世[9]，1987年第二代高光譜成像儀——機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀AVIRIS研制成功[10]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)形成了多種成熟的產(chǎn)品及方案，從數(shù)據(jù)獲取方式角度劃分，可以分為擺掃式、推掃式、凝視型、窗掃式及快照式等；從分光原理角度劃分，則可以分為濾光片型、色散型、計(jì)算層析型、編碼孔徑型、雙光束干涉型等。目前，國(guó)際上已發(fā)射的星載高光譜成像載荷一般采用色散型與雙光束干涉型等發(fā)展比較成熟的方案。而濾光片型、計(jì)算層析型與編碼孔徑型目前仍處在原理研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。高光譜遙感技術(shù)隨著社會(huì)發(fā)展及國(guó)家安全需求的增長(zhǎng)，正在向著超高光譜分辨率、超高空間分辨率、高靈敏度及定量化方向快速發(fā)展。目前，國(guó)際上處在高光譜遙感技術(shù)研究前列的國(guó)家和地區(qū)主要有美國(guó)、加拿大、歐洲、日本及印度等。

21世紀(jì)初，星載高光譜遙感技術(shù)得到了迅速發(fā)展。2000年7月，美國(guó)研制的傅里葉變換超光譜成像儀FTHSI成功搭載在美國(guó)空軍的強(qiáng)力衛(wèi)星MightSat-II上[11]，首次實(shí)現(xiàn)了干涉型成像光譜儀在星載平臺(tái)上的應(yīng)用。其采用Sagnac空間調(diào)制型成像光譜技術(shù)方案，空間分辨率為30m，光譜范圍400~1 050nm，波段數(shù)256個(gè)，光譜分辨率2~10nm。

2000年11月，美國(guó)發(fā)射的Hyperion是世界上第一顆成功發(fā)射的星載民用成像光譜儀[12-13]，其在可見/近紅外及短波紅外分別采用了不同的色散型光譜儀，使用推掃型的數(shù)據(jù)獲取方式，在350~2 600nm的光譜范圍內(nèi)，擁有242個(gè)探測(cè)波段，光譜分辨率為10nm，空間分辨率為30m。其載荷外觀及獲得的圖像數(shù)據(jù)如圖1所示。Hyperion的高光譜特性可以實(shí)現(xiàn)精確的農(nóng)作物估產(chǎn)、地質(zhì)填圖、精確制圖，在采礦、地質(zhì)、森林、農(nóng)業(yè)以及環(huán)保領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 Hyperion載荷圖及其獲得的圖像數(shù)據(jù)

2001年，歐空局搭載于天基自主計(jì)劃衛(wèi)星PROBA的緊湊型高分辨率成像光譜儀CHIRS發(fā)射成功[14-15]，載荷外觀及獲得的圖像數(shù)據(jù)如圖2所示。CHIRS同樣采用推掃型數(shù)據(jù)獲取方式，探測(cè)光譜范圍覆蓋405~1 050nm，共有五種探測(cè)模式，最多的波段數(shù)為64個(gè)，光譜分辨率5~12nm，星下點(diǎn)空間分辨率20m。

圖2 PROBA衛(wèi)星及其獲得的圖像數(shù)據(jù)

2002年，歐空局發(fā)射的環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT-1上搭載的推掃型中分辨率成像光譜儀MERIS[16]，光譜范圍為0.39~1.04μm，光譜分辨率可以通過編程進(jìn)行調(diào)節(jié)，波段數(shù)可達(dá)576個(gè)，主要用于海岸和海洋生物探測(cè)及研究。

高光譜遙感技術(shù)在地外行星探測(cè)方面同樣具有極高的應(yīng)用價(jià)值。美國(guó)在2005年發(fā)射的火星軌道勘測(cè)器MRO上搭載了小型火星高光譜勘測(cè)載荷CRISM[17]，覆蓋波段為383~3 960nm，其中可見光探測(cè)器（383~1 071nm）和短波紅外探測(cè)器（988~3 960nm）的面陣像元數(shù)均為640像元×480像元，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。CRISM采用Offner結(jié)構(gòu)的光柵分光方法，在可見光波段光譜分辨率達(dá)到6.55nm，在紅外波段達(dá)到6.63nm，空間分辨率低于20m，主要用于液態(tài)水尋找、火星地表礦物成分、兩極冰蓋的變化大氣成分季節(jié)性變化等的科學(xué)研究[17]。

