Estado de desarrollo y perspectivas de la tecnología de teledetección hiperespectral en mi país.

Tecnología de teledetección hiperespectral  

La teledetección hiperespectral es una técnica que utiliza un rango estrecho y continuo de canales espectrales para obtener imágenes continuas de las características del terreno. Se basa en la obtención de imágenes y la espectroscopia. A diferencia de los radiómetros terrestres, la teledetección hiperespectral adquiere mediciones espectrales en un área espacial continua, en lugar de en un solo punto, lo que permite la adquisición simultánea de información espectral y de imagen del objetivo. En comparación con la teledetección tradicional, los espectrómetros de imágenes de resolución hiperespectral proporcionan una banda de imagen muy estrecha para cada píxel, alcanzando resoluciones del orden de nanómetros, con decenas o incluso cientos de canales espectrales, a menudo conectados de forma continua.

En comparación con la teledetección tradicional, la teledetección hiperespectral permite obtener más información espacial espectral y ofrece un mayor abanico de aplicaciones en la observación de la Tierra y los estudios ambientales. Esto se refleja principalmente en los siguientes aspectos: mejora notablemente la capacidad de distinguir e identificar características del terreno, aumenta considerablemente el número de canales de imagen y posibilita la transformación de la teledetección del análisis cualitativo al cuantitativo o semicuantitativo.

Estado actual del desarrollo de la tecnología de teledetección hiperespectral en mi país.

La tecnología de teledetección hiperespectral de mi país comenzó relativamente tarde, pero impulsada por las crecientes y urgentes necesidades sociales y económicas del país, tanto la teledetección aérea como la espacial han obtenido oportunidades de desarrollo sin precedentes y se han desarrollado rápidamente.

25/03/2002

El 25 de marzo de 2002, la nave espacial Shenzhou-3 transportó un espectrómetro de imágenes de resolución media desarrollado independientemente por mi país, convirtiendo a China en el segundo país en enviar una carga útil hiperespectral al espacio, después de que Estados Unidos transportara un espectrómetro de imágenes en su satélite Terra del Sistema de Observación de la Tierra.

24/10/2007

El 24 de octubre de 2007, se lanzó el satélite sonda lunar Chang'e-1, que también transportaba un espectrómetro de imágenes a la órbita lunar como carga útil principal. Este fue el primer espectrómetro de imágenes interferométrico espacial de mi país basado en la transformada de Fourier.

6 de septiembre de 2008

El satélite HJ-1A fue lanzado con éxito el 6 de septiembre de 2008 desde el Centro de Lanzamiento de Satélites de Taiyuan junto con el satélite HJ-1B en un lanzamiento simultáneo de dos satélites con un solo cohete. Incorpora un generador de imágenes hiperespectrales y se ha utilizado ampliamente en el monitoreo atmosférico, el seguimiento de cambios urbanos y aplicaciones marinas.

29/09/2011

Lanzada el 29 de septiembre de 2011, la nave espacial Tiangong-1 transportaba un generador de imágenes hiperespectrales desarrollado independientemente por mi país. Utilizando los datos espectrales de Tiangong-1, se llevaron a cabo importantes investigaciones aplicadas en áreas como recursos terrestres, oceanografía, silvicultura, monitoreo ambiental urbano y monitoreo hidrológico y ecológico, lo que arrojó una serie de valiosos resultados de aplicación.

2018.5

En mayo de 2018, se lanzó con éxito el Gaofen-5. Se trata del primer satélite de observación hiperespectral integral de mi país, actualmente el satélite de detección hiperespectral más avanzado, y también el satélite con mayor capacidad de carga útil, mayor resolución espectral y mayor dificultad de desarrollo dentro del proyecto nacional "Gaofen". El satélite opera en órbita geoestacionaria y se utiliza para adquirir muestras de datos de teledetección con resolución hiperespectral en las bandas espectrales ultravioleta e infrarroja de onda larga.

2019.9

En septiembre de 2019, los cinco satélites del grupo "Zhuhai-1" 03 fueron lanzados con éxito a sus órbitas predeterminadas mediante un cohete portador Larga Marcha-11 desde el Centro de Lanzamiento de Satélites de Jiuquan. El grupo 03 incluye cuatro satélites hiperespectrales y un satélite de vídeo con una resolución de 0,9 m. Posteriormente se lanzarán seis satélites hiperespectrales más, conformando una constelación de 10 satélites hiperespectrales. Esta constelación permite acortar el ciclo de revisita, mejorar la eficiencia de la observación dinámica y posibilitar una respuesta rápida en el monitoreo del entorno de la superficie terrestre.

2021.9

A las 11:01 a. m. del 7 de septiembre de 2021, el Centro de Lanzamiento de Satélites de Taiyuan, en mi país, lanzó con éxito el satélite Gaofen-5 02 al espacio mediante un cohete portador Larga Marcha-4C. El satélite transporta siete instrumentos de teledetección. Una vez operativo, se utilizará para la reducción de la contaminación a nivel nacional, el monitoreo de la calidad ambiental, la composición atmosférica y el cambio climático, y llevará a cabo demostraciones de aplicaciones de teledetección hiperespectral para el monitoreo de contaminantes, la calidad del aire ambiente regional, la composición atmosférica y el cambio climático.

