天宫一号高光谱数据的陆地应用

覃帮勇，刘志文，李盛阳

(1.中国科学院空间应用工程与技术中心,北京100094；2.中国科学院太空应用重点实验室,北京100094)

1 引言

天宫一号目标飞行器于2011年9月29日在酒泉卫星发射中心成功发射,于2016年3月结束在轨运行,在轨稳定运行1630天,在轨期间完成了与神舟八号、九号、十号等三艘飞船的交会对接实验任务,搭载的先进高光谱成像仪工作正常、稳定,具有同时对同一目标进行多个谱段的综合对地观测信息获取能力。高光谱成像仪包含可见光全色、可见近红外、短波红外和热红外谱段,高光谱成像仪的数据类型及应用指标如表1所示。

天宫一号高光谱成像仪的空间分辨率和光谱分辨率综合指标在国内外星载高光谱仪中处于先进水平,与美国的MODIS、Hyperion,欧洲的MERIS、CHRIS,国内的HJ-1 A相比,在谱段范围、波段数目、空间分辨率、光谱分辨率等方面具有突出优势［1-2］。天宫一号高光谱成像仪具有对地物精细特征的成像探测能力,在地物精细分类与识别方面具有重要的应用价值。在轨运行以来,获取了大量的高质量对地观测数据,丰富了中国高光谱遥感数据源,该数据已在海洋、林业、国土资源、城市环境监测、水文生态监测等众多领域开展了应用研究,取得了较好的应用成果［3-4］。

表1 天宫一号高光谱成像仪数据应用指标［1］Table 1 The data application parameters of Tiangong-1 hyperspectral imager［1］

本文主要介绍天宫一号高光谱成像仪数据在国土资源调查、土地变化监测、林业应用和应急灾害监测等陆地方面的应用情况,以期为国产高光谱数据的应用和后续同类型载荷的研制提供经验参考。

2 国土资源调查中的应用

天宫一号高光谱数据在空间分辨率、波谱范围和光谱分辨率等成像参数上具有相当优势,已在矿物分布调查和油气探测等国土资源调查中进行了相关应用。其中,短波红外数据应用于矿物分布调查及油气探测,这在国内航天高光谱数据中尚属首次［4］。该方面的应用成果可以为我国矿产及油气资源的高效勘测及合理开发利用提供有效的决策信息。

2.1 矿物分布调查

由于高光谱遥感具有波段多、波段宽度窄等不同于多光谱遥感的特性,使之能够反映出多种矿物和岩石的诊断性光谱特征。自20世纪80年代起,高光谱数据已于矿产资源调查等方面广泛应用［5］。天宫一号的高光谱成像仪具有“图谱合一”的特点,可同时获取地表高光谱的空间信息和波谱信息［6-7］,在矿产资源分布调查中具有较好的应用前景。

中国国土资源航空物探遥感中心闫柏琨等利用天宫一号高光谱短波红外谱段数据提取了与成矿作用密切相关的矿物信息,针对我国西部裸露区域重点成矿带以及青藏高原上的斑岩型成矿带远景区进行矿物分布调查研究［8］。结果表明天宫一号高光谱数据可识别含Fe3+等离子的矿物种类,并可半定量估算其含量以及某些矿物晶格中的类质同像替换［8］。

图1为新疆星星峡局部的矿物分布图,从图中可以看出,该地区矿物类别以白云母和角闪石为主,白云石、方解石和绿泥石相对较少；根据铝元素的丰度高低,白云母可进一步划分为富铝、中铝和贫铝三类。

长安大学的刘磊等利用空间光谱端元提取模型结合光谱角制图法(SSEE-SAM)首次系统开展了天宫一号高光谱影像矿化蚀变信息提取能力评价,通过将提取结果与航空高光谱SASI影像结果进行对比,天宫一号高光谱数据具有对白云母、高岭土、绿泥石、绿帘石、方解石、白云石等主要蚀变矿物的识别能力［10］。