印度擁有世界上最大的遙感衛(wèi)星星座，可提供1m到500m的多種分辨率成像，已成為世界上遙感數(shù)據(jù)市場(chǎng)的主要參與國(guó)。從1988年的印度遙感衛(wèi)星IRS-1A開始，印度空間研究組織ISRO發(fā)射了許多的遙感衛(wèi)星。Cartosat系列的遙感衛(wèi)星搭載了全色和多光譜相機(jī)，大大提升了印度的偵查能力。2008年，ISRO首次使用星載高光譜相機(jī)HySI[18-19]，在400~950nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有64個(gè)通道，光譜分辨率約為10nm，空間分辨率為506m，地面幅寬為129.5km，圖4為HySI獲得的月面高光譜圖像。

圖3 CRISM的總體結(jié)構(gòu)圖

圖4 HySI獲得的月面高光譜圖像

2009年5月，美國(guó)發(fā)射的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-3”（TacSat-3）搭載的高光譜成像儀ARTEMIS[20]，采用色散型成像光譜儀，空間分辨率達(dá)到5m，光譜范圍為0.4~2.5μm，光譜分辨率5nm。該星用途為戰(zhàn)術(shù)偵察，具有很高的機(jī)動(dòng)性和準(zhǔn)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用能力。其衛(wèi)星外觀及真彩色合成圖像如圖5所示。

圖5 TacSat-3衛(wèi)星及ARTEMIS獲得的真彩色圖像

2009年9月，由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的用于海洋觀測(cè)的高光譜成像儀HICO成功安裝在國(guó)際空間站上[21]，該儀器在0.35~1.08μm光譜范圍內(nèi)具有128個(gè)通道，光譜分辨率達(dá)到5.7nm，可以獲取海洋表面的高光譜數(shù)據(jù)。在軌道高度為345km時(shí)，其空間分辨率為100m，幅寬為500km。

為提出溫室氣體效應(yīng)對(duì)策，推動(dòng)“京都協(xié)議書”的執(zhí)行，日本研制了溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星GOSAT[22]，并于2009年1月發(fā)射成功。GOSAT上安裝了溫室氣體觀測(cè)傳感器傅里葉變換光譜儀FTS和云氣溶膠成像儀CAI。其采用0.75~0.78μm波段觀測(cè)氧氣濃度及卷云，確定光學(xué)路徑長(zhǎng)度，光譜分辨率0.5cm–1，采用1.56~1.72μm和1.92~2.08μm波段觀測(cè)CO2、CH4、H2O及卷云，光譜分辨率0.2cm–1，采用5.5~14μm波段再次獲得CO2、CH4、水汽和大氣溫度等參數(shù)及CO2與CH4垂直廓線，光譜分辨率0.2cm–1。

極軌碳觀測(cè)衛(wèi)星OCO是美國(guó)航空航天局NASA主導(dǎo)的一項(xiàng)重要計(jì)劃[23]，其科學(xué)任務(wù)是觀測(cè)全球二氧化碳的分布，2009年由于火箭異常，導(dǎo)致OCO發(fā)射失敗。2010年NASA重啟了OCO任務(wù)（OCO-2）。2014年7月，OCO-2成功發(fā)射，其主要載荷為高光譜與高空間分辨率CO2探測(cè)儀，能夠探測(cè)2.042~2.082μm、1.594~1.619μm和0.758~0.772μm三個(gè)大氣吸收光譜通道，光譜通道數(shù)為1 016個(gè)，光譜分辨率分別為0.2cm–1，0.3cm–1，0.5cm–1，地面幅寬10.6km。

