Entwicklungsstand und Perspektiven der hyperspektralen Fernerkundungstechnologie in meinem Land

Hyperspektrale Fernerkundungstechnologie  

Hyperspektrale Fernerkundung ist eine Technik, die ein schmales und kontinuierliches Spektrum an Spektralkanälen nutzt, um Bodenstrukturen fortlaufend abzubilden. Sie basiert auf Bildgebung und Spektroskopie. Im Vergleich zu bodengestützten Radiometern erfasst die hyperspektrale Fernerkundung Spektralmessungen über ein zusammenhängendes Gebiet anstatt an einem einzelnen Punkt. Dadurch können Bild- und Spektralinformationen des Zielobjekts gleichzeitig erfasst werden. Im Vergleich zur traditionellen Fernerkundung bieten hyperspektrale Bildgebungsspektrometer ein sehr schmales Bildband pro Pixel und erreichen Auflösungen im Nanometerbereich mit Dutzenden oder sogar Hunderten von Spektralkanälen, die oft kontinuierlich miteinander verbunden sind.

Im Vergleich zur traditionellen Fernerkundung liefert die hyperspektrale Fernerkundung mehr spektrale und räumliche Informationen und bietet ein breiteres Anwendungsspektrum in der Erdbeobachtung und Umwelterkundung. Dies zeigt sich insbesondere in folgenden Aspekten: Die Fähigkeit, Bodenmerkmale zu unterscheiden und zu identifizieren, wird deutlich verbessert, die Anzahl der Bildkanäle steigt erheblich, und die Fernerkundung kann von qualitativen zu quantitativen oder semiquantitativen Analysen übergehen.

Aktueller Stand der Entwicklung hyperspektraler Fernerkundungstechnologien in meinem Land

Die hyperspektrale Fernerkundungstechnologie meines Landes begann relativ spät, aber angetrieben von den wachsenden und dringenden sozialen und wirtschaftlichen Bedürfnissen des Landes haben sowohl die luft- als auch die weltraumgestützte Fernerkundung beispiellose Entwicklungsmöglichkeiten erhalten und sich rasant weiterentwickelt.

25.03.2002

Am 25. März 2002 beförderte das Raumschiff Shenzhou-3 ein von meinem Land unabhängig entwickeltes bildgebendes Spektrometer mittlerer Auflösung in den Weltraum. Damit war China nach den Vereinigten Staaten, die mit ihrem Terra-Satelliten im Rahmen des Erdbeobachtungssystems ein bildgebendes Spektrometer in den Weltraum entsandten, das zweite Land, das eine hyperspektrale Nutzlast in den Weltraum schickte.

24.10.2007

Am 24. Oktober 2007 wurde die Mondsonde Chang’e-1 gestartet, und das abbildende Spektrometer wurde als wichtige Nutzlast in die Mondumlaufbahn gebracht. Es handelte sich um das erste interferometrische abbildende Spektrometer meines Landes, das auf der Fourier-Transformation basiert.

06.09.2008

Der Satellit HJ-1A wurde am 6. September 2008 zusammen mit dem Satelliten HJ-1B im Rahmen eines „Ein-Raketen-Zwei-Satelliten“-Starts erfolgreich vom Satellitenstartzentrum Taiyuan aus gestartet. Er trägt einen hyperspektralen Bildgeber und wird in großem Umfang für die Atmosphärenüberwachung, die Beobachtung städtischer Veränderungen und für maritime Anwendungen eingesetzt.

29.09.2011

Die am 29. September 2011 gestartete Zielsonde Tiangong-1 trug einen von meinem Land eigenständig entwickelten Hyperspektral-Bildgeber. Mithilfe der Spektraldaten von Tiangong-1 wurden bedeutende angewandte Forschungsarbeiten in Bereichen wie Landressourcen, Ozeanographie, Forstwirtschaft, städtische Umweltüberwachung sowie hydrologische und ökologische Überwachung durchgeführt, die eine Reihe wertvoller Anwendungsergebnisse lieferten.

2018.5

Im Mai 2018 wurde Gaofen-5 erfolgreich gestartet. Er ist Chinas erster hyperspektraler Beobachtungssatellit, derzeit der fortschrittlichste hyperspektrale Detektionssatellit und zugleich der Satellit mit der größten Nutzlast, der höchsten spektralen Auflösung und der größten Entwicklungsherausforderung im nationalen „Gaofen-Projekt“. Der Satellit operiert in einer geostationären Umlaufbahn und dient der Erfassung hyperspektraler Fernerkundungsdaten im ultravioletten bis langwelligen Infrarotbereich.

