高光譜遙感帶你穿云透霧火眼金睛

   在電影《地雷戰(zhàn)》中有一個情景：民兵埋地雷的時候，用樹枝進行掩蓋，讓埋藏地雷的地方看起來和周圍一樣;還有的干脆把鞋脫了，輕輕地壓一個鞋印，以迷惑敵人。但是在今天，這種偽裝就一點用也沒有了，高光譜遙感技術能將一個個地雷精確地找到?！　　　≡?016年度中國遙感領域10大事件評選中，“遙感技術首次輔助城市黑臭水體整治工作取得實效”名列榜首。而這與高光譜遙感技術有很密切的聯(lián)系。　　　　那么，高光譜遙感技術到底是怎么回事兒？高光譜分辨率遙感是用很窄而連續(xù)的光譜通道對地物持續(xù)遙感成像的技術。在可見光到短波紅外波段其光譜分辨率高達納米(nm)數(shù)量級，通常具有波段多的特點，光譜通道數(shù)多達數(shù)十甚至數(shù)百個以上，而且各光譜通道間往往是連續(xù)的，因此高光譜遙感又通常被稱為成像光譜遙感?！　　　≡陔娪啊兜乩讘?zhàn)》中有一個情景：民兵埋地雷的時候，用樹枝進行掩蓋，讓埋藏地雷的地方看起來和周圍一樣;還有的干脆把鞋脫了，輕輕地壓一個鞋印，以迷惑敵人。但是在今天，這種偽裝就一點用也沒有了，高光譜遙感技術能將一個個地雷精確地找到?！　　　?.光譜：物體獨一的身份證　　　　遙感可以概括為借助光、熱、無線電波等電磁能量來探測地物特性的科學。在20世紀60年代之前，人類對地球和宇宙的觀測還主要以可見光為主?！　　　∪藗內粘Ｉ钪兴姷墓猓怯啥喾N顏色構成的復色光，通過棱鏡等分光后顯現(xiàn)的是單色光。這些單色光按不同波長(或頻率)大小依次排列形成的圖案，就是光譜。地球上不同的元素及其化合物，由于物質組成、結構等不同，都有不同的光譜特征。這些獨特的光譜特性，類似于人類指紋的功能，是遙感科學中用以識別和分析不同物體特征的一種重要的“身份證”。　　　　高光譜遙感實際上是一種簡稱，它的全稱叫“高光譜分辨率遙感”。它不像多光譜遙感中根據(jù)顏色的差異來分辨目標，而是根據(jù)譜段光譜曲線的形態(tài)來分析目標是什么。光譜分析是人類借助光認知世界的重要方式。如果說肉眼光學成像能看到物質的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質的成分信息?！　　　?jù)中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所張兵研究員介紹，高光譜遙感能在可見光到短波紅外范圍內連續(xù)光譜成像，不僅光譜探測范圍超過了肉眼的感知，還能連續(xù)記錄數(shù)百個光譜波段。因此，用肉眼甚至普通的光學遙感不能識別的地面物體，這項技術都能夠更好地分辨出其內在的物理、化學特性，甚至是物質的分子和原子結構?！　　　∪绻f彩色合成遙感圖像主要是根據(jù)顏色和形態(tài)的差異來分辨地面物體，那么高光譜遙感則是根據(jù)光譜曲線的形態(tài)來識別地面物體。它利用成像光譜儀在連續(xù)的幾十個甚至幾百個光譜通道獲取地物輻射信息，在取得地物空間圖像同時，每個像元都能夠得到一條包含地物診斷性光譜特征的連續(xù)光譜曲線。張兵舉例說：“在數(shù)百公里高度運行的高光譜衛(wèi)星，不僅能觀測到地面覆蓋的是不是植被，還能探知這些植被的具體種類和長勢如何。”　　　　高光譜遙感的出現(xiàn)，是遙感領域的一場革命，使本來在寬波段遙感中不可探測的物質，在高光譜遙感中能被探測。　　　　2.“火眼金睛”怎樣煉成　　　　上文提到的埋藏的地雷是如何被高光譜遙感技術輕易發(fā)現(xiàn)的呢？因為土壤被挖開后再回填回去，土壤的結構、水分都改變了，高光譜遙感技術就是根據(jù)這種細微的土質變化，發(fā)現(xiàn)了地雷的藏身處。在阿富汗戰(zhàn)爭期間，美軍利用高光譜遙感儀器，可以探測出塔利班武裝晚上經(jīng)常走的道路。高光譜遙感技術還可以發(fā)現(xiàn)隱蔽的哨所、坦克，偽裝起來的軍事設施。　　　　當前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理存在作物營養(yǎng)和病蟲害等農(nóng)情信息大面積監(jiān)測不及時、監(jiān)測水平以定性為主、監(jiān)測精度無法實現(xiàn)定量的精準變量肥水藥管理等難題。高光譜遙感技術可以對任何一種農(nóng)作物的品種、類型、種植面積等情況進行調查，甚至可以對農(nóng)作物的葉綠素、氮磷鉀含量進行分析，為相關決策提供科學依據(jù)。中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所黃文江帶領的植被定量遙感研究團隊，開展的即是這一工作?！　　　