印度于2017年發(fā)射的Cartosat 2E衛(wèi)星搭載了高分辨光譜輻射度計(jì)HRMX[19]，用于自然資源普查、災(zāi)害管理、地面形態(tài)以及農(nóng)作物、植被等探測(cè)，波段范圍包括可見光范圍0.4~0.75μm，以及近紅外波段0.75~1.3μm，空間分辨率為2m，地面幅寬為10km。Cartosat 3計(jì)劃于2018年發(fā)射，將搭載近紅外光譜儀，用于陸地表面多用途探測(cè)，波段范圍在0.75~1.3μm，空間分辨率可達(dá)1m，地面幅寬為16km。

環(huán)境制圖與分析計(jì)劃（Environmental Mapping and Analysis Program, EnMAP）是德國(guó)的高光譜衛(wèi)星計(jì)劃[24]，它的主要任務(wù)是提供地球表面適時(shí)的精確高光譜圖像。由德國(guó)地學(xué)研究中心指導(dǎo)，德國(guó)航空航天中心承研的科研項(xiàng)目。地面研制由德國(guó)航空航天中心完成，將搭載在印度航空航天局2019年發(fā)射的極地衛(wèi)星上。EnMAP衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)如圖6所示。衛(wèi)星飛行高度為643km，幅寬為30km，空間分辨率為30m×30m，光譜范圍為420~2 450nm，光譜譜帶數(shù)244個(gè)，采樣的光譜寬度隨信噪比的變化而變化，在可見及近紅外波段設(shè)計(jì)信噪比為400:1，采樣譜寬為5nm。在短波紅外譜段信噪比為180:1時(shí)，采樣譜寬為12nm。EnMAP旨在提高記錄全球范圍內(nèi)的生物—物理，生物—化學(xué)，地球—化學(xué)的變化，使人類對(duì)生物圈有更全面的認(rèn)識(shí)，以確保地球資源的穩(wěn)定性。

圖6 EnMAP衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖

日本計(jì)劃在2019年發(fā)射先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星3號(hào)（Advanced Land Observing Satellite-3, ALOS-3）將搭載對(duì)地觀測(cè)使用的高光譜成像儀HISUI[25]。其在400~2 500nm波段范圍內(nèi)擁有185個(gè)通道，空間分辨率為30m，地面幅寬30km。HISUI最大的特點(diǎn)是其具有在軌數(shù)據(jù)處理能力，可以星上輻射定標(biāo)、像元合并、光譜校正及無損數(shù)據(jù)壓縮。

星載高光譜陸地與海洋觀測(cè)任務(wù)（Spaceborne Hyperspectral Applicative Land and Ocean Mission, SHALOM）是由以色列航天局和意大利航天局共同合作的兩個(gè)商業(yè)高光譜衛(wèi)星聯(lián)合任務(wù)[26]。初步研究計(jì)劃于2012年開始，并于2013年完成。2015年10月雙方簽署協(xié)議，該系統(tǒng)預(yù)計(jì)于2021年全面投入運(yùn)營(yíng)，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)耗資超過2億美元。其空間分辨率小于10m，幅寬大于10km，光譜范圍為400~2 500nm，光譜分辨率為10nm，飛行高度為640km。SHALOM衛(wèi)星望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7所示。

美國(guó)將在2023年發(fā)射搭載高光譜和紅外載荷的新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星HyspIRI[27]，其概念圖如圖8所示。該衛(wèi)星主要用于在生態(tài)系統(tǒng)和碳循環(huán)以及地球表面和內(nèi)部焦點(diǎn)區(qū)域的各種科學(xué)研究，其光譜范圍為0.38~2.5μm，光譜通道數(shù)為212個(gè)，光譜分辨率為10nm，地面幅寬為145km，地面像元分辨率為60m。

圖7 SHALOM衛(wèi)星望遠(yuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖8 HyspIRI衛(wèi)星概念圖