2019.9

Im September 2019 wurden die fünf Satelliten der Gruppe „Zhuhai-1“ 03 erfolgreich mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch-11 vom Satellitenstartzentrum Jiuquan in ihre vorbestimmten Umlaufbahnen gebracht. Die Gruppe 03 umfasst vier Hyperspektralsatelliten und einen Videosatelliten mit einer Auflösung von 0,9 Metern. Sechs weitere Hyperspektralsatelliten werden in Kürze folgen und eine Konstellation von zehn Satelliten bilden. Diese Konstellation verkürzt die Überflugszyklen, verbessert die Effizienz dynamischer Beobachtungen und ermöglicht eine schnelle Reaktion bei der Überwachung der Erdoberfläche.

2021.9

Am 7. September 2021 um 11:01 Uhr startete das Satellitenstartzentrum Taiyuan in Südkorea erfolgreich den Satelliten Gaofen-5 02 mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch-4C ins All. Der Satellit trägt sieben Fernerkundungsinstrumente. Nach seiner Inbetriebnahme wird er zur nationalen Reduzierung der Umweltverschmutzung, zur Überwachung der Umweltqualität, der atmosphärischen Zusammensetzung und des Klimawandels eingesetzt. Zudem wird er Anwendungsdemonstrationen für die hyperspektrale Fernerkundung von Schadstoffen, der regionalen Luftqualität, der atmosphärischen Zusammensetzung und des Klimawandels durchführen.

China hat mittlerweile erfolgreich ein eigenes luft- und satellitengestütztes Erdbeobachtungssystem aufgebaut und weiterentwickelt, das in den Bereichen Ressourcen und Umwelt weit verbreitet ist und eine wichtige Rolle bei der Erfassung und Bewirtschaftung von Land-, Vegetations- und Wasserressourcen, bei geologischen und mineralischen Ressourcenerkundungen sowie bei der Katastrophenüberwachung spielt.

Ausblick für die Hyperspektral-Satellitentechnologie  

Der Erfassungsbereich wurde weiter verbreitert.：Die zeitliche/räumliche/spektrale Auflösung wurde weiter verbessert.

In ihren Anfängen lag das Hauptziel der Entwicklung hyperspektraler Fernerkundungstechnologie in der Verbesserung der spektralen Auflösung, um den Anforderungen hochpräziser, quantitativer Fernerkundung gerecht zu werden. Mit Fortschritten bei großflächigen, hochauflösenden Detektortechnologien hat sich die Technologie, neben der kontinuierlichen Verbesserung der spektralen Auflösung, hin zu einer höheren räumlichen Auflösung entwickelt.

Derzeit existieren international verschiedene hyperspektrale Fernerkundungssatellitensysteme, die den Detektionsbereich vom sichtbaren Licht bis zum thermischen Infrarot abdecken. Die spektrale Auflösung erreicht dabei den Nanometerbereich, und die Anzahl der Spektralbänder steigt auf Hunderte. Dies verbessert die Möglichkeiten zur Fernerkundung erheblich und ermöglicht eine präzise Analyse der festen und flüssigen chemischen Bestandteile der Erdoberfläche. Um gasförmige Komponenten und atmosphärische Eigenschaften weiter zu untersuchen, ist der Bedarf an noch höherer spektraler Auflösung zu einem unaufhaltsamen Trend in der Entwicklung der hyperspektralen Fernerkundung geworden.

Umgekehrt ist es notwendig, Fernerkundungsbeobachtungen genauer und schneller durchzuführen und zuverlässige und zeitnahe Fernerkundungsdaten zu erhalten, Die neuen Eigenschaften der hyperspektralen Fernerkundungstechnologie – hohe räumliche, hohe spektrale und hohe zeitliche Auflösung – werden immer deutlicher und ermöglichen es ihr, sich an neue Anwendungsbereiche wie die langfristige Wettervorhersage, die präzise landwirtschaftliche Überwachung, quantitative Land- und Meeresressourcenerhebungen und die Echtzeitanalyse des Schlachtfeldumfelds anzupassen.

Ständig werden neue Prinzipien und neue Lösungen vorgeschlagen.：Die Arten von hyperspektralen Fernerkundungstechnologien wurden weiter bereichert.

