天上的“眼睛” 這樣看清地面物體的“指紋”
遙感儀器除了探測(cè)可見(jiàn)光到短波紅外，還可以探測(cè)紫外、中紅外和熱紅外等波段。如果把高光譜設(shè)備比作一臺(tái)相機(jī)，它的功能就是可以在每個(gè)光譜波段拍一張照片，比如有的傳感器在400—2500納米范圍內(nèi)有330個(gè)光譜通道，就意味著，它一次能拍攝同一個(gè)區(qū)域的330張照片。
9月7日11時(shí)01分，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征四號(hào)丙遙四十運(yùn)載火箭成功發(fā)射高光譜觀測(cè)衛(wèi)星。該衛(wèi)星的使命是對(duì)我國(guó)大氣、水體、陸地環(huán)境進(jìn)行高光譜觀測(cè)。
作為遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域，高光譜遙感對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)仍然是個(gè)比較“遙遠(yuǎn)”的專業(yè)名詞。其實(shí)，高光譜的含義并不神秘。在接受科技日?qǐng)?bào)記者專訪時(shí)，高光譜觀測(cè)衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師李云端和江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息中心遙感大數(shù)據(jù)方向負(fù)責(zé)人毛星做出了相關(guān)的科普。
原來(lái)，高光譜遙感就像一只“眼睛”，只是它探測(cè)的光譜范圍比人眼寬得多，也精細(xì)得多。而地面上的每種物體都有自己獨(dú)特的光譜特征，就像“指紋”一樣，專家通過(guò)高光譜遙感衛(wèi)星獲得的光譜信息就能識(shí)別出地物成分。
可以識(shí)別“指紋”的“天眼”
在高光譜觀測(cè)衛(wèi)星上，一共裝載著七臺(tái)遙感儀器，包含兩臺(tái)陸表成像儀與五臺(tái)大氣成分探測(cè)儀，探測(cè)譜段覆蓋了從紫外到長(zhǎng)波紅外譜段，采用高光譜及高精度偏振等多種手段，獲取大氣和地表的空間幾何、輻射、光譜和偏振等多種信息。
之所以說(shuō)高光譜觀測(cè)衛(wèi)星就像“眼睛”，是因?yàn)樾l(wèi)星和人眼一樣，都是通過(guò)獲取光譜來(lái)采集信息的。但是，人眼的觀測(cè)范圍十分有限，僅限于對(duì)可見(jiàn)光頻率范圍內(nèi)的觀測(cè)，而高光譜觀測(cè)衛(wèi)星的“可見(jiàn)”范圍要廣得多。毛星介紹說(shuō)，遙感儀器除了探測(cè)可見(jiàn)光到短波紅外，還可以探測(cè)紫外、中紅外和熱紅外等波段。如果把高光譜設(shè)備比作一臺(tái)相機(jī)，它的功能就是可以在每個(gè)光譜波段拍一張照片，比如有的傳感器在400—2500納米范圍內(nèi)有330個(gè)光譜通道，就意味著，它一次能拍攝同一個(gè)區(qū)域的330張照片。
李云端以衛(wèi)星上搭載的七臺(tái)遙感儀器為例進(jìn)行了深入解讀：“衛(wèi)星上搭載的可見(jiàn)短波紅外高光譜相機(jī)可以在可見(jiàn)光到短波紅外范圍內(nèi)連續(xù)光譜成像，它探測(cè)的光譜范圍比人眼寬得多，也精細(xì)得多。它可精細(xì)識(shí)別各種地物，可以應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、水體環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)找礦等領(lǐng)域。衛(wèi)星上的另外六臺(tái)載荷也很有特點(diǎn)，如全譜段光譜成像儀能獲取中長(zhǎng)波紅外譜段的地物輻射信息，精確探測(cè)地物溫度和干旱等情況。大氣痕量氣體差分吸收光譜儀可以獲取紫外到可見(jiàn)光的高光譜信息，探測(cè)大氣中二氧化氮等污染氣體，這種大氣中二氧化氮的濃度大概為10ppb量級(jí)(ppb為十億分之一)，探測(cè)精度必須要求很高。多角度偏振成像儀和高精度偏振成像儀兩臺(tái)儀器對(duì)大氣聯(lián)合探測(cè)，可以監(jiān)測(cè)全球大氣細(xì)顆粒物污染(PM2.5/PM10)情況。溫室氣體監(jiān)測(cè)儀可以同時(shí)探測(cè)大氣中的二氧化碳和甲烷。吸收性氣溶膠探測(cè)儀可以在有薄云的情況下高分辨率探測(cè)霧霾分布。”
衛(wèi)星收集到大氣和地表的光譜信息，包含了各種目標(biāo)地物的光譜特征，這些地物都有自己獨(dú)特的光譜特征，就像人的指紋一樣，而科學(xué)家就可以利用這些光譜信息識(shí)別出地物成分。
先進(jìn)技術(shù)解決遮擋、混疊問(wèn)題
我們可以將地物的光譜特征比作指紋，但現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的指紋識(shí)別是存在模糊、混淆等問(wèn)題的，高光譜觀測(cè)衛(wèi)星會(huì)不會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題呢？毛星表示，在高光譜觀測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中很容易存在異物同譜和同物異譜的現(xiàn)象，例如樹(shù)和草地的光譜曲線有時(shí)看起來(lái)就是差不多的，同一棵樹(shù)從兩個(gè)位置觀測(cè)得出的光譜曲線也可能存在差異。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，為避免以上這兩種情況，科學(xué)家不僅會(huì)利用物體的光譜信息，還要結(jié)合物體的空間位置信息來(lái)進(jìn)行區(qū)分。