目前，國(guó)際上星載成像光譜儀正向著大面陣、超高空間、超高光譜分辨率的方向發(fā)展，將在陸地、植被、海洋、環(huán)境、軍事偵察及深空探測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。各個(gè)國(guó)家在長(zhǎng)期的探索中，逐漸形成了各自成熟的高光譜遙感技術(shù)體系?？梢灶A(yù)見，未來國(guó)際上在高光譜遙感領(lǐng)域發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)更加激烈。同時(shí)，隨著星載高光譜遙感技術(shù)的成熟，高光譜遙感產(chǎn)品的商業(yè)化、民用化也將更加深入。

2 國(guó)內(nèi)高光譜遙感技術(shù)發(fā)展概況

我國(guó)的高光譜遙感技術(shù)起步較晚，但受到我國(guó)日益增長(zhǎng)的并十分迫切的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)需求的激勵(lì)，無論是航空或航天遙感都獲得了空前的發(fā)展機(jī)遇，得到了快速發(fā)展。中國(guó)目前已成功建立和發(fā)展了自己的航空和衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)體系，并廣泛應(yīng)用于資源和環(huán)境領(lǐng)域，在土地、植被和水資源調(diào)查、管理、地質(zhì)礦產(chǎn)資源調(diào)查以及在災(zāi)害監(jiān)測(cè)中均發(fā)揮著重要作用。

20世紀(jì)90年代早期研制的新型模塊化航空成像光譜儀MAIS波段數(shù)目達(dá)到71個(gè)，覆蓋了可見近紅外波段（0.44~1.08μm）、短波紅外波段（1.5~2.45μm）和熱紅外波段（8.0~11.6μm）。光譜分辨率在可見近紅外波段達(dá)到20nm，瞬時(shí)視場(chǎng)角為3.0mrad[28]。

90年代后期的推掃式高光譜成像儀PHI波段數(shù)高達(dá)244個(gè)，光譜范圍為可見近紅外波段（400~850nm），光譜分辨率優(yōu)于5nm，瞬時(shí)視場(chǎng)角為1.0mrad[29]。

同樣是90年代后期研制的實(shí)用型模塊化成像光譜儀OMIS波段數(shù)為128個(gè)，覆蓋了可見近紅外波段（0.4~1.1μm），短波紅外波段（1.1~2.0μm），中紅外波段（3.0~5.0μm）和熱紅外波段（8.0~12.5μm），光譜分辨率在可見近紅外波段為10nm，瞬時(shí)視場(chǎng)角為1.5mrad[30]。

我國(guó)在發(fā)展以實(shí)用性為目標(biāo)的航空高光譜遙感的同時(shí)也十分重視發(fā)展航天高光譜遙感，21世紀(jì)以來多臺(tái)成像光譜儀發(fā)射升空，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

2002年3月25日，在“神舟三號(hào)”飛船中搭載了1臺(tái)我國(guó)自行研制的中分辨率成像光譜儀[31]；成為繼美國(guó)在地球觀測(cè)系統(tǒng)中Terra衛(wèi)星上搭載成像光譜儀之后第二個(gè)將高光譜載荷送上太空的國(guó)家。其波段數(shù)為34個(gè)，覆蓋了可見、近紅外、短波紅外和熱紅外波段，在可見近紅外波段分辨率為20nm。

2007年10月24日發(fā)射的“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星上，成像光譜儀也作為一種主要載荷進(jìn)入月球軌道，這是我國(guó)的第一臺(tái)基于傅里葉變換的航天干涉成像光譜儀[32]。其核心部件為Sagnac干涉成像光譜儀，波段數(shù)為32個(gè)，光譜區(qū)間為480~960nm，光譜分辨率為15nm，空間分辨率為200m。

2008年9月6日發(fā)射的環(huán)境和減災(zāi)小衛(wèi)星星座上搭載了可見—近紅外成像光譜儀[33]。其探測(cè)譜段數(shù)量為115個(gè)，探測(cè)范圍為可見近紅外波段，光譜范圍450~950nm，平均光譜分辨率為5nm，空間分辨率為100m，地面幅寬為50km。