Actualmente, China ha establecido y desarrollado con éxito su propio sistema de observación de la Tierra mediante teledetección aérea y satelital, que se utiliza ampliamente en los campos de los recursos y el medio ambiente, desempeñando un papel importante en los estudios y la gestión de los recursos terrestres, vegetales e hídricos, los estudios de recursos geológicos y minerales, y la vigilancia de desastres.

Perspectivas para la tecnología satelital hiperespectral  

La banda de detección se ha ampliado aún más.：Se ha mejorado aún más la resolución temporal, espacial y espectral.

En sus primeras etapas, el principal objetivo de desarrollo de la tecnología de teledetección hiperespectral era mejorar la resolución espectral para satisfacer las necesidades de la teledetección cuantitativa de alta precisión. Con los avances en la tecnología de detectores de gran área y alta resolución, y a la vez continuando la mejora de la resolución espectral, se ha comenzado a evolucionar hacia una mayor resolución espacial.

Actualmente, existen a nivel internacional diversos sistemas satelitales de teledetección hiperespectral que abarcan desde la luz visible hasta el infrarrojo térmico, con una resolución espectral que alcanza el nivel nanométrico y un número de bandas que se incrementa hasta cientos. Esto mejora significativamente la capacidad de obtener información de teledetección, permitiendo un análisis preciso de los componentes químicos sólidos y líquidos de la superficie terrestre. Para estudiar con mayor profundidad los componentes gaseosos y las propiedades atmosféricas, la demanda de una resolución espectral aún mayor se ha convertido en una tendencia imparable en el desarrollo de la teledetección hiperespectral.

Por otro lado, para realizar observaciones de teledetección más precisas y rápidas, y para obtener datos de teledetección fiables y oportunos, Las nuevas características de la tecnología de teledetección hiperespectral —alta resolución espacial, alta resolución espectral y alta resolución temporal— se están haciendo cada vez más evidentes, lo que le permite adaptarse a nuevas áreas de aplicación, como la previsión meteorológica a largo plazo, la monitorización agrícola de precisión, los estudios cuantitativos de recursos terrestres y marinos, y el análisis en tiempo real del entorno del campo de batalla.

Constantemente se proponen nuevos principios y nuevas soluciones.：Los tipos de tecnologías de teledetección hiperespectral se han enriquecido aún más.

Con el desarrollo y avance de la tecnología de la información, la tecnología de imagen y la tecnología de procesamiento óptico, surgen continuamente nuevas tecnologías y soluciones de teledetección hiperespectral. Sus elementos espectroscópicos fundamentales están evolucionando desde los tipos dispersivos e interferométricos tradicionales hacia un enfoque más diversificado. Actualmente, han surgido diversos esquemas de principios espectroscópicos, incluyendo filtros rotatorios, filtros sintonizados acustoópticos, filtros sintonizados de cristal líquido y tomografía computacional.

En los últimos años, la espectroscopia de imagen instantánea se ha desarrollado rápidamente. Permite adquirir datos espectrales de imagen tridimensionales completos en un único tiempo de exposición, lo que resulta muy prometedor para la detección en tiempo real. La espectroscopia de imagen de apertura codificada es una novedosa técnica de espectroscopia de imagen instantánea que aplica la teoría de detección comprimida a los espectrómetros de imagen. Utiliza patrones codificados para modular la información espacial de todas las longitudes de onda, registra un mapa de intensidad de la información espacial y espectral del objetivo, mezclada y codificada en un detector de matriz de área, y finalmente extrae la información espacial y espectral del mapa de intensidad mediante un algoritmo de reconstrucción multiescala. La espectroscopia de imagen tridimensional utiliza un elemento de segmentación de imagen compuesto por múltiples espejos de tira larga con diferentes ángulos de inclinación para dividir la imagen del objetivo en imágenes a diferentes ángulos. Estas imágenes se transmiten a una matriz de lentes a través de un prisma dispersivo, obteniendo así espectros dispersivos de imágenes a diferentes ángulos en un detector de matriz de área grande. Esta técnica también es una técnica de espectroscopia de imagen instantánea.

Adquisición integrada de información multidimensional que incluye imágenes, espectros y polarización.

La tecnología de teledetección hiperespectral permite la adquisición integrada de información espectral y de imagen de los objetivos, satisfaciendo la necesidad de detectar la composición química y las características morfológicas de los objetos terrestres. Sin embargo, en otros escenarios de aplicación, como la observación de las características superficiales de los objetivos, la identificación y el seguimiento de objetivos ocultos y la detección de aerosoles, especialmente para objetivos distantes fabricados con los mismos materiales (como satélites y misiles), la espectroscopia de imagen pierde su capacidad de detección. En estos casos, la detección de información de polarización puede desempeñar un papel crucial.