天宫一号高光谱数据能够为矿物调查提供支撑信息,为圈定成矿有利区提供参考,服务我国矿物资源开发利用。

2.2 油气探测研究

利用高光谱遥感找油,主要是利用遥感影像信息提取等技术,挖掘出遥感影像的蚀变信息,圈定或预测有利的油气勤探靶区［11］。天宫一号高光谱成像仪可以为油气、天然气等资源探测提供数据和信息支撑。

中国科学院遥感与数字地球所张艮中等针对天宫一号高光谱数据,提出了一种基于波段相关检测的蚀变信息提取方法,并利用该方法成功提取了青海祁连山地区天宫一号高光谱数据中的Al-OH矿物蚀变异常及4种蚀变矿物,展示了天宫一号高光谱数据在地质矿产资源调查方面的应用潜力［12］。

中国国土资源航空物探遥感中心的杨达昌等利用天宫一号高光谱数据,对甘肃庆阳地区进行油气微渗漏信息提取研究［13］。提取了粘土矿物蚀变、二价铁离子蚀变、烃类蚀变异常等烃类微渗漏信息,最终通过综合分析,确定潜在油气藏区域,提取的分布信息与已有地质分析结果有较好的一致性［13］。

天宫一号高光谱数据具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,能够对油气蚀变信息进行精确提取,在油气资源调查应用中显示出明显的优势,增强了我国在油气资源调查方面的监测手段。

3 土地监测中的应用

及时掌握土地利用的基本状况,从而合理使用和保护十分重要。然而,传统的统计或实地调查方式,由于空间定位不准确、不稳定和不统一而导致数据的可信度低［14］,利用遥感的手段能够直观、及时、准确地了解土地资源利用信息。

3.1 土地利用变化监测

近年来随着全球人口的不断增加、经济的不断发展,土地利用变化成为影响全球环境变化的一个重要原因,及时掌握土地利用变化信息,对于土地的可持续化利用具有重要意义。遥感技术以其快速、准确等优点在土地利用变化的动态监测中显示出明显的优势［14］。

中国科学院遥感与数字地球研究所胡勇等利用2013年获取的黄河入海口地区天宫一号高光谱数据,开展了湿地土地利用情况监测,并将结果与TM影像结果进行了比较［15］。因高光谱成像仪数据具有更高的光谱分辨率和空间分辨率,能记录更多不同地物类型之间的差异信息,因此更容易识别较小的地物。

中国科学院遥感与数字地球研究所刘良云等利用2013年5月的天宫一号高光谱数据,以及1990年的 Landsat 5 TM、2002年的 Landsat 7 ETM+、2007年的Landsat 5 TM等多时相多光谱数据,开展了长时间序列北京市通州区局部土地覆盖变化监测,通过地物精细分析,提取了林地、建设用地、水体、植被、农田和裸地等地物信息,得到二十年时间尺度的研究区的土地覆盖与变化情况。其中,2013年5月的土地覆盖分类结果如图2所示。从图中可以看出,2013年5月该地区建设用地占所有面积的50%以上,水体和裸土面积较小,其余部分为植被、林地和农田。

长时间序列土地利用与变化监测,能够为辅助城市环境监管、合理规划土地开发、服务地方经济发展等提供重要技术支持。

3.2 土壤重金属污染调查

中国矿业大学(徐州)谭琨等利用江苏省徐州市部分地区天宫一号高光谱数据(获取于2015年1月11日)和地面实测数据,分析了反射光谱特征与对应土壤采样点重金属含量的关系,提取高光谱数据中的重金属污染特征波段,建立了农作物土壤重金属污染等级评价体系［16］。重金属污染监测结果对研究区污染控制、风险评估、土地利用规划以及政府决策等,具有重要理论和实用价值。