2011年9月29日發(fā)射的“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器攜帶了我國(guó)自行研制的高光譜成像儀[34]。該高光譜成像儀是當(dāng)時(shí)我國(guó)空間分辨率和光譜綜合指標(biāo)最高的空間光譜成像儀，采用離軸三反非球面光學(xué)系統(tǒng)，復(fù)合棱鏡分光與非球面準(zhǔn)直成像光譜儀的總體技術(shù)方案，保證了其探測(cè)波段范圍400~2 500nm，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)光譜分辨率的地物特征和性質(zhì)的成像探測(cè)。

“高分五號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)第一顆高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星[8,35]，該衛(wèi)星運(yùn)行于同步軌道，用于獲取從紫外到長(zhǎng)波紅外譜段的高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)樣品?！案叻治逄?hào)”衛(wèi)星是我國(guó)目前最為先進(jìn)的高光譜探測(cè)衛(wèi)星，也是國(guó)家“高分專項(xiàng)”中搭載載荷最多、光譜分辨率最高、研制難度最大的衛(wèi)星?！案叻治逄?hào)”衛(wèi)星及其載荷配置如圖9所示，共搭載了大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀及可見短波紅外高光譜相機(jī)6臺(tái)載荷，具有高光譜分辨率、高精度、高靈敏度的觀測(cè)能力，多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平?？梢灶A(yù)見，“高分五號(hào)”衛(wèi)星將在內(nèi)陸水體及陸表生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)、大氣成分及氣溶膠監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查和地質(zhì)填圖等方面發(fā)揮重要作用，為我國(guó)農(nóng)業(yè)、減災(zāi)、國(guó)家安全、城市建設(shè)、交通、海洋、測(cè)繪等部門提供監(jiān)測(cè)服務(wù)，推動(dòng)我國(guó)國(guó)家建設(shè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

圖9 “高分五號(hào)”衛(wèi)星及其載荷配置

3 高光譜遙感未來發(fā)展趨勢(shì)

3.1 探測(cè)波段進(jìn)一步拓寬，時(shí)間、空間、光譜分辨率進(jìn)一步提高

高光譜遙感技術(shù)在早期發(fā)展階段，主要發(fā)展目標(biāo)為提高光譜分辨率，以適應(yīng)高精度、定量化遙感探測(cè)的需要。而隨著大面陣高分辨率探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步，高光譜遙感技術(shù)在提高光譜分辨率的同時(shí)，開始向著高空間分辨率方向發(fā)展。目前，國(guó)際上已經(jīng)存在多種高光譜遙感觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)，探測(cè)波段范圍覆蓋了從可見光到熱紅外，光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)，波段數(shù)增至數(shù)百個(gè)，大大增強(qiáng)了遙感信息獲取能力，可以精確的對(duì)地球表面的固體和液體化學(xué)組分進(jìn)行分析。而為了能夠進(jìn)一步對(duì)氣體組分和大氣性質(zhì)進(jìn)行研究，更高的光譜分辨率需求成為高光譜遙感不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。另一方面，為了更精確和更快速的進(jìn)行遙感觀測(cè)，獲得具有可靠性與時(shí)效性的遙感數(shù)據(jù)，高光譜遙感技術(shù)高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率的“三高”新特征已經(jīng)越來越明顯，以適應(yīng)未來長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、定量化土地與海洋資源調(diào)查、實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境分析等新應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2 新原理、新方案不斷提出，高光譜遙感技術(shù)種類進(jìn)一步豐富

