我国高光谱遥感技术发展情况及展望

高光谱遥感技术  

高光谱遥感是用很窄且连续的光谱通道对地物进行持续遥感成像的技术，它是在成像和光谱学的基础上发展起来的。与地面光谱辐射计相比，高光谱遥感获取的不是点上的光谱测量，而是在连续空间上进行光谱测量，可以同时获取目标的图像信息和光谱信息。与传统的遥感相比，高光谱分辨率的成像光谱仪为每一个成像像元提供很窄的成像波段，其分辨率高达纳米数量级，光谱通道数多达数十甚至数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的。

高光谱遥感相对于传统遥感，能获得更多的光谱空间信息，在对地观测和环境调查中能够提供更为广泛的应用，主要体现在：地物的分辨识别能力大幅提高，成像通道数大大增加，使遥感从定性分析向定量或半定量的转化成为可能。

 我国高光谱遥感技术发展现状

我国的高光谱遥感技术起步较晚，但受到我国日益增长的并十分迫切的社会、经济需求的激励，无论是航空或航天遥感都获得了空前的发展机遇，得到了快速发展。

2002.3.25

2002年3月25日，“神舟三号”飞船搭载1台我国自行研制的中分辨率成像光谱仪，成为继美国在地球观测系统中Terra卫星上搭载成像光谱仪之后，第二个将高光谱载荷送上太空的国家。

2007.10.24

2007年10月24日发射的“嫦娥一号”探月卫星上，成像光谱仪也作为一种主要载荷进入月球轨道，这是我国的第一台基于傅里叶变换的航天干涉成像光谱仪。

2008.9.6

HJ-1A卫星于2008年09月06日在太原卫星发射中心与HJ-1B卫星 “一箭双星”成功发射，搭载高光谱成像仪，在大气监测、城市变化监测以及海洋等方面得到广泛应用。

2011.9.29

2011年9月29日发射的“天宫一号”目标飞行器携带了我国自行研制的高光谱成像仪。利用天宫一号光谱数据，在国土资源、海洋、林业、城市环境监测、水文生态监测等方面开展了较好的应用研究工作，取得了一批有价值的应用成果。

2018.5

2018年5月，高分五号成功发射，它是我国第一颗高光谱综合观测卫星、目前最为先进的高光谱探测卫星，也是国家“高分专项”中搭载载荷最多、光谱分辨率最高、研制难度最大的卫星。该卫星运行于同步轨道，用于获取从紫外到长波红外谱段的高光谱分辨率遥感数据样品

2019.9

2019年9月，“珠海一号”03组5颗卫星由长征十一号运载火箭在酒泉卫星发射中心采取一箭五星的方式成功送入预定轨道。03组卫星包括4颗高光谱卫星和1颗0.9m分辨率视频卫星，后续将继续发射6颗高光谱卫星，10颗高光谱卫星组网星座可以缩短重访周期，提高动态观测效率，实现地表环境监测的快速响应。

2021.9

2021年9月7日11时01分，我国太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭，成功将高分五号02星发射升空，该星共装载的七台遥感仪器。业务化运行后将用于国家污染减排、环境质量监管、大气成分与气候变化监测，开展污染气体、区域环境空气质量、大气成分、气候变化等高光谱遥感监测的应用示范。

目前，中国已成功建立和发展了自己的航空和卫星遥感对地观测体系，并广泛应用于资源和环境领域，在土地、植被和水资源调查、管理、地质矿产资源调查以及在灾害监测中均发挥着重要作用。

高光谱卫星技术展望  

探测波段进一步拓宽：时间/空间/光谱分辨率进一步提高

高光谱遥感技术在早期发展阶段的主要发展目标为提高光谱分辨率，以适应高精度、定量化遥感探测的需要。随着大面阵高分辨率探测器技术的进步，高光谱遥感技术在提高光谱分辨率的同时，开始向着高空间分辨率方向发展。

目前，国际上已经存在多种高光谱遥感观测卫星系统，探测波段范围覆盖了从可见光到热红外，光谱分辨率达到纳米级，波段数增至数百个，大大增强了遥感信息获取能力，可以精确的对地球表面的固体和液体化学组分进行分析。为了进一步对气体组分和大气性质进行研究，更高的光谱分辨率需求成为高光谱遥感不可阻挡的发展趋势。

另一方面，为了更精确和更快速的进行遥感观测，获得具有可靠性与时效性的遥感数据， 高光谱遥感技术高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的“三高”新特征已经越来越明显，以适应未来长期天气预报、精准农业监测、定量化土地与海洋资源调查、实时战场环境分析等新应用领域。