3.3 城市热环境研究

利用热红外遥感可以得到大范围的地表温度面状信息,与传统的地表温度测量方式相比,具有快速、覆盖面广、信息连续等特点［17］。

中国科学院遥感与数字地球研究所厉华等采用2012年2月3日9时、2012年3月6日14时、2012年5月18日7时和2013年2月23日16时4个时相获取的天宫一号高光谱热红外数据对北京市二环内区域进行地表温度反演,并进行了城市热岛效应研究［18］。经验证,温度反演结果与实测数据间的均方根误差为2.72 K,说明天宫一号高光谱热红外谱段数据反演的地表温度具有较高的精度,能够满足大多数应用城市热环境研究的需求。

4 林业中的应用

高光谱遥感技术具有丰富的光谱信息优势,为科学和快速进行森林资源管理提供了新的技术手段。国内相关应用单位利用天宫一号高光谱数据在森林精细分类、森林覆盖变化、生物量反演和荒漠化评价等方面开展了大量应用工作。促进了我国自主遥感器在林业监测业务的应用,为我国后续资源环境卫星和林业行业卫星的参数设置和应用提供参考［19］。

4.1 森林精细分类

对低分辨率遥感数据难以区分的森林树种,天宫一号高光谱数据能细分出树种的不同亚种和不同生长周期［20］。

中国林业科学研究院资源信息研究所范应龙等选取云南省宁蒗彝族自治县区域作为研究区,对2012年3月获取的天宫一号高光谱数据进行分类,并利用样本对分类精度进行验证［20］,分类结果如图3所示。研究区被分为云、阴影、裸地、荒山荒地、居民建设用地、水体、矿点、农田、云南松、核桃、梨树、桤树、刺青、车桑子、栎树和桉树,其中栎树按不同生长周期分为栎树和萌生栎,桉树按亚种分为蓝桉和史密斯桉树,总体分类精度为82.17%［20］。

实验结果表明：天宫一号为中国林业遥感应用提供了宝贵的数据,在提取森林资源分布信息,反映植被分布情况等方面有重要意义。

4.2 森林覆盖变化监测

森林在生长演替过程中,由于不断地受到人为或自然因素的干扰,森林覆盖面积及结构发生变化,往往会引起地物反射光谱特性的改变。

中国林业科学研究院资源信息研究所庞勇等利用2008年、2010年的 Landsat ETM+数据与2012年天宫一号高光谱可见近红外数据,监测了云南省西双版纳局部林区的森林覆盖变化,分析森林减少和恢复情况［21］。经过与地面实际调查数据比较,监测结果准确客观地反映了森林分布与变化情况,尤其较好地反映了近期发生的森林扰动,包括森林采伐导致的森林减少和再造林引起的森林增加等。

4.3 植被量估测

区域植被量估测是一个复杂的过程,传统方法难以对大范围的植被量进行估测,利用高光谱遥感技术可以大大提高估测的效率和精度。

中国林业科学研究院资源信息研究所吴俊君等利用2012年4月获取的天宫一号高光谱数据开展了内蒙古苏尼特右旗部分地区的荒漠化地区稀疏植被参量估测［22］,结合野外实地调查数据,通过土壤调节植被指数对研究区内的植被覆盖度和生物量进行反演,并在此基础上构建了指数与覆盖度、生物量之间的线性回归模型,最大相关系数可到 0.8［22］。

结果表明：天宫一号高光谱数据丰富的光谱信息能有效地反映地表植被的真实情况,具有较好的植被量估测潜力。

4.4 荒漠化监测

荒漠化不仅对于我国西北乃北方地区的气候造成直接影响,同时也是制约经济发展的极大障碍,开展荒漠化监测对科学制订荒漠化区域开发和保护措施有指导意义。

中国科学院遥感与数字地球研究所刘良云等以内蒙古锡林浩特苏尼特右旗南部为研究区,利用2012年7月获取的天宫一号高光谱数据,通过计算植被指数对荒漠化地区的稀疏植被覆盖度进行了估测［23］,结果如图4所示。图中,红色区域表示植被覆盖度高,蓝色和绿色区域的植被覆盖度较低,黄色区域的植被覆盖度介于两者之间。

