陳培永，王 燕

(上海航天信息研究所·上?！?01109)

0 引 言

高光譜遙感是當(dāng)前遙感領(lǐng)域的前沿方向之一。上世紀(jì)70年代，美國提出了高光譜遙感的概念，并在1983年成功研制了首個(gè)航空成像光譜儀AIS-1。此后，美國、加拿大、歐洲、日本及印度等國家和地區(qū)在高光譜遙感領(lǐng)域開展了大量研究工作，研制了涵蓋不同光譜波段、具有不同空間分辨率的機(jī)載和星載高光譜遙感載荷。

1 高光譜遙感基礎(chǔ)理論

1.1 成像原理

高光譜成像技術(shù)是在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，以數(shù)納米的光譜分辨率進(jìn)行采樣，在數(shù)十至數(shù)百個(gè)波段內(nèi)同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行成像。每個(gè)波段形成一幅二維空間圖像，可形成由多個(gè)二維空間圖像按光譜維疊加而成的三維高光譜圖像(數(shù)據(jù))立方體，如圖1所示[1]。

圖1 成像光譜儀原理示意圖Fig.1 Principle schematic diagram of the imaging spectrometer

1.2 典型成像方式

根據(jù)數(shù)據(jù)獲取方式，高光譜成像模式主要可被分為撣帚式、推帚式、凝視式等[2-4]。

(1)撣帚式。撣帚式高光譜成像采用零維或點(diǎn)視場掃描方式，包括機(jī)械掃描成像和分光探測兩大部分。采用線陣探測器，像元數(shù)即是像元分光光譜波段的個(gè)數(shù)。撣帚式成像光譜儀的優(yōu)點(diǎn)在于可以獲得很大的總視場，且由于采用了進(jìn)入物鏡后再分光的方式，可實(shí)現(xiàn)很寬的光譜波段范圍。

(2)推帚式。推帚式高光譜成像以面陣CCD作為凝視器件，在工作時(shí)由面陣器件的固體掃描和飛行平臺的向前運(yùn)動來組成二維空間掃描，即面陣器件的一維完成空間成像，另一維完成光譜的掃描。其特點(diǎn)包括體積小、機(jī)構(gòu)簡單、積分時(shí)間長、信噪比高、光譜分辨率高等。像元中，各光譜波段的輻射按特定光譜段度和順序在列方向分布。

(3)凝視式。面陣凝視式高光譜成像光譜儀通常采用面陣CCD，使用聲光可調(diào)濾光器作為分光方式。其最大的特點(diǎn)是取消了掃描機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)復(fù)雜度大大降低，體積、功耗等指標(biāo)大大減小，同時(shí)系統(tǒng)性能相對光機(jī)掃描方式有了很大改善，并且系統(tǒng)對目標(biāo)的輻射響應(yīng)時(shí)間只受探測器時(shí)間常數(shù)的限制，而不再受掃描機(jī)構(gòu)掃描速度的影響。

1.3 主要特點(diǎn)

高光譜成像技術(shù)的主要特點(diǎn)包括[5-6]：

(1)光譜響應(yīng)范圍廣，光譜分辨率高，識別能力強(qiáng)。高光譜成像儀響應(yīng)的電磁波長從可見光至近紅外、甚至中紅外，光譜分辨率達(dá)到了納米級。

(2)光譜信息與圖像信息有機(jī)結(jié)合。在高光譜成像數(shù)據(jù)中，每個(gè)像元對應(yīng)1條光譜曲線，整個(gè)數(shù)據(jù)是光譜影像的立方體，具有空間圖像維和光譜維。

(3)光譜波段多，在某一譜段范圍內(nèi)可連續(xù)成像。高光譜成像能夠獲得目標(biāo)在一定范圍內(nèi)連續(xù)的、精細(xì)的光譜曲線，從而使得利用光譜直接進(jìn)行物質(zhì)識別成為可能。