新原理、新方案不断提出：高光谱遥感技术种类进一步丰富

随着信息技术、成像技术及光学加工工艺的发展与进步，各类高光谱遥感新技术、新方案层出不穷，其核心分光元件开始由成熟的色散型及干涉型向多元化方向发展。目前已经出现了旋转滤光片型、声光调谐滤光片型、液晶调谐滤光片型、计算层析型等多种分光原理方案。

近年来，快照式成像光谱技术发展迅速。可在一次曝光时间内获得完整的三维图像光谱数据，在实时探测方面具有巨大的应用前景。编码孔径型成像光谱技术是将压缩感知的理论用在成像光谱仪上发展起来的一种新型快照式成像光谱技术，其利用编码图案对所有波长的空间信息进行调制，在面阵探测器上记录目标空间和光谱信息混合编码的强度图，最后利用多尺度重建算法从强度图中提取空间和光谱信息。三维成像光谱技术则是利用由多个不同倾斜角度的长条反射镜组成的图像分割元件，将目标图像切割成不同角度的图像，然后经色散棱镜传送到透镜阵列上，从而在大面阵探测器上得到不同角度图像的色散光谱图，该技术也是一种快照式成像光谱技术。

图像、光谱、偏振多元信息的一体化获取

高光谱遥感技术能够实现目标的光谱和图像信息的一体化获取，满足对地物化学组分和物体形貌特征探测的需求。但是在其他一些应用场景，比如对目标的表面特性观测、对隐藏目标的识别和追踪、气溶胶探测，特别是对相同材料制作的遥远目标（例如卫星和导弹），成像光谱技术将失去探测功能，这时偏振信息探测能起到关键作用。

偏振信息对目标的边角特征、表面粗糙度等有明显的识别能力，可以更好的描述物质的散射与反射特性。 在高光谱遥感技术中引入偏振信息，实现图像、光谱、偏振多元信息的一体化获取，可为目标探测、识别和确认提供更科学、更精确、更全面的探测技术和手段。 在对目标的探测和认知过程中，同一目标的图像、光谱和偏振态可以提供互补的多元信息，能够帮助分析目标丰富的物理化学性质，从而实现对目标更加全面、准确、科学的认识。在大气探测、水质监测、目标识别、军事侦察等领域有着重要的应用。开展图像、光谱、偏振多元信息一体化获取和偏振高光谱遥感技术应用研究是目前高光谱遥感技术发展的重要方向。

高光谱遥感智能化、大数据时代来临

现有的高光谱遥感卫星的运作主要由地面控制，海量高光谱遥感数据在星上进行存储与压缩，然后回传到地面接收站，最后进行地面数据处理获得遥感产品，并且卫星参数固定，不能灵活调整。伴随着“人工智能”时代的来临，将神经网络、机器学习等技术与高光谱遥感技术结合，构建具有星上高光谱成像载荷参数自动定标优化、星上数据信息实时处理与产品生成能力的“智能”高光谱遥感卫星系统成为了未来发展趋势。“智能”高光谱遥感卫星将具备智能化的信息感知能力，并且具有自适应调节能力，能够根据用户的需要实时产生高质量数据信息。

同时，伴随着高光谱成像遥感仪器的分辨率越来越高，获取信息维度越来越多的同时，获取的遥感数据量也是呈现爆炸式的增长，“大数据”特征十分显著。 如何有效地实现高光谱遥感有效数据挖掘，信息提取，提高数据压缩及数据传输效率，是未来高光谱遥感需要解决的重要问题。

高光谱遥感载荷的小型轻量化

随着小型无人机遥感技术及微纳卫星技术的发展，高光谱遥感也正在向着低成本、灵活机动、集成化及实时性强等方向发展。目前，基于小型无人机的轻小型高光谱遥感技术在农林病虫害观察、大型货物光学分拣、安防监测、目标搜寻及抢险救灾等领域隐藏着巨大的应用需求和价值。而微纳卫星则具有成本低、灵活性高、功耗低、开发周期短等优势，能够开展更为复杂的空间探测任务。

高光谱遥感与微纳卫星技术的结合，将促进一体化多功能结构、综合集成化空间探测载荷的创新发展 ，对未来高光谱遥感轻量化、集成化、系统化，实现空间组网、全天候实时探测具有重要的推动作用。

从近年来高光谱遥感技术的发展来看，许多新原理、新方案、新技术正在得到实施与应用，高光谱成像遥感仪器的结构更加趋于合理与简单，多元信息一体化获取功能大为增强，逐步向大视场、高通量、小型、静态、高分辨率的方向发展。同时，随着高光谱遥感技术的成熟，其成本将大大降低，高光谱遥感数据产品的商业化也将是未来发展的重要方向。

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