除了異物同譜和同物異譜等問(wèn)題，李云端介紹說(shuō)，當(dāng)高光譜儀器的一個(gè)像元中觀測(cè)到多種物質(zhì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)光譜混疊的現(xiàn)象�？茖W(xué)家依靠成熟的算法解開(kāi)混疊，該算法可以根據(jù)不同成分對(duì)光譜的影響程度，計(jì)算出不同成分的含量。此外，科學(xué)家們還在研發(fā)新一代高光譜成像儀，以進(jìn)一步提高成像儀的空間分辨率，使獲取的光譜“更純”，一定程度上減少光譜混疊。
光譜識(shí)別的困難可以依靠算法解決，聽(tīng)起來(lái)同樣難辦的“物理遮擋”也有先進(jìn)儀器和算法來(lái)專門對(duì)付。對(duì)于云層造成的阻礙，李云端解讀說(shuō)，云層確實(shí)會(huì)阻擋可見(jiàn)光和紅外觀測(cè)地表，但高光譜觀測(cè)衛(wèi)星上的吸收性氣溶膠探測(cè)儀可以通過(guò)紫外線透過(guò)薄云觀測(cè)霧霾和吸收性氣溶膠的分布情況。毛星補(bǔ)充說(shuō)，高光譜觀測(cè)除了傳統(tǒng)的去云技術(shù)，也有研究在用一些深度學(xué)習(xí)技術(shù)去還原云層遮擋部分。
而對(duì)植被，作為農(nóng)業(yè)科學(xué)院的研究人員，毛星表示，植被一般是研究目標(biāo)或者背景地物，不是干擾項(xiàng)。李云端提醒，生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)和林草等用戶都需要直接觀測(cè)植物，因此它本身就是重要的觀測(cè)目標(biāo)。在需要觀測(cè)地表時(shí)，植被確實(shí)會(huì)造成阻礙，但植物會(huì)吸收土壤中的成分，不同成分的土壤會(huì)改變植物葉子的光譜曲線。比如，已有文獻(xiàn)表明植物葉子的光譜曲線與地下的油氣資源有較強(qiáng)的相關(guān)性。
用好數(shù)據(jù)是最后一關(guān)
今年7月，國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局重大專項(xiàng)工程中心的工作人員曾向科技日?qǐng)?bào)記者解讀高分專項(xiàng)和具體應(yīng)用之間的關(guān)系：“打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，我們提供的高分?jǐn)?shù)據(jù)就像是食材，各個(gè)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出的具體應(yīng)用就像是菜肴。我們的期望就是政府部門和社會(huì)力量能把數(shù)據(jù)用好，把這道菜做好�！痹诘玫健吧巢摹庇^測(cè)數(shù)據(jù)之后，科學(xué)家和技術(shù)人員還需將其進(jìn)行處理、分析，才能形成有價(jià)值的“佳肴”研究成果。
李云端解讀說(shuō)，獲取數(shù)據(jù)后還有很多工作，不同類型遙感儀器的處理也不一樣�？偟膩�(lái)說(shuō)，分析流程可以分為數(shù)據(jù)處理和生成產(chǎn)品兩大部分，地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，各用戶完成產(chǎn)品生成工作。而地面處理主要包括輻射定標(biāo)、光譜定標(biāo)、幾何定位等工作，有的干涉型載荷還需要進(jìn)行譜復(fù)原等處理。在這個(gè)基礎(chǔ)上，用戶可以利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)生成七十多種產(chǎn)品。
作為高分?jǐn)?shù)據(jù)的用戶之一，毛星表示，高光譜遙感在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中十分廣泛，可以用于農(nóng)作物估產(chǎn)、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害識(shí)別、農(nóng)作物精細(xì)分類、雜草識(shí)別等工作。李云端介紹說(shuō)，除農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以外，衛(wèi)星也將為國(guó)內(nèi)各行業(yè)用戶提供亟須的高精度、高光譜遙感數(shù)據(jù)，包括我國(guó)環(huán)境的綜合監(jiān)測(cè)和監(jiān)管，以及自然資源勘查、防災(zāi)減災(zāi)、林業(yè)資源清查、氣候變化研究等領(lǐng)域。
此外，高光譜觀測(cè)衛(wèi)星有個(gè)值得一提的功能——它是我國(guó)目前唯一可用于大氣污染氣體探測(cè)的有效載荷，可單日覆蓋全球污染氣體監(jiān)測(cè)，服務(wù)于我國(guó)“大氣污染防治”及“臭氧和PM2.5協(xié)同探測(cè)”等國(guó)家戰(zhàn)略。大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀(GMI)可實(shí)現(xiàn)1—4ppm的二氧化碳探測(cè)和30ppb的甲烷探測(cè)，讓碳排放無(wú)所遁形，為我國(guó)“碳達(dá)峰與碳中和”戰(zhàn)略提供重要支撐。