2 國外高光譜遙感載荷發(fā)展情況

2.1 機(jī)載高光譜

機(jī)載高光譜是高光譜最早的應(yīng)用領(lǐng)域，表1為部分典型機(jī)載高光譜傳感器。

(1)美國研究現(xiàn)狀

①機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀

機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀(AVIRIS)由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制，是第1臺被用于民用領(lǐng)域的機(jī)載高光譜傳感器，共有224個(gè)通道，光譜范圍為0.41μm～2.45μm，光譜分辨率為10nm。目前，機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀已經(jīng)在北美洲、南美洲和歐洲等地開展了大量數(shù)據(jù)獲取與遙感應(yīng)用試驗(yàn)。該光譜儀經(jīng)過多次升級改進(jìn)，直到今天仍是全世界最先進(jìn)的高光譜成像儀[7]。

②數(shù)字機(jī)載成像光譜測量系統(tǒng)(DAIS)

DAIS機(jī)載成像光譜由美國地球物理環(huán)境研究公司(GER)研制，該系統(tǒng)最早被設(shè)計(jì)并用來開展“探測衛(wèi)星”(Terra)的熱量散發(fā)和反輻射儀(ASTER)的數(shù)據(jù)的模擬研究。傳感器在可見光-短波紅外反射光譜范圍內(nèi)設(shè)置了72個(gè)波段，在8μm～12μm的熱紅外區(qū)間還有6個(gè)波段。

③Mako

Mako是一款應(yīng)用Dyson分光結(jié)構(gòu)的機(jī)載大視場高光譜成像儀，其設(shè)計(jì)用途為機(jī)載載荷，設(shè)計(jì)譜段為7.8μm～13.4μm，共擁有128個(gè)波段[8]。Dyson結(jié)構(gòu)中的凹面球形光柵采用先進(jìn)的鉆石旋切工藝制成，可實(shí)現(xiàn)良好的分光效果。圖2為Mako的構(gòu)型圖。

圖2 Mako結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The configuration of Mako

(2)加拿大研究現(xiàn)狀

①緊湊式機(jī)載光譜成像儀(CASI)

CASI機(jī)載成像光譜儀由加拿大Itres公司在1989年研制，光譜覆蓋范圍為400nm～1100nm，最高波段數(shù)達(dá)到了288，光譜分辨率為1.9nm。此后，Itres公司相繼成功研制了短波紅外機(jī)載光譜成像儀(SASI)、中紅外機(jī)載光譜成像儀(MASI)及熱紅外機(jī)載光譜成像儀(TASI)，并且還可以提供與成像光譜儀配套的定位和姿態(tài)系統(tǒng)。圖3為CASI的外形圖。

圖3 CASI的外觀Fig.3 The external view of CASI

(3)澳大利亞研究現(xiàn)狀

①高光譜制圖儀(HyMap)

HyMap機(jī)載成像光譜測量系統(tǒng)早期主要面向地質(zhì)礦產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，第一代的HyMap成像光譜儀有96個(gè)波段，并且在2μm～2.5μm區(qū)間內(nèi)具有很高的信噪比，這樣的設(shè)計(jì)可以很好地滿足礦產(chǎn)勘查的需要。HyMap共有128個(gè)波段，覆蓋范圍為0.44μm～2.5μm，另外包括了兩個(gè)紅外波段。

(4)芬蘭研究現(xiàn)狀

①AISA機(jī)載成像光譜測量系統(tǒng)

AISA采用推帚式數(shù)據(jù)獲取方式，光譜范圍涵蓋0.38μm～1μm、1μm～2.5μm、7.6μm～12.4μm這3個(gè)區(qū)域，光譜分辨率為3.3nm，總波段大于288個(gè)，視場范圍(FOV)為39.7°，瞬時(shí)視場(IFOV)范圍為0.078°。

2.2 星載高光譜

自第1臺星載中分辨率成像光譜儀(MODIS)[9]于1999年12月8日發(fā)射以來，星載高光譜得到了快速發(fā)展。目前，國外在軌的高光譜衛(wèi)星包括了“地球觀測-1(EO-1)”衛(wèi)星、“星上自主項(xiàng)目(PROBA)”衛(wèi)星、“碳”衛(wèi)星等。部分典型的星載高光譜載荷可見表2。

表2 部分星載高光譜載荷參數(shù)

(1)美國研究現(xiàn)狀

①傅里葉變換超光譜成像儀(FTHSI)