Mit der Entwicklung und dem Fortschritt der Informations-, Bildgebungs- und optischen Verarbeitungstechnologie entstehen ständig neue hyperspektrale Fernerkundungstechnologien und -lösungen. Ihre spektroskopischen Kernelemente entwickeln sich von etablierten dispersiven und interferometrischen Verfahren hin zu vielfältigeren Ansätzen. Aktuell existieren verschiedene spektroskopische Prinzipien, darunter rotierende Filter, akustooptische Filter, Flüssigkristallfilter und computergestützte Tomographie.

In den letzten Jahren hat sich die Snapshot-Bildgebungsspektroskopie rasant weiterentwickelt. Sie ermöglicht die Erfassung vollständiger dreidimensionaler Spektraldaten innerhalb einer einzigen Belichtungszeit und bietet damit großes Potenzial für die Echtzeitdetektion. Die kodierte Apertur-Bildgebungsspektroskopie ist eine neuartige Snapshot-Bildgebungsspektroskopie-Technik, die die Theorie des komprimierten Messens auf Bildgebungsspektrometer anwendet. Sie nutzt kodierte Muster zur Modulation der räumlichen Information aller Wellenlängen, erfasst eine Intensitätskarte der gemischten und kodierten räumlichen und spektralen Information des Zielobjekts auf einem Flächendetektor und extrahiert schließlich die räumlichen und spektralen Informationen aus der Intensitätskarte mithilfe eines Multiskalen-Rekonstruktionsalgorithmus. Die dreidimensionale Bildgebungsspektroskopie verwendet ein Bildsegmentierungselement, das aus mehreren langen Streifenspiegeln mit unterschiedlichen Neigungswinkeln besteht, um das Zielbild in Bilder unter verschiedenen Winkeln zu zerlegen. Diese Bilder werden dann über ein dispersives Prisma auf ein Linsenarray übertragen, wodurch dispersive Spektren von Bildern unter verschiedenen Winkeln auf einem großflächigen Flächendetektor gewonnen werden. Auch diese Technik zählt zur Snapshot-Bildgebungsspektroskopie.

Integrierte Erfassung mehrdimensionaler Informationen einschließlich Bildern, Spektren und Polarisation

Hyperspektrale Fernerkundungstechnologien ermöglichen die integrierte Erfassung spektraler und bildlicher Informationen von Objekten und erfüllen damit die Anforderungen an die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und morphologischen Merkmale von Bodenobjekten. In anderen Anwendungsszenarien, wie der Beobachtung von Oberflächeneigenschaften, der Identifizierung und Verfolgung verborgener Ziele sowie der Aerosoldetektion – insbesondere bei weit entfernten Objekten aus demselben Material (z. B. Satelliten und Raketen) –, stößt die bildgebende Spektroskopie jedoch an ihre Grenzen. In diesen Fällen kann die Polarisationsinformationsanalyse eine entscheidende Rolle spielen.

Polarisationsinformationen besitzen ein hohes Potenzial zur Identifizierung von Eckmerkmalen und Oberflächenrauheit eines Objekts und können die Streu- und Reflexionseigenschaften einer Substanz besser beschreiben. Die Einbeziehung von Polarisationsinformationen in die hyperspektrale Fernerkundungstechnologie ermöglicht die integrierte Erfassung mehrdimensionaler Informationen wie Bilder, Spektren und Polarisation und bietet wissenschaftlichere, genauere und umfassendere Detektionstechnologien und -methoden zur Zielerkennung, -identifizierung und -bestätigung.Bei der Zielerkennung und -analyse liefern Bilder, Spektren und Polarisationszustände desselben Ziels komplementäre multivariate Informationen. Dies ermöglicht die Analyse der vielfältigen physikalisch-chemischen Eigenschaften des Ziels und trägt so zu einem umfassenderen, genaueren und wissenschaftlicheren Verständnis bei. Wichtige Anwendungsgebiete sind die Atmosphärensondierung, die Überwachung der Wasserqualität, die Zielidentifizierung und die militärische Aufklärung. Die Forschung zur integrierten Erfassung multivariater Bild-, Spektral- und Polarisationsinformationen sowie die Anwendung polarisationsbasierter hyperspektraler Fernerkundungstechnologie stellen daher aktuell eine wichtige Entwicklungsrichtung für diese Technologie dar.

Das Zeitalter der intelligenten hyperspektralen Fernerkundung und der Big Data bricht an.

