国内外星-空-地遥感数据地面应用系统综述

肖政浩，汪大明，温 静，方洪宾，胡玉新，许 宁

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京100083;2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京100029;3.中国科学院电子学研究所，北京100190)

0 引言

近年来，遥感技术不断发展，国内外研制了大量新型的星载、航空高光谱传感器及地面和岩芯光谱仪，遥感正向着高分辨率、高光谱、海量数据发展，遥感对地观测能力的不断加强使高光谱遥感技术的大规模应用成为可能。

遥感地面应用系统完成数据的接收、处理、管理和分发，是连接数据获取和应用的重要桥梁，可提供全天时、全天候、高分辨率的星-空-地一体化信息保障。

矿产资源调查是高光谱遥感最为广泛的地质应用领域，我国虽然研制了多台航空高光谱成像仪及一些星载载荷，并对高光谱数据预处理与应用处理技术进行了深入研究，但是尚没有一个面向矿产资源调查的“星-空-地”多源数据综合处理平台，如何实现“星-空-地”多源数据快速、准确、稳定的运营，是高光谱数据地质勘查系统建设中亟需解决的关键技术问题。

本文针对地质领域需求，对国内外卫星地面应用系统、航空高光谱载荷及地面应用系统、地面及岩芯光谱采集应用系统的现状和发展方向进行调研和分析，为后续我国自主高光谱小卫星的实际运营及地质应用打下良好的基础。

1 星载高光谱载荷研制及地面应用系统建设

星载高光谱载荷研制及其应用是高光谱遥感技术实现大规模应用的重要发展方向，但由于高光谱载荷研制经费高、技术要求复杂、在轨数量少等原因限制了星载高光谱遥感数据的大范围应用;由于高光谱载荷原因，相应的地面应用系统的建设也亟待发展，少有国家研制非常完善的地面应用系统。本文通过调研，总结了目前国内外星载高光谱载荷研制及地面应用系统研建的进展情况。

1.1 国外研究程度

国外星载高光谱遥感技术主要为欧美等发达国家所垄断，其中以美国发展最为领先，除了美国军方MightySat卫星搭载的FTHSI高光谱成像仪及应用系统，在民用领域于2000年发射了搭载有Hyperion高光谱传感器的EO-1卫星，并研建了相应的地面数据处理及应用系统。欧空局也于2001年发射了一颗搭载有高光谱传感器CHRIS的卫星Proba-1，该卫星强大的星上处理能力在一定程度上缩小了地面应用系统的规模。另外，澳大利亚、日本、俄罗斯以及印度等国家目前也正在积极进行星载高光谱卫星的规划和研制［1］。

1.1.1 强力星傅立叶高光谱成像光谱仪 (MightySatII-FTHSI)

美国空军研究实验室2000年7月19日在范登堡空军基地发射了一颗搭载首台空间平台傅立叶高光谱成像光谱仪 (FTHSI)的卫星MightySatII.1(见图1)。FTHSI覆盖475～1050 nm光谱范围。采用Sagnac干涉仪进行分光，光谱分辨率约85 cm-1。FTHSI也是第一台应用于空间对地观测的高光谱成像光谱仪。光学系统由有效口径为165 mm的R-C望远镜和Sagnac干涉仪组成。系统空间维F数3.4，光谱维F数5.3。FTHSI的主要系统参数见表1。

1.1.2 美国 EO-1卫星

地球观测卫星1号 (Earth Observation-1，EO-1)是美国国家航空与航天管理局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)在2000年11月发射的一颗面向21世纪的新型地球观测卫星 (见图2)，其轨道与Landsat 7基本相同。EO-1卫星上搭载了3种传感器，分别为高级陆地成像仪 (Advanced Land Imager，ALI)，高光谱成像光谱仪Hyperion以及大气校正仪 (Atmospheric Corrector，AC)。

图 1 MightySatII.1/FTHSI系统结构Fig.1 The figure of MightySatII.1/FTHSI system structure

表1 FTHSI设计性能与在轨性能对比Table 1 The designed performance of FTHSI and in-orbit performance comparison