隨著信息技術(shù)、成像技術(shù)及光學(xué)加工工藝的發(fā)展與進(jìn)步，各類高光譜遙感新技術(shù)、新方案層出不窮，其核心分光元件開始由成熟的色散型及干涉型向多元化方向發(fā)展。目前已經(jīng)出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)濾光片型、聲光調(diào)諧濾光片型、液晶調(diào)諧濾光片型、計(jì)算層析型等多種分光原理方案。近年來，快照式成像光譜技術(shù)發(fā)展迅速?？稍谝淮纹毓鈺r(shí)間內(nèi)獲得完整的三維圖像光譜數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)探測(cè)方面具有巨大的應(yīng)用前景。編碼孔徑型成像光譜技術(shù)是將壓縮感知的理論用在成像光譜儀上發(fā)展起來的一種新型快照式成像光譜技術(shù)，其利用編碼圖案對(duì)所有波長(zhǎng)的空間信息進(jìn)行調(diào)制，在面陣探測(cè)器上記錄目標(biāo)空間和光譜信息混合編碼的強(qiáng)度圖，最后利用多尺度重建算法從強(qiáng)度圖中提取空間和光譜信息。三維成像光譜技術(shù)則是利用由多個(gè)不同傾斜角度的長(zhǎng)條反射鏡組成的圖像分割元件，將目標(biāo)圖像切割成不同角度的圖像，然后經(jīng)色散棱鏡傳送到透鏡陣列上，從而在大面陣探測(cè)器上得到不同角度圖像的色散光譜圖，該技術(shù)也是一種快照式成像光譜技術(shù)。目前，這類技術(shù)仍然處于原理研究及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，是高光譜遙感未來發(fā)展的一種趨勢(shì)。

3.3 圖像、光譜、偏振多元信息的一體化獲取

高光譜遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的光譜和圖像信息的一體化獲取，滿足我們對(duì)地物化學(xué)組分和物體形貌特征探測(cè)的需求。但是在其他一些應(yīng)用場(chǎng)景，比如對(duì)目標(biāo)的表面特性觀測(cè)、對(duì)隱藏目標(biāo)的識(shí)別和追蹤、氣溶膠探測(cè)，特別是對(duì)相同材料制作的遙遠(yuǎn)目標(biāo)（例如衛(wèi)星和導(dǎo)彈），成像光譜技術(shù)將失去探測(cè)功能，這時(shí)偏振信息探測(cè)能起到關(guān)鍵作用。偏振信息對(duì)目標(biāo)的邊角特征、表面粗糙度等有明顯的識(shí)別能力，可以更好的描述物質(zhì)的散射與反射特性。在高光譜遙感技術(shù)中引入偏振信息，實(shí)現(xiàn)圖像、光譜、偏振多元信息的一體化獲取，可為目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別和確認(rèn)提供更科學(xué)、更精確、更全面的探測(cè)技術(shù)和手段。在對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和認(rèn)知過程中，同一目標(biāo)的圖像、光譜和偏振態(tài)可以提供互補(bǔ)的多元信息，能夠幫助分析目標(biāo)豐富的物理化學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)更加全面、準(zhǔn)確、科學(xué)的認(rèn)識(shí)。在大氣探測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、軍事偵察等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。開展圖像、光譜、偏振多元信息一體化獲取和偏振高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用研究是目前高光譜遙感技術(shù)發(fā)展的重要方向。

3.4 高光譜遙感智能化、大數(shù)據(jù)時(shí)代來臨

現(xiàn)有的高光譜遙感衛(wèi)星的運(yùn)作主要由地面控制，海量高光譜遙感數(shù)據(jù)在星上進(jìn)行存儲(chǔ)與壓縮，然后回傳到地面接收站，最后進(jìn)行地面數(shù)據(jù)處理獲得遙感產(chǎn)品，并且衛(wèi)星參數(shù)固定，不能靈活調(diào)整。伴隨著“人工智能”時(shí)代的來臨，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)與高光譜遙感技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建具有星上高光譜成像載荷參數(shù)自動(dòng)定標(biāo)優(yōu)化、星上數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)處理與產(chǎn)品生成能力的“智能”高光譜遙感衛(wèi)星系統(tǒng)成為了未來發(fā)展趨勢(shì)。“智能”高光譜遙感衛(wèi)星將具備智能化的信息感知能力，并且具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)用戶的需要實(shí)時(shí)產(chǎn)生高質(zhì)量數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，伴隨著高光譜成像遙感儀器的分辨率越來越高，獲取信息維度越來越多的同時(shí)，獲取的遙感數(shù)據(jù)量也是呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，“大數(shù)據(jù)”特征十分顯著。如何有效地實(shí)現(xiàn)高光譜遙感有效數(shù)據(jù)挖掘，信息提取，提高數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)傳輸效率，是未來高光譜遙感需要解決的重要問題。