2000年7月，美國研制的傅里葉變換超光譜成像儀FTHSI被成功搭載在了美國空軍的“強(qiáng)力衛(wèi)星-2(MightSat-2)”上，首次實(shí)現(xiàn)了干涉型成像光譜儀在星載平臺上的應(yīng)用。FTHSI采用薩格納克(Sagnac)空間調(diào)制型成像光譜技術(shù)方案，空間分辨率為30m，光譜范圍為0.4μm～1.05μm，波段數(shù)為256個(gè)，光譜分辨率為2nm～10nm。

②Hyperion

Hyperion傳感器搭載于EO-1衛(wèi)星平臺，是全球第1臺民用星載高光譜圖譜測量儀，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，使用推帚型的數(shù)據(jù)獲取方式，在0.35μm～2.6μm的光譜范圍內(nèi)擁有242個(gè)探測波段，光譜分辨率為10nm，空間分辨率為30m[10]。

③先進(jìn)響應(yīng)型戰(zhàn)術(shù)有效軍用成像光譜儀(ARTEMIS)

2009年5月，美國發(fā)射的“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-3(TacSat-3)”所搭載的高光譜成像儀(ARTEMIS)，采用了色散型成像光譜儀，空間分辨率達(dá)到了5m，光譜范圍為0.4μm～2.5μm，光譜分辨率為5nm。該星用途為戰(zhàn)術(shù)偵察，具有很高的機(jī)動性和準(zhǔn)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場數(shù)據(jù)應(yīng)用能力[11]。圖4為ARTEMIS的工作示意圖。

圖4 ARTEMIS的工作示意圖Fig.4 The digram of ARTEMIS

④海岸帶高光譜遙感與近海高光譜成像儀(HICO)

2009年9月，由美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的用于海洋觀測的高光譜成像儀HICO被成功安裝在了國際空間站中。該儀器在0.35μm～1.08μm光譜范圍內(nèi)擁有128個(gè)通道，光譜分辨率達(dá)到了5.7nm，可以獲取海洋表面的高光譜數(shù)據(jù)[12]。在軌道高度為345km時(shí)，其空間分辨率為100m，幅寬為500km。圖5為HICO在國際空間站內(nèi)的示意圖。

圖5 HICO在軌運(yùn)行Fig.5 HICO on orbit

⑤“高光譜紅外成像衛(wèi)星(HyspIRI)”高光譜載荷

HyspIRI為美國新一代對地觀測衛(wèi)星，計(jì)劃于2023年發(fā)射，并搭載高光譜紅外載荷。該衛(wèi)星主要用于在生態(tài)系統(tǒng)、碳循環(huán)及地球表面和內(nèi)部等焦點(diǎn)區(qū)域中進(jìn)行各種科學(xué)研究，其光譜范圍為0.38μm～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。

(2)歐洲研究現(xiàn)狀

①緊湊型高分辨率成像分光計(jì)(CHIRS)

2001年，歐空局搭載于PROBA衛(wèi)星的緊湊型高分辨率成像光譜儀CHIRS發(fā)射成功。CHIRS同樣采用了推帚型的數(shù)據(jù)獲取方式，探測光譜范圍為0.4μm～1μm，共有5種探測模式，最多的波段數(shù)為64個(gè)，光譜分辨率為5nm～12nm，星下點(diǎn)空間分辨率為20m。

②中分辨率成像光譜儀(MERIS)

歐空局2002年發(fā)射的“環(huán)境衛(wèi)星-1(ENVISAT-1)”搭載了推帚型的MERIS光譜儀，光譜范圍為0.39μm～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的探測及研究。

③超光譜成像儀(HIS)

HIS是一款推帚型超光譜成像儀，也是德國計(jì)劃在2020年發(fā)射的“環(huán)境測繪與分析計(jì)劃(EnMAP)”衛(wèi)星的重要載荷[13-14]，其主要負(fù)責(zé)采集2個(gè)譜段的信息數(shù)據(jù)，即可見光/近紅外(VNIR)譜段和短波紅外(SWIR)譜段，譜段覆蓋范圍為0.42μm～2.45μm，地面分辨率為30m，地面幅寬為30km。其中，在VNIR譜段有99個(gè)波段，在SWIR譜段有163個(gè)波段，譜分辨率平均為10nm左右，譜分辨率已經(jīng)完全可以滿足分辨礦物種類的需要。圖6為HIS的工作示意圖。