图2 EO-1卫星飞行轨道及成像覆盖图示Fig.2 The flight track and cover area of EO-1

EO-1卫星的地面系统所完成的主要工作包括数据获取、数据存档与预处理、数据管理与分发以及最后的数据应用等4个部分 (见图3)。

1.1.3 欧空局PROBA-1卫星

在星载高光谱载荷方面，欧空局于2001年发射了一颗搭载CHRIS高光谱传感器的PROBA-1卫星，并研建了相应的地面处理应用系统。该星由于具有强大的星上处理功能，其地面系统得到了极大简化。

PROBA(Project for On-Board Autonomy)是欧空局于2001年10月22日发射的新一代微卫星，为太阳同步轨道，轨道高度615 km，倾角97.89°。星上搭载有3种传感器，分别为紧凑式高分辨率成像分光计CHRIS(Compact High Resolution Imaging Spectrometer)、辐射测量传感器 SREM(Radiation Measurement Sensor)、碎片测量传感器 DEBIE(Debris Measurement Sensor)。其中CHRIS作为一种成像装置，可实现同一地点5个不同角度成像，具有成像模式多、光谱范围宽、分辨率高等优点，不仅有利于生物量评估和生物健康状况的监测，而且对于植被或林地的冠层结构、密度、植被或林木种类识别方面也很有帮助。目前，世界上有56个科学团队正在准备使用CHRIS数据用于各种各样更为广泛的科学研究。

图3 EO-1地面应用系统组成Fig.3 The ground application system structure of EO-1

紧凑式高分辨率成像分光计CHRIS是一种高光谱成像仪，它以推扫方式获取可见光—近红外 (0.40～1.05μm)范围的光谱数据。CHRIS产品可以分为L0和L1两个级别，其中L0是比较原始的数据，用来生产L1产品，一般用户得到的为L1级产品，它只有HDF一种格式。CHRIS传感器获取数据的特征见表2。

表2 CHRIS影像的数据特征Table 2 The data feature of CHRIS images

PROBA卫星地面处理系统在结构设计上分为3个部分。第一是接收服务系统，主要负责下传数据的接收、归档 (地面站);第二是卫星控制系统，主要对卫星设备进行指令控制;第三是地面服务系统 (处理系统)，负责数据处理和存档以及产品生产和分发服务。

用户从系统获取的L1数据只是经过辐射定标和系统级几何校正的数据，还需要进行处理才能用于科学研究和应用。通常情况下，CHRIS L1级数据的处理方法与Hyperion数据的流程相似，包括坏线去除、辐射校正 (大气校正)以及几何校正等。

1.1.4 德国 EnMAP卫星

目前，德国正在研制一颗新型的高光谱遥感卫星［2］用于监测全球气候环境的变化，该星搭载了推扫型高光谱成像仪，其光谱覆盖范围和空间分辨率与Hyperion相近，但在扫描幅宽上比Hyperion有很大的提高，达到了30 km。该卫星结构见图4。

EnMAP地面系统包括卫星操控系统 (MOS)、载荷地面系统 (PGS)以及校正、处理与标准化系统 (PCV)3个部分 (见图5)，分别负责控制卫星，控制数据接收、处理、服务以及负责高光谱处理系统的开发。其任务计划和控制中心根据用户需求制定成像计划，并将任务通过地面站S波段传输给卫星，地面获取接收站利用X波段进行星上数据的接收，经数据处理、管理和备份，将用户所需的数据通过用户接口分发给用户。另外，德国地面处理部门也根据需要采用IDL语言研发了处理EnMAP高光谱数据的应用软件(见图6)。