La información de polarización tiene una capacidad significativa para identificar las características de las esquinas y la rugosidad de la superficie de un objetivo, y puede describir mejor las características de dispersión y reflexión de una sustancia. La incorporación de información de polarización a la tecnología de teledetección hiperespectral permite la adquisición integrada de información multidimensional, como imágenes, espectros y polarización, lo que proporciona tecnologías y métodos de detección más científicos, precisos y completos para la detección, identificación y confirmación de objetivos.En el proceso de detección y reconocimiento de objetivos, las imágenes, los espectros y los estados de polarización de un mismo objetivo proporcionan información multivariante complementaria, lo que ayuda a analizar sus ricas propiedades fisicoquímicas y, por lo tanto, a lograr una comprensión más completa, precisa y científica del mismo. Tiene importantes aplicaciones en el sondeo atmosférico, el monitoreo de la calidad del agua, la identificación de objetivos y el reconocimiento militar. La investigación sobre la adquisición integrada de información multivariante de imagen, espectro y polarización, así como la aplicación de la tecnología de teledetección hiperespectral de polarización, constituye actualmente una dirección importante para el desarrollo de esta tecnología.

Se acerca la era de la teledetección hiperespectral inteligente y el big data.

Los satélites actuales de teledetección hiperespectral se controlan principalmente desde tierra. Se almacenan y comprimen grandes cantidades de datos de teledetección hiperespectral a bordo antes de transmitirlos a las estaciones receptoras terrestres. Finalmente, el procesamiento de datos en tierra genera productos de teledetección. Además, los parámetros del satélite son fijos y no se pueden ajustar de forma flexible. Con la llegada de la era de la inteligencia artificial, la combinación de redes neuronales, aprendizaje automático y otras tecnologías con la teledetección hiperespectral para construir sistemas de satélites de teledetección hiperespectral "inteligentes" —capaces de calibración y optimización automáticas de los parámetros de la carga útil de imágenes hiperespectrales a bordo, procesamiento en tiempo real de los datos a bordo y generación de productos— se ha convertido en la tendencia del futuro. Los satélites de teledetección hiperespectral "inteligentes" contarán con capacidades de percepción de información inteligente y de ajuste adaptativo, lo que les permitirá generar datos de alta calidad en tiempo real según las necesidades del usuario.

Mientras tanto, a medida que aumenta la resolución de los instrumentos de teledetección de imágenes hiperespectrales y las dimensiones de la información adquirida, la cantidad de datos de teledetección adquiridos también crece de forma explosiva, mostrando características significativas de "macrodatos". Cómo extraer información de manera efectiva de los datos de teledetección hiperespectral, y cómo mejorar la compresión y la eficiencia de la transmisión de datos son cuestiones importantes que deben abordarse en el futuro de la teledetección hiperespectral.

Miniaturización y aligeramiento de las cargas útiles de teledetección hiperespectral

Con el desarrollo de la tecnología de teledetección mediante vehículos aéreos no tripulados (UAV) pequeños y la tecnología de microsatélites y nanosatélites, la teledetección hiperespectral también avanza hacia un menor coste, mayor flexibilidad, integración y un rendimiento en tiempo real superior. Actualmente, la tecnología de teledetección hiperespectral ligera basada en UAV pequeños posee un enorme potencial de aplicación y valor en áreas como la observación de plagas y enfermedades agrícolas y forestales, la clasificación óptica de grandes cargas, la vigilancia de seguridad, la búsqueda de objetivos y la ayuda en casos de desastre. Por su parte, los microsatélites y nanosatélites ofrecen ventajas como bajo coste, alta flexibilidad, bajo consumo energético y ciclos de desarrollo cortos, lo que les permite llevar a cabo misiones de exploración espacial más complejas.

La combinación de la teledetección hiperespectral y la tecnología de micro/nanosatélites impulsará el desarrollo innovador de estructuras multifuncionales integradas y cargas útiles integrales para la exploración espacial.Esto desempeñará un papel importante en la promoción del desarrollo ligero, integrado y sistemático de la teledetección hiperespectral del futuro, lo que permitirá la creación de redes espaciales y la detección en tiempo real en cualquier condición meteorológica.

En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de teledetección hiperespectral ha propiciado la implementación y aplicación de numerosos principios, esquemas y tecnologías novedosos. La estructura de los instrumentos de teledetección de imágenes hiperespectrales se ha simplificado y racionalizado, y sus capacidades de adquisición integrada de información de múltiples fuentes se han mejorado notablemente. Estos instrumentos se están desarrollando progresivamente hacia un mayor campo de visión, un mayor rendimiento, un tamaño reducido, una visualización estática y una mayor resolución. Simultáneamente, con la maduración de la tecnología de teledetección hiperespectral, su coste se reducirá significativamente, y la comercialización de productos de datos de teledetección hiperespectral constituirá una importante línea de desarrollo futuro.

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