圖6 星載HIS工作圖Fig.6 HIS working diagram

(3)日本研究現(xiàn)狀

①高光譜成像儀套件(HISUI)

高光譜成像儀HISUI將搭載計(jì)劃于2019年發(fā)射的“先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星-3(ALOS-3)”，如圖7所示。該成像儀在0.4μm～2.5μm波段范圍內(nèi)擁有185個(gè)通道，空間分辨率為30m，地面幅寬為30km。HISUI最大的特點(diǎn)是其具有在軌數(shù)據(jù)處理能力，可以完成星上輻射定標(biāo)、像元合并、光譜校正及無損數(shù)據(jù)壓縮等工作任務(wù)。

圖7 高光譜成像儀套件Fig.7 The composition diagram of HISUI

②傅里葉變換光譜儀(FTS)和云氣溶膠成像儀(CAI)

日本于2009年成功發(fā)射了“溫室氣體觀測衛(wèi)星(GOSAT)”，其上安裝了溫室氣體觀測傳感器——傅里葉變換光譜儀FTS和云氣溶膠成像儀CAI。其采用0.75μm～0.78μm波段觀測氧氣濃度及卷云，確定光學(xué)路徑長度，光譜分辨率為0.5cm-1；采用1.56μm～1.72μm和1.92μm～2.08μm兩個(gè)波段觀測CO2、CH4、H2O及卷云，光譜分辨率為0.2cm-1；采用5.5μm～14μm波段再次獲得CO2、CH4、水汽和大氣溫度等參數(shù)，以及CO2與CH4的垂直廓線，光譜分辨率為0.2cm-1。

(4)印度研究現(xiàn)狀

①高光譜照相機(jī)(HySI)

印度太空研究組織(ISRO)在2008年發(fā)射的“印度迷你衛(wèi)星”上首次攜帶了星載高光譜相機(jī)HySI，其在0.4μm～0.95μm的波長范圍內(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。

②“制圖星-3(Cartosat-3)”高光譜載荷

計(jì)劃于2019年發(fā)射的“制圖星-3A”將搭載近紅外光譜儀，用于陸地表面的多用途探測，波段范圍為0.75μm～1.3μm。在高光譜模式下，幅寬為5km，空間分辨率為12m。

3 高光譜遙感應(yīng)用

3.1 民商用領(lǐng)域

(1)繪制地形圖，制作專題圖。如精細(xì)農(nóng)業(yè)中的農(nóng)作物、森林、草場等的植被分布圖，地質(zhì)探測中的礦物、土壤、冰川等的專題分布圖等[15]。

(2)海洋要素監(jiān)測。如海洋資源普查、水色水質(zhì)變化、海岸帶和海洋生態(tài)變化，以及海洋污染監(jiān)測等。

(3)資源環(huán)境調(diào)查與災(zāi)害評估。如土地利用動態(tài)監(jiān)測、礦物分布調(diào)查、水體富營養(yǎng)化檢測、大氣污染物監(jiān)測、植被覆蓋度和生物量調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害評估等。

(4)大氣遙感。利用高光譜數(shù)據(jù)，在準(zhǔn)確探測大氣成分的基礎(chǔ)上，能提高天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警等的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 國防安全領(lǐng)域

在國防安全領(lǐng)域中的應(yīng)用包括：

(1)戰(zhàn)場環(huán)境偵察。如根據(jù)目標(biāo)與偽裝材料不同的光譜特性，利用高光譜遙感可以進(jìn)行偽裝識別；可對化學(xué)氣體進(jìn)行光譜探測，從而對有毒氣體進(jìn)行監(jiān)測與甄別；可對戰(zhàn)場地雷進(jìn)行高精度探測。