图4 EnMAP卫星结构Fig.4 The structure of EnMAP

图5 EnMAP卫星地面处理系统图示Fig.5 The ground processing system of EnMAP

1.1.5 其他卫星及发展趋势

在高光谱星载载荷的研制方面，澳大利亚、日本和印度等国也在积极研究和发展高光谱遥感卫星及传感器，例如日本正在研制HSC系列小型号高光谱成像仪，而印度在2008年10月发射的欲求探测器上已经搭载了HySI可见光—近红外范围的高光谱成像仪用于测绘月球表面地貌。目前国外特别是欧美的高光谱成像技术发展已经完成了演示验证阶段，正在走向面向任务的业务化、商业化发展阶段。美国国家航天局JPL实验室负责的EO-1卫星Hyperion仪器在轨演示了星载高光谱成像光谱仪在矿产资源探测、环境监测、城市规划等方面的突出能力。通过EO-1-Hyperion以及机载AVIRIS的综合应用研究，目前美国产业界和军方均在着手星载高光谱成像光谱仪在商业化运作、军事侦察等方面的业务应用。欧空局以及俄罗斯在星载高光谱成像光谱仪研制与应用方面也给与了极大的关注［3～4］。

图6 基于IDL开发的EnMAP高光谱数据应用软件Fig.6 The application software of EnMap hyperspectral data based on IDL

1.2 国内研究进展

由于受到美国对我高新技术的封锁，国内星载高光谱传感器研制及地面应用系统建设在近几年才得到发展。目前我国在轨运行的搭载有高光谱成像仪的卫星只有HJ-1A星;2008年，中国国土资源航空物探遥感中心作为总体单位承担了国家“863”重点项目“宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究”，该重点项目的开展推进了目前国内高光谱载荷研制及地面应用系统建设。

1.2.1 HJ-1A星及其地面应用系统

HJ-1A星于2008年9月发射，它将和后续的卫星组成卫星星座，其上也搭载有一个高光谱成像仪。HJ-1A上搭载的高光谱成像仪为傅里叶干涉分光仪器，其光谱覆盖范围为0.45～0.95μm，波段数为110个，光谱分辨率达到了5 nm左右，但空间分辨率只有100 m，因此在地质矿物填图等应用上作用不是很大。

HJ-1A星的地面处理系统包括1个平台、7个分系统及1套标准规范，分别是公共平台、数据处理分系统、数据归档与信息管理分系统、任务与有效载荷管理分系统、数据分发分系统、数据模拟与评价分系统、应用示范与培训分系统、定标场分系统以及标准规范 (见图7)。该星地面系统的建设调研成果包含了系统的软硬件部分以及一套标准规范，与国外地面系统的调研成果相比更符合本项目系统研建的需要。

1.2.2 高光谱小卫星及地面试验系统

高光谱小卫星载荷由中国科学院上海技术物理研究所承担，前期的数据模拟、数据定标和预处理研究由北京航空航天大学承担，中国国土资源航空物探遥感中心和中国科学院电子学研究所等单位负责高光谱小卫星数据地面应用处理系统方案设计以及试验系统的研建，并开展相应的示范应用研究工作。

目前，上海技物所已经完成了高光谱小卫星原型样机的研制，北京航空航天大学，中国国土资源航空物探遥感中心也已完成相应的数据模拟、预处理及地面试验系统的研制，基本完成了国土资源高光谱卫星地面应用系统的研建工作。该卫星地面处理系统针对我国新一代星载高光谱卫星系统的载荷技术性能指标，集数据接收回放、数据编目存储、数据处理、数据分发、地质信息提取等功能为一体，主要面向国土资源应用部门。

图7 HJ-1A星地面处理系统结构Fig.7 The ground processing system structure of HJ-1A

该系统从功能上可划分为3大部分 (见图8):①高光谱数据接入部分，主要实现从地面站向本系统进行数据接入和转存;②高光谱数据处理部分，主要包含高光谱卫星下行数据到达地面系统后的快视、检索、处理、存储、管理、访问、发布等功能;③典型地质应用部分，是体现该系统针对国土资源应用需求的关键所在，包括矿产资源高光谱遥感探测、油气高光谱遥感探测和热红外高光谱遥感应用等3个典型应用子系统，生成高级数据产品。除了此3大主体功能外，还包括系统运行的支撑部分，主要有整个系统的资源管理和调度、产品分发和硬件环境等。