Aktuelle hyperspektrale Fernerkundungssatelliten werden primär von der Erde aus gesteuert. Enorme Mengen an hyperspektralen Fernerkundungsdaten werden an Bord gespeichert und komprimiert, bevor sie an Bodenstationen übertragen werden. Die bodengestützte Datenverarbeitung liefert schließlich die Fernerkundungsprodukte. Zudem sind die Satellitenparameter fest und lassen sich nicht flexibel anpassen. Mit dem Aufkommen der künstlichen Intelligenz hat sich die Kombination von neuronalen Netzen, maschinellem Lernen und anderen Technologien mit der hyperspektralen Fernerkundung zum Zukunftstrend entwickelt. Ziel ist die Entwicklung „intelligenter“ hyperspektraler Fernerkundungssatelliten, die die automatische Kalibrierung und Optimierung der Parameter der bordeigenen hyperspektralen Bildgebungsnutzlast, die Echtzeitverarbeitung der Borddaten und die Produktgenerierung ermöglichen. Solche „intelligenten“ hyperspektralen Fernerkundungssatelliten verfügen über intelligente Informationserkennungs- und adaptive Anpassungsfähigkeiten, die es ihnen ermöglichen, qualitativ hochwertige Daten in Echtzeit entsprechend den Nutzerbedürfnissen zu generieren.

Gleichzeitig steigt mit der Auflösung hyperspektraler Fernerkundungsinstrumente und dem Umfang der erfassten Informationen auch die Menge der erfassten Fernerkundungsdaten explosionsartig an und weist ausgeprägte "Big Data"-Charakteristika auf. Wie man Informationen aus hyperspektralen Fernerkundungsdaten effektiv gewinnt und extrahiert sowie die Datenkomprimierung und die Effizienz der Datenübertragung verbessert, sind wichtige Fragen, die in der Zukunft der hyperspektralen Fernerkundung angegangen werden müssen.

Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung von Nutzlasten für die hyperspektrale Fernerkundung

Mit der Entwicklung kleiner unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) für die Fernerkundung und der Mikro-/Nanosatellitentechnologie schreitet auch die Entwicklung der hyperspektralen Fernerkundung in Richtung geringerer Kosten, höherer Flexibilität, besserer Integration und verbesserter Echtzeitleistung voran. Aktuell birgt die leichte hyperspektrale Fernerkundungstechnologie auf Basis kleiner UAVs ein immenses Anwendungspotenzial und ist in Bereichen wie der Schädlings- und Krankheitsbeobachtung in Land- und Forstwirtschaft, der optischen Sortierung großer Frachtmengen, der Sicherheitsüberwachung, der Zielsuche und der Katastrophenhilfe von großem Wert. Gleichzeitig bieten Mikro-/Nanosatelliten Vorteile wie niedrige Kosten, hohe Flexibilität, geringen Energieverbrauch und kurze Entwicklungszyklen, wodurch sie komplexere Weltraumerkundungsmissionen ermöglichen.

Die Kombination von hyperspektraler Fernerkundung und Mikro-/Nanosatellitentechnologie wird die innovative Entwicklung integrierter multifunktionaler Strukturen und umfassender Nutzlasten für die Weltraumerkundung fördern.Dies wird eine wichtige Rolle bei der Förderung der leichten, integrierten und systematischen Entwicklung zukünftiger hyperspektraler Fernerkundung spielen und die Vernetzung im Weltraum sowie die Echtzeit-Erkennung bei allen Wetterbedingungen ermöglichen.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung der hyperspektralen Fernerkundungstechnologie die Implementierung und Anwendung zahlreicher neuer Prinzipien, Verfahren und Technologien mit sich gebracht. Die Struktur hyperspektraler Bildgebungsinstrumente ist rationaler und einfacher geworden, und ihre Fähigkeit zur integrierten Erfassung von Daten aus verschiedenen Quellen wurde deutlich verbessert. Sie entwickeln sich stetig weiter hin zu größeren Sichtfeldern, höherem Durchsatz, kompakterer Bauweise, statischer Darstellung und höherer Auflösung. Gleichzeitig werden mit zunehmender Reife der hyperspektralen Fernerkundungstechnologie die Kosten deutlich sinken, und die Kommerzialisierung hyperspektraler Fernerkundungsdatenprodukte wird ein wichtiger zukünftiger Entwicklungsschwerpunkt sein.

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