(2)打擊效果評估。用目標(biāo)受損后的自身和環(huán)境的細(xì)微光譜特征變化，來實(shí)現(xiàn)或輔助進(jìn)行毀傷的識別。

(3)導(dǎo)彈預(yù)警探測[16]。有資料顯示，可以利用高光譜成像技術(shù)，在導(dǎo)彈尾焰的2.7μm或4.3μm強(qiáng)輻射帶建立高光譜圖像，利用獲得的高光譜圖像重構(gòu)導(dǎo)彈尾焰強(qiáng)輻射帶的測量光譜，再根據(jù)獲得的導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射特征譜，即可確定導(dǎo)彈的類型。

3.3 行星探測

目前，高光譜遙感在行星探測方面的應(yīng)用主要是探查行星的物質(zhì)組成，包括行星是否存在液態(tài)水、地表礦物成分等。如美國在2005年發(fā)射的“火星勘測軌道器(MRO)”上搭載了高光譜勘測載荷——緊湊偵察成像儀(CRISM)(如圖8所示)，其主要用于液態(tài)水的尋找，以及火星地表礦物成分、兩極冰蓋的變化、大氣成分的季節(jié)性變化等的科學(xué)研究[17]，歐空局正在研制的水星高光譜熱分光計(jì)(MERTIS)，將對水星表面進(jìn)行觀測。

圖8 緊湊偵察成像儀的結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The configuration of CRISM

4 高光譜載荷發(fā)展趨勢

在應(yīng)用需求及技術(shù)進(jìn)步等多重因素的推動之下，高光譜載荷的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。

4.1 探測波段不斷拓展，幅寬不斷擴(kuò)大，分辨率不斷提高

在探測波段方面，當(dāng)前已應(yīng)用的星載與機(jī)載高光譜載荷的探測波段范圍覆蓋了從可見光到熱紅外，波段數(shù)增至數(shù)百個(gè)，大大增強(qiáng)了遙感信息的獲取能力，可以精確地對地球表面的固體和液體化學(xué)組分進(jìn)行分析；在幅寬方面，以大面陣探測器等為代表的技術(shù)發(fā)展，使得幅寬不斷增大；在分辨率方面，目前的光譜分辨率已達(dá)到納米級。與此同時(shí)，探測的空間分辨率、時(shí)間分辨率也不斷提高，進(jìn)而為高光譜應(yīng)用的拓展提供了條件。

4.2 探測模式不斷優(yōu)化，智能化水平提升

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[18]，促進(jìn)了快照式成像光譜技術(shù)等新探測模式的發(fā)展。與此同時(shí)，包括星上處理等在內(nèi)的新技術(shù)的應(yīng)用，不斷提升了載荷的智能化水平[19-20]。

4.3 載荷的小型化與商業(yè)化

在應(yīng)用商業(yè)化與平臺小型化的需求下，各研究方已啟動對高光譜載荷的小型化與商業(yè)化的研究工作。如哈里斯公司基于為美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)研制的跨軌紅外探測器(CrIS)(如圖9所示)，正在開展小型化的研究工作，目標(biāo)是將新載荷應(yīng)用于小衛(wèi)星甚至立方星上[21]；美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開發(fā)的超小型高光譜成像儀(UCIS)的重量不超過0.5kg。

以ARTEMIS高光譜載荷和HICO高光譜載荷為代表的低成本與快速研制的理念，進(jìn)一步拓寬了各方的研制思路，比如通過在研制過程中增加商業(yè)級非定制產(chǎn)品等手段，降低載荷的成本。

圖9 CrIS工作圖Fig.9 CrIS operation concept

5 結(jié) 論

各國正在積極開發(fā)高光譜遙感技術(shù)，高光譜遙感已由以航空應(yīng)用為主，向航空、星載并重的方向發(fā)展。與此同時(shí)，高光譜遙感探測波段的擴(kuò)大、分辨率的增強(qiáng)、小型化水平的提升，將進(jìn)一步擴(kuò)大高光譜遙感的應(yīng)用領(lǐng)域；另一方面，面對高光譜產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，亟需在數(shù)據(jù)處理(包括大數(shù)據(jù)、云算法等)方面進(jìn)行突破，以實(shí)現(xiàn)高光譜更為廣泛、更為有效的應(yīng)用。