针对宽幅高光谱遥感数据特点及业务需求，国土资源高光谱卫星地面应用系统总体框架可以划分为4个层次，即支撑层、数据层、应用层和发布层 (见图9)。

综上所述，国土资源高光谱卫星地面应用系统由6大分系统 (高光谱遥感数据处理分系统、数据与数据库管理分系统、典型地物波谱库服务分系统、典型地质应用分系统、业务运行管理分系统以及用户服务与信息发布分系统)和1个计算机支撑平台 (硬件设备支撑平台及网络互联环境)组成。

1.2.3 高光谱成像仪及地面应用系统发展趋势

图8 国土资源高光谱卫星地面应用系统总体框架Fig.8 The overall framework for ground application system of land resource hyperspectral satellite

图9 国土资源高光谱卫星地面应用系统分层Fig.9 The layered construction for ground application system of land resource hyperspectral satellite

在高光谱成像仪器研制方面，国内其他单位也进行了相应的研究。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所也是较早从事高光谱成像光谱仪研制的单位，先后承担了多项高光谱成像光谱仪的研究任务;中国空间技术研究院北京机电技术研究所也对高光谱成像光谱仪进行了长期的研究工作，并且在多个预先研究项目中，对高光谱成像的多项关键技术进行了研究，建立了技术储备。而在星载高光谱数据地面应用系统建设方面，中国科学院电子学研究所和中国国土资源航空物探遥感中心等单位通过前期的研究，在系统设计和研建方面都积累了一定的技术经验，为后续工作打下了一定的基础。

目前国内星载高光谱传感器及地面应用系统的发展趋势为:①引进学习与自主创新相结合，进一步加强与国外先进技术的交流学习;②研制真正国产高光谱卫星和地面处理系统，实现高光谱遥感数据国产化，进一步推进遥感技术的产业化;③载荷研制部门、地面应用系统研制部门以及遥感应用部门加快联合协作，促进整个遥感事业的快速发展。

2 航空高光谱载荷研制及地面应用系统建设

航空高光谱载荷研制及其应用是高光谱遥感发展的基础，国外早在20世纪80年代便进行了航空高光谱传感器的研制和飞行试验。在航空高光谱载荷地面应用系统的建设方面，由于各种载荷和平台的差异性较大，国内外都只是针对特定载荷研发相应的地面应用系统，而缺乏一套针对多载荷的机载高光谱地面应用系统。

2.1 国外研究程度

自20世纪80年代初至今，美国已经发展了三代高光谱成像光谱仪，他们以雄厚的资金和先进的相关技术为支持，引领全球高光谱技术的发展。

美国国家航空与航天管理局 (NASA)和美国加州理工学院喷气推进实验室 (JPL)首先在实验室研制成功第一台机载航空成像光谱仪AIS-1(1982—1985年，128波段)，其后又发展为AIS-2(1985—1987年，128波段)，其光谱覆盖范围1.2～2.4μm，在美国内华达州Cuprite地区的应用中取得很好的效果。1987年美国又研发出第二代成像光谱仪，称航空可见光-近红外成像光谱仪 (AVIRIS)，有224个通道，光谱范围0.41～2.45μm，每个通道的波段宽约10 nm。在AVIRIS之后，基于采矿和石油工业的需求，美国地球物理环境研究公司 (GER)研制了一台64通道的高光谱分辨率扫描仪GERIS，其中63个通道为高光谱分辨率扫描仪，第64通道用于存储航空陀螺信息。第三代高光谱成像光谱仪为克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪FTHSI，适合在Cessna-206轻型飞机上使用。这些机载仪器的发展为后续星载仪器的发射奠定了基础［5］。