「吖庾V遙感技術還可以為地質學家提供幫助。以前，地質學家野外考察時，背著包、拿著羅盤，需要花很大氣力把采集到的礦物標本一一背回來進行研究。而自從有了高光譜儀器，他們只要到一個地方用高光譜儀器掃描一下，就可以獲得巖石的一條光譜曲線，從野外回來后根據(jù)光譜曲線進行分析，可以知道這個地方礦物分布種類以及區(qū)域?！　　　〗陙恚上窆庾V技術也逐漸滲透進了各種非傳統(tǒng)遙感行業(yè)，比如在醫(yī)學、生物、刑偵、考古、文物保護等領域開展了廣泛的探索性應用。2006年中科院成功研制了國內首套擺掃式地面成像光譜儀，并與故宮博物院等單位合作在古畫、唐卡、壁畫、墨書等文物的識別和鑒別方面取得了開創(chuàng)性成果。光譜分析技術與智能手機的融合誕生了面向普通民眾的高光譜應用，借助于嵌入到智能手機里的光譜儀，人們能夠隨時隨地用手機快速檢測果蔬農(nóng)藥殘留和食品品質安全等信息?！　　　?.水質監(jiān)測領域大有可為　　　　當前，全國城市黑臭水體的篩查、治理過程監(jiān)督和整治效果評價，都迫切需要遙感大范圍動態(tài)監(jiān)測提供科技支撐，但黑臭水體遙感監(jiān)測的有關研究幾乎為空白。高光譜遙感技術可以對不同污染程度和不同污染來源的黑臭水體進行區(qū)分?！　　　≈袊茖W院遙感與數(shù)字地球研究所水環(huán)境遙感研究團隊在北京等城市開展了十余次黑臭水體野外實驗，積累了141個黑臭采樣點的實測遙感反射率等數(shù)據(jù)。基于黑臭水體和一般水體的反射率細微的光譜差異，發(fā)展了決策分類樹，可以區(qū)分一般水體、三種類型的輕度黑臭水體和七種類型的重度黑臭水體。并發(fā)展了基于純度算法的多光譜遙感識別算法，可以識別一種類型的重度黑臭水體，識別精度約90%?；谶@一方法，作為參研單位之一，進行了13個城市黑臭水體遙感篩查與實地驗證?！　　　±酶吖庾V數(shù)據(jù)對內陸水質開展水華和水生高等植物的識別，從而對水質分布情況進行監(jiān)測，也是高光譜遙感的重要應用。由于水草和水華光譜與植被光譜具有一定的相似性，常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)很難精確識別水華和水草，只有高光譜遙感數(shù)據(jù)才能夠捕捉復雜多變的水華、水草和水體細致的光譜差異，從而對水華和水草進行精確識別。水環(huán)境遙感研究團隊利用高光譜遙感技術等構建了水體葉綠素a濃度、總懸浮物濃度、水色FU值等9種水質參數(shù)、19個反演模型。其中，針對渾濁水體的懸浮物濃度精度提高了19.7%;研發(fā)了國內首個在國家級和省級環(huán)保部門業(yè)務化運行的內陸水環(huán)境遙感系統(tǒng)，為環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應用中心等部門開展水環(huán)境遙感應用提供了有力支撐?！　　　「吖庾V遙感技術起源于20世紀80年代，已形成了一個頗具特色的前沿領域。我國高光譜遙感的起步和發(fā)展基本與國際同步，在開創(chuàng)初期，中科院童慶禧院士和薛永祺院士為此做出了重大貢獻。　　　　1989年，中科院研制了我國第一臺模塊化航空成像光譜儀，并在20世紀90年代又陸續(xù)研發(fā)了推帚式成像光譜儀、新型模塊化成像光譜儀、輕型高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀等。2002年“神舟三號”搭載了我國第一臺航天成像光譜儀，此后我國發(fā)射的“嫦娥1號”探月衛(wèi)星、環(huán)境與減災小衛(wèi)星(HJ-1)星座、風云氣象衛(wèi)星等也都搭載了航天成像光譜儀?！　　　∥覈母吖庾V遙感科技發(fā)展一直處于國際前列，中科院自主研發(fā)的高光譜圖像處理與分析通用軟件系統(tǒng)(HIPAS)被國際同行評為國際六大頂尖高光譜圖像處理軟件之一，并在高光譜遙感應用方面實現(xiàn)了向美、日、澳等發(fā)達國家的技術輸出，成果在國際上產(chǎn)生了重大影響?！　　　∧壳埃吖庾V遙感技術和應用在中國科學院逐漸形成了一個成熟的研究方向和學科領域，具有一支從技術發(fā)展到應用研究的專業(yè)科研隊伍。其中，以遙感與數(shù)字地球研究所張兵、張立福研究員和童慶禧院士為突出貢獻者的“高光譜遙感研究集體”獲得了2016年度中國科學院杰出科技成就獎?！　　　【庉孅c評　　　　最近幾十年，隨著空間技術、計算機技術、傳感器技術等與遙感密切相關學科技術的飛速發(fā)展，遙感正在進入一個以高光譜遙感技術為主要標志的時代?！　　?/span>