刘良云等采用非监督分类的方法对2012年4月获取的天宫一号高光谱数据青海柴达木盆地附近地类进行荒漠化分类,经过分类后处理、分类重编码,最终合并为重度盐碱地、中度盐碱地、轻度盐碱地、沼泽地、沙地、滩地六类［23］。该分布结果对科学制订荒漠化区域开发和保护措施有指导意义。

5 灾害监测中的应用

相比业务卫星只能按照固定的轨道及重访周期绕地飞行,天宫一号可按需进行侧摆和变轨观测［1］,更加灵活地获取数据,在对突发灾害的应急响应观测中具有突出的优势。天宫一号地面系统针对应急灾害迅速启动应急响应预案,及时调整观测计划,针对受灾区获取并处理生成有效的影像数据产品,为应急救灾和灾后评估提供有效的决策支持信息。

5.1 火灾应急监测

2013年10月17日开始,澳大利亚新南威尔士州遭受了当地历史上最严重的森林火灾,造成了巨大的经济损失［24］。中国科学院空间应用工程与技术中心(以下简称：空间应用中心)充分发挥天宫一号高光谱成像仪的优势,自2013年10月25日起持续一周开展了澳大利亚新南维尔士州森林大火应急监测,判别火灾点区域范围1次,确认重大火灾隐患点2处。监测结果如图5所示。

图中红色、黄色和白色线条分别为2013年10月20日、10月24日及10月27日三个时期大火燃烧的范围,大火处于不断扩大的趋势。在整个监测过程中,利用高光谱短波红外及热红外谱段数据判别火灾点区域范围1次,确认重大火灾隐患点2处,为火灾点的确认和定位发挥了重要作用［25-26］。

5.2 水灾应急监测

2013年10月上旬,受台风“菲特”影响,浙江余姚市遭受近60年来最严重水灾。10月11日天宫一号高光谱成像仪获取到该区域高光谱热红外谱段影像,经过民政部国家减灾中心分析解译发现,余姚主城区淹没范围超过55%,城市内涝严重,大部分街道被淹没。其他区域如东江、中江、西江、姚江低洼区,以及胜归山公园周边地区也受灾严重。通过对余姚水灾进行应急监测与数据处理,为洪水灾害遥感监测与灾情评估提供了有效支持［27］。

5.3 地震应急监测

2014年8月3日,云南鲁甸地区遭受了严重的地震灾害,震级达到6.5级,震源深度为12 km,造成了六百多人死亡,大量房屋倒塌。8月17日,云南永善县发生了5.0级地震,造成了20人受伤,民房、交通等基础设施不同程度受到损害［28］。地震发生后,空间应用中心迅速启动了针对突发灾害事件的应急响应预案,及时获取了云南鲁甸、永善附近的高质量高光谱数据［27］。空间应用中心快速接收、处理生产数据产品后,向民政部国家减灾中心、中国地震局地壳应力研究所等单位,提供了观测数据及震区高光谱历史存档数据。用户单位根据天宫一号高光谱数据产品开展了地震灾害分析与评估,解译了山体滑坡分布、公路受损情况等,为有关部门开展震后救援提供参考依据。

6 总结

天宫一号搭载的高光谱成像仪是我国首台航天高分辨率高光谱成像仪,在轨期间获取了大量有价值遥感数据,已在国土资源调查、土地变化监测、林业应用和应急灾害监测等陆地应用方面的取得了显著成果,为我国地球环境监测工作提供了宝贵的数据。目前天宫一号高光谱成像仪的存

档数据仍然具有很高的科研及应用价值。天宫一号高光谱成像仪将为国产高光谱数据的应用和后续同类型载荷的研发提供宝贵的经验和参考作用。

致谢：感谢载人航天工程提供天宫一号高光谱成像仪数据产品。数据查询网站“载人航天空间应用数据推广服务平台”（http：//www.msadc.cn）。