在地面处理、应用系统的建设方面，由于传感器和平台差异较大，数据处理的算法差异也较大。因此，目前成型的机载高光谱处理系统较少，都是针对各个载荷单独研发的数据处理系统。例如，机载高光谱成像仪 (AHI)隶属于DARPA下的高光谱地雷探测 (HMD)计划，是验证高光谱载荷在地雷探测方向应用潜力的传感器。目前，AHI已用于地雷探测、气体探测和地质填图等领域。AHI机载数据采集和处理系统可实现传感器控制、生成辐射定标系数、几何畸变预处理、实时辐射定标、近实时地雷探测、人机接口和数据记录。其数据采集系统通过光纤通道传送给后端的FPGA实现光谱合并，FPGA将合并后的数据传送给后端的4个SHARC DSP，以流水线模式实现辐射定标、主成分分析、目标探测和上位机数据传输，最终数据保存于RAID存储系统中。ARCHER整合了机载实时数据处理系统，实现数据获取和记录、辐射校正、目标探测、几何精校正、图像显示等功能，并包含一套地面处理系统，可进行飞行后数据的回放和精确分析。

2.2 国内研究进展

我国的成像光谱传感器研究也紧跟世界脚步，高光谱成像仪的发展经历了从多波段到成像光谱扫描，从光学机械扫描到面阵推扫的发展过程。在早期，根据我国海洋环境监测和森林探火的需求，研发了以红外和紫外波段以及以中波和长波红外为主体的航空专用扫描仪。20世纪80年代中期，面向地质矿产资源勘探，又研制了工作在短波红外光谱区间 (2.0～2.5μm)的6～8波段细分红外光谱扫描仪 (FIMS)和工作波段在8～12μm光谱范围的航空热红外多光谱扫描仪 (ATIMS)。在此基础上于20世纪80年代后期我国又研制和发展了新型模块化航空成像光谱仪MAIS(Modular Airborne Imaging Spectrometer)，这一成像光谱系统在可见—近红外—短波红外具有64波段，并可与6～8波段的热红外多光谱扫描仪集成使用，从而使其总波段达到70～72个。按时间先后来看，从20世纪80年代末开始，我国先后成功研制了多光谱扫描仪、红外细分光谱扫描仪 (FIMS)、热红外多光谱扫描仪(TIMS)、多光谱机载成像光谱仪MAIS、OMIS(Operational Modular Imaging Spectrometer)系统和推帚式高光谱成像仪PHI(Pushbroom Hyperspctral Imager)等传感器。MAIS传感器可获得71个光谱波段 (可见光到近红外32个，短波红外32个，另外还有7个热红外波段)，光谱分辨率达0.45μm，瞬时视场为3.0 mrad，视场约90°;而OMIS传感器有128个波段，可获得可见光到近红外以及中红外和热红外的数据，其IFOV为3.0 mrad，FOV大于70°。这一系列高光谱仪器的研制成功，为中国遥感科学家提供了新的技术手段。并且通过在我国西部干旱环境下的地质找矿试验，证明这一技术对各种矿物的识别以及矿化蚀变带的制图十分有利，成为地质研究和填图的有效工具。

在传感器的研制过程中，中国科学院上海技术物理研究所和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等单位承担了一系列成像光谱应用和技术研究项目，推动了高光谱遥感在国内的发展，为我国高光谱传感器的发展做出了巨大的贡献。20世纪90年代初，中科院上海技术物理研究所完成了MAIS新型模块化航空成像光谱仪实用化系统;自1995年起又研制了中国第一台244波段的推扫式超光谱成像仪 (PHI)，这使得我国在设备研制方面取得了长足的进展。该所研制出的推扫式高光谱成像仪 (PHI)及光机扫描型的实用模块化光谱仪(OMIS)在国内经过多次应用取得了较好效果;中科院长春光机所也在863项目的支持下，成功研制了C-HRIS(China-High Resolution Imaging Spectrometer)高分辨率成像光谱仪，将我国的成像光谱技术提高到了一个新高度，这些成绩也标志着中国在航空成像光谱仪研制中占有了一席之地。

在高光谱成像仪器研制方面，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所是较早从事此项研究的单位，先后承担了多项高光谱成像光谱仪的研制任务;中国空间技术研究院北京机电技术研究所也对高光谱成像的多项关键技术进行了长期的研究，建立了技术储备。

但在机载地面处理系统的研建方面，由于机载设备及其成像特点复杂，我国目前还没有一套成熟应用的地面处理及应用系统，这更对我们目前的工作提出了巨大的需求。由于本次计划项目的支持，相关研制单位将合作研制航空遥感地质勘查应用处理系统，为后续工作的开展奠定基础。