3.5 高光譜遙感載荷的小型輕量化

隨著小型無人機(jī)遙感技術(shù)及微納衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，高光譜遙感也正在向著低成本、靈活機(jī)動(dòng)、集成化及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等方向發(fā)展。目前，基于小型無人機(jī)的輕小型高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)林病蟲害觀察、大型貨物光學(xué)分揀、安防監(jiān)測(cè)、目標(biāo)搜尋及搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域隱藏著巨大的應(yīng)用需求和價(jià)值。而微納衛(wèi)星則具有成本低、靈活性高、功耗低、開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，能夠開展更為復(fù)雜的空間探測(cè)任務(wù)。高光譜遙感與微納衛(wèi)星技術(shù)的結(jié)合，將促進(jìn)一體化多功能結(jié)構(gòu)、綜合集成化空間探測(cè)載荷的創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)未來高光譜遙感輕量化、集成化、系統(tǒng)化，實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)、全天候?qū)崟r(shí)探測(cè)具有重要的推動(dòng)作用。

4 結(jié)束語

從近年來高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展來看，許多新原理、新方案、新技術(shù)正在得到實(shí)施與應(yīng)用，高光譜成像遙感儀器的結(jié)構(gòu)更加趨于合理與簡(jiǎn)單，多元信息一體化獲取功能大為增強(qiáng)，逐步向大視場(chǎng)、高通量、小型、靜態(tài)、高分辨率的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著高光譜遙感技術(shù)的成熟，其成本將大大降低，高光譜遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的商業(yè)化也將是未來發(fā)展的重要方向。本文通過對(duì)當(dāng)今高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展概況的總結(jié)，結(jié)合當(dāng)今信息化、智能化的時(shí)代特點(diǎn)，分析了未來高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為高光譜遙感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用提供技術(shù)參考與借鑒。

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Overview of Hyperspectral Remote Sensing Technology

ZHANG Chunmin MU Tingkui YAN Tingyu CHEN Zeyu

（Institute of Space Optics, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China）

Hyperspectral remote sensing has extensive and important applications in atmospheric exploration, space remote sensing, general survey of earth resources, military reconnaissance, environmental monitoring, agriculture and marine remote sensing thanks to its ability to acquire high resolution spectrograms and images simultaneously. This paper reviews the development of hyperspectral remote sensing technology at home and abroad, describes in detail the development history and main parameters of typical hyperspectral remote sensing instruments, compares the performance characteristics of hyperspectral remote sensing payloads in different countries at different times, analyzes the development of hyperspectral remote sensing technology in China, and summarizes plans for future development of hyperspectral remote sensing technology in the world. Combining these development characteristics with the current information age, the future development of hyperspectral remote sensing technology is prospected. It points out the trend of the further broadened detection band of hyperspectral remote sensing technology, the further enhanced temporal, spatial and spectral resolutions, and the further enriched technology. What is more, the information of image, spectrum, and polarization is acquired simultaneously, and the payload will be intelligent, networked, smaller and lightweight. This paper provides direction for the future development of hyperspectral remote sensing, and can be useful for the further evolution.

imaging spectrometer; high resolution; development trend; hyperspectral remote sensing; GF-5 satellite

V248.1

A

1009-8518(2018)03-0104-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.012

張淳民，男，1956年生，光學(xué)博士，西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、空間光學(xué)研究所所長(zhǎng)。主要研究方向?yàn)槠癯上窆庾V技術(shù)及高層大氣遙感探測(cè)。E-mail：zcm@xjtu.edu.cn。

2018-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41530422），國(guó)家自然科學(xué)基金（61775176）

（編輯：龐冰）