高光谱遥感卫星如何识别地面物体

2021 年9 月7 日11 时01 分，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙遥四十运载火箭成功发射高光谱观测卫星。该卫星的使命是对我国大气、水体、陆地环境进行高光谱观测。

作为遥感技术的前沿领域，高光谱遥感对于很多人来说仍然是个比较“遥远”的专业名词。其实，高光谱的含义并不神秘。高光谱观测卫星副总设计师李云端和江苏省农业科学院信息中心遥感大数据方向负责人毛星对此做出了相关的科普。

原来，高光谱遥感就像一只“眼睛”，只是它探测的光谱范围比人眼宽得多，也精细得多。而地面上的每种物体都有自己独特的光谱特征，就像“指纹”一样，专家通过高光谱遥感卫星获得的光谱信息就能识别出地物成分。

可以识别“指纹”的“天眼”

在高光谱观测卫星上，一共装载着七台遥感仪器，包含两台陆表成像仪与五台大气成分探测仪，探测谱段覆盖了从紫外到长波红外谱段，采用高光谱及高精度偏振等多种手段，获取大气和地表的空间几何、辐射、光谱和偏振等多种信息。

之所以说高光谱观测卫星就像“眼睛”，是因为卫星和人眼一样，都是通过获取光谱来采集信息的。但是，人眼的观测范围十分有限，仅限于对可见光频率范围内的观测，而高光谱观测卫星的“可见”范围要广得多。毛星介绍说，遥感仪器除了探测可见光到短波红外，还可以探测紫外、中红外和热红外等波段。如果把高光谱设备比作一台相机，它的功能就是可以在每个光谱波段拍一张照片，比如有的传感器在400 ～2500 纳米范围内有330 个光谱通道，就意味着，它一次能拍摄同一个区域的330 张照片。

李云端以卫星上搭载的七台遥感仪器为例进行了深入解读：“卫星上搭载的可见短波红外高光谱相机可以在可见光到短波红外范围内连续光谱成像，它探测的光谱范围比人眼宽得多，也精细得多。它可精细识别各种地物，可以应用于生态环境监测、水体环境监测、地质找矿等领域。卫星上的另外六台载荷也很有特点，如全谱段光谱成像仪能获取中长波红外谱段的地物辐射信息，精确探测地物温度和干旱等情况。大气痕量气体差分吸收光谱仪可以获取紫外到可见光的高光谱信息，探测大气中二氧化氮等污染气体，这种大气中二氧化氮的浓度大概为10ppb 量级（ppb 为十亿分之一），探测精度必须要求很高。多角度偏振成像仪和高精度偏振成像仪两台仪器对大气联合探测，可以监测全球大气细颗粒物污染（PM2.5/PM10）情况。温室气体监测仪可以同时探测大气中的二氧化碳和甲烷。吸收性气溶胶探测仪可以在有薄云的情况下高分辨率探测雾霾分布。”

卫星收集到大气和地表的光谱信息，包含了各种目标地物的光谱特征，这些地物都有自己独特的光谱特征，就像人的指纹一样，而科学家就可以利用这些光谱信息识别出地物成分。

先进技术解决遮挡、混叠问题

我们可以将地物的光谱特征比作指纹，但现实当中的指纹识别是存在模糊、混淆等问题的，高光谱观测卫星会不会遇到这个问题呢？毛星表示，在高光谱观测的实际应用中很容易存在异物同谱和同物异谱的现象，例如树和草地的光谱曲线有时看起来就是差不多的，同一棵树从两个位置观测得出的光谱曲线也可能存在差异。实际应用当中，为避免以上这两种情况，科学家不仅会利用物体的光谱信息，还要结合物体的空间位置信息来进行区分。

除了异物同谱和同物异谱等问题，李云端介绍说，当高光谱仪器的一个像元中观测到多种物质时，会出现光谱混叠的现象。科学家依靠成熟的算法解开混叠，该算法可以根据不同成分对光谱的影响程度，计算出不同成分的含量。此外，科学家们还在研发新一代高光谱成像仪，以进一步提高成像仪的空间分辨率，使获取的光谱“更纯”，一定程度上减少光谱混叠。

光谱识别的困难可以依靠算法解决，听起来同样难办的“物理遮挡”也有先进仪器和算法来专门对付。对于云层造成的阻碍，李云端解读说，云层确实会阻挡可见光和红外观测地表，但高光谱观测卫星上的吸收性气溶胶探测仪可以通过紫外线透过薄云观测雾霾和吸收性气溶胶的分布情况。毛星补充说，高光谱观测除了传统的去云技术，也有研究在用一些深度学习技术去还原云层遮挡部分。

而对植被，作为农业科学院的研究人员，毛星表示，植被一般是研究目标或者背景地物，不是干扰项。李云端提醒，生态环境、农业和林草等用户都需要直接观测植物，因此它本身就是重要的观测目标。在需要观测地表时，植被确实会造成阻碍，但植物会吸收土壤中的成分，不同成分的土壤会改变植物叶子的光谱曲线。比如，已有文献表明植物叶子的光谱曲线与地下的油气资源有较强的相关性。

用好数据是最后一关

2021 年7 月，国家国防科技工业局重大专项工程中心的工作人员曾解读高分专项和具体应用之间的关系：“打个比方来说，我们提供的高分数据就像是食材，各个机构开发出的具体应用就像是菜肴。我们的期望就是政府部门和社会力量能把数据用好，把这道菜做好。”在得到“生食材”观测数据之后，科学家和技术人员还需将其进行处理、分析，才能形成有价值的“佳肴”研究成果。

李云端解读说，获取数据后还有很多工作，不同类型遥感仪器的处理也不一样。总的来说，分析流程可以分为数据处理和生成产品两大部分，地面系统负责进行数据处理，各用户完成产品生成工作。而地面处理主要包括辐射定标、光谱定标、几何定位等工作，有的干涉型载荷还需要进行谱复原等处理。在这个基础上，用户可以利用卫星数据生成七十多种产品。

作为高分数据的用户之一，毛星表示，高光谱遥感在农业应用中十分广泛，可以用于农作物估产、长势监测、病虫害识别、农作物精细分类、杂草识别等工作。李云端介绍说，除农业领域以外，卫星也将为国内各行业用户提供亟须的高精度、高光谱遥感数据，包括我国环境的综合监测和监管，以及自然资源勘查、防灾减灾、林业资源清查、气候变化研究等领域。

此外，高光谱观测卫星有个值得一提的功能——它是我国目前唯一可用于大气污染气体探测的有效载荷，可单日覆盖全球污染气体监测，服务于我国“大气污染防治”及“臭氧和PM2.5 协同探测”等国家战略。大气主要温室气体监测仪（GMI）可实现1 ～4ppm 的二氧化碳探测和30ppb 的甲烷探测，让碳排放无所遁形，为我国“碳达峰与碳中和”战略提供重要支撑。