3 地面及岩芯光谱采集与应用

3.1 地面成像光谱仪及其应用

地面成像光谱仪在国外起步较早，并取得了诸多应用成果，其中有以线阵探测器为基础的光机扫描型，有以面阵探测器为基础的固态推扫型，也有面阵探测器加光机的并扫型。目前国外很多公司和研究机构专门从事这种设备的研制，如芬兰的Spectral Imaging Ltd.公司，美国的Resonon和Surface Optics Corporation公司等。国内目前只有中科院遥感应用研究所研制的地面成像光谱辐射测量系统 (Field Imaging Spectrometer System，FISS)。FISS通过地面测量既可获取测量目标的高分辨率图像 (空间分辨率可达厘米甚至毫米级)，又能获得图像上任意点的光谱曲线，提高了野外地面光谱测量的工作效率，又为目标的结构光谱分析、混合光谱分解和纯像元提取提供了更有利的信息数据。目前已经广泛应用于杂草识别、矿石成分监测等方面。

3.2 地面便携式光谱测量仪及其应用

地面光谱测量在高光谱遥感定量化应用中十分重要，主要通过地面光谱辐射计进行测量。国际上最常见的已商品化并应用于地质行业的地面光谱测量仪器是澳大利亚Integrated Spetronics公司生产的便携式近红外矿物分析仪PIMA(Portable Infrared Mineral Analyzer)，于20世纪90年代花费数百万美元研制开发。该仪器使用Windows系统下的定性测量和数据处理软件，可定性鉴定含水、羟基及某些硫酸盐和碳酸盐矿物;另外美国ASD公司生产的一系列便携式野外光谱仪在国内得到广泛应用。国内地面光谱测量仪主要有中科院安光所生产的ISI921VF0-256地物光谱仪，中科院遥感所和西安光机所也研制了一些地面光谱测量仪器，但在产业化推广中还没有形成较大规模［6～7］。

地面光谱测量仪在地表矿物、植被、土壤、水体等研究应用中得到了广泛应用，是高光谱遥感应用的重要支撑。“十五”期间南京地质调查研究所在国土资源部和江苏省科技厅的项目资助下成功研制了便携式近红外光谱仪和岩芯光谱测量仪，具有野外现场矿物成分分析、地质模型建立、光谱矿物填图、遥感地面定标校正等功能，已在地质行业成功应用。

“十一五”期间，南京地质调查中心还在地面光谱扫描仪的基础上，进一步研发了岩芯光谱扫描仪，目前也已经可以开展应用。

无论是地面光谱仪还是岩芯光谱扫描仪，都是高光谱遥感应用中的重要环节之一，需要与星载和机载高光谱数据协调共同使用。因此，需要建立一个能够处理多源数据的“星-空-地”一体化地质勘查高光谱遥感系统，才能将这些影像和光谱数据有机地结合，形成一个整体，充分发挥它们在地质应用中的作用。

4 结论

遥感地面应用系统一般要具有数据接收、数据预处理、数据分析、产品分发、运行控制以及应用示范等功能。遥感数据的效益主要通过地面应用系统体现。由于高光谱数据波段多，都是海量数据，数据预处理和其他处理等算法复杂、运算量巨大，制约了高光谱遥感的大规模应用。

通过对国内外已有的星载、航空及地面岩芯应用系统的调研和总结不难发现，中国与国际先进水平仍存在一定差距。目前中国并没有专门针对地质应用的卫星地面应用系统，同时缺乏能够处理多源数据的星空地一体化地面应用平台，而基于单线程计算的数据预处理软件无法满足业务化运行时海量数据处理的能力需求。因此，我国需要自主研发星空地一体化的、能够处理海量、多源遥感数据的地面应用系统，为对地观测数据的高精度获取、处理和分析提供统一的处理应用平台，促进高光谱遥感在地质上的大规模应用，为广大遥感地质用户提供基本数据资料及有针对性的遥感技术方法。

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