領(lǐng)域介紹

高光譜遙感是高光譜分辨率遙感的簡(jiǎn)稱。它是在電磁波譜的可見(jiàn)光，近紅外，中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。其成像光譜儀可以收集到上百個(gè)非常窄的光譜波段信息。高光譜遙感是當(dāng)前遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域,它利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲得有關(guān)數(shù)據(jù)，它包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。高光譜遙感的出現(xiàn)是遙感界的一場(chǎng)革命,它使本來(lái)在寬波段遙感中不可探測(cè)的物質(zhì),在高光譜遙感中能被探測(cè)。

人物簡(jiǎn)介

張兵，中科院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心副主任，中科院研究生院教授，繼承和發(fā)展了童慶禧院士和薛永祺院士開(kāi)創(chuàng)的高光譜遙感技術(shù)和應(yīng)用，是我國(guó)高光譜遙感科學(xué)與技術(shù)從誕生走向成熟、從科研走向?qū)嶋H應(yīng)用的最主要的貢獻(xiàn)人之一。

核心提示

人類“鳥(niǎo)瞰”地球的夢(mèng)想催生了遙感這門科學(xué)的興起，高光譜遙感是遙感科學(xué)最前沿的領(lǐng)域。

新中國(guó)建立后特別是最近的20多年，中國(guó)的高光譜遙感科技研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在某些方面的應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了出口。但是，由于缺乏持續(xù)性的支持，我們?cè)趦x器研制方面還處于落后局面。

人類鳥(niǎo)瞰地球的夢(mèng)想

遙感通俗講就是遙遠(yuǎn)的感知，是通過(guò)電磁波和記錄的相互作用，以波谷和空間兩維成像的方式來(lái)勘測(cè)記錄的技術(shù)。它的特點(diǎn)一是記錄電磁波，二是空間成像，非成像方式也有。

人類早期運(yùn)用遙感技術(shù)的手段很有限，在沒(méi)有飛機(jī)之前，人們用熱氣球、鴿子作為遙感的平臺(tái)，將照相機(jī)掛在熱氣球上或捆在鴿子腿上，對(duì)地球進(jìn)行遙感成像。

伴隨著飛機(jī)的問(wèn)世，航空遙感以及航空偵查在第一次世界大戰(zhàn)，尤其是第二次世界大戰(zhàn)得到了飛速的發(fā)展，但那時(shí)候的圖像都是黑白的，也就是我們說(shuō)的全波段圖像。

1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，拉開(kāi)了人類進(jìn)入航天遙感的序幕，他們把相機(jī)放在衛(wèi)星上，圍著地球轉(zhuǎn)，對(duì)地面進(jìn)行拍攝。1972年，美國(guó)發(fā)射了陸地衛(wèi)星，這是航天遙感的標(biāo)志性事件。

遙感有很多種類型。按照遙感平臺(tái)的不同，可以分為航空遙感、航天遙感;按照譜段可以分為可見(jiàn)光遙感、紅外搖桿和微波微波遙感，按照遙感感測(cè)目標(biāo)能源的方式分為主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感。

主動(dòng)遙感是指遙感器主動(dòng)發(fā)射一部分能量，到地面后反射回來(lái)，遙感器接收它反射回來(lái)的能量，通過(guò)這種方式進(jìn)行分析研究的遙感;被動(dòng)遙感是指遙感器只是被動(dòng)接收。

光學(xué)遙感技術(shù)主要是側(cè)重在光學(xué)這部分，可以分為全色遙感、彩色攝影、多光譜掃描成像，光譜遙感發(fā)展的最前沿就是高光譜遙感。

高光譜遙感實(shí)際上是一種簡(jiǎn)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(lái)分辨目標(biāo)，而是根據(jù)譜段光譜曲線的形態(tài)來(lái)分析目標(biāo)是什么。這個(gè)譜段的形態(tài)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力很強(qiáng)，舉例說(shuō)，它不僅僅能夠知道地面目標(biāo)物體是不是植物，還能知道這些植物是水稻還是玉米。

應(yīng)用技術(shù)出口發(fā)達(dá)國(guó)家

主持人：中國(guó)現(xiàn)在在高光譜遙感領(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀如何?

張兵：咱們國(guó)家的高光譜遙感分儀器和應(yīng)用模型兩個(gè)方面，說(shuō)中國(guó)高光譜遙感的發(fā)展，必須提到兩位院士，一位是童慶禧院士，還有一位薛永琪院士。童慶喜院士是遙感應(yīng)用研究所的，我是他的學(xué)生。

童院士是我們國(guó)家高光譜遙感的開(kāi)拓者，這個(gè)概念是從美國(guó)引入過(guò)來(lái)的，他跟薛院士共同協(xié)作推動(dòng)了咱們國(guó)家高光譜遙感的發(fā)展。

童院士側(cè)重于概念設(shè)計(jì)，跟上海研究所一起，引進(jìn)了一些概念的設(shè)計(jì)，儀器制造是在薛院士這里。研究這塊是童院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)。

從80年代初開(kāi)始，我們陸續(xù)有一些高光譜遙感儀器在上海技術(shù)研究所研制出來(lái)了，后來(lái)去日本、馬來(lái)西亞、澳大利亞做實(shí)驗(yàn)，我們帶的都是我們自己的機(jī)器。2002年《科學(xué)時(shí)報(bào)》專門登過(guò)一篇采訪我的稿子，我們?nèi)ト毡咀鰧?shí)驗(yàn)，高技術(shù)出口。這是比較少有的，在空間領(lǐng)域我們的技術(shù)能跟國(guó)外相比。

我們國(guó)家在高光譜遙感研究領(lǐng)域起步比較早，趕上了國(guó)際，但這幾年尤其在儀器研制方面我們是落后的，一個(gè)很重要的原因是我們?nèi)狈Τ掷m(xù)性的支持。在發(fā)展得很好的國(guó)家，第一代研制出來(lái)后，國(guó)家會(huì)再投入第二代、第三代的研發(fā)，給與一種持續(xù)性的支持。

在儀器方面，西安光機(jī)所這幾年也開(kāi)始做高光譜儀，但是他們做的是干涉型的，上海激光所起步比較早，基礎(chǔ)比較好一些。

在應(yīng)用技術(shù)方面，我們給美國(guó)、澳大利亞、日本、馬來(lái)西亞都提供過(guò)技術(shù)，應(yīng)該說(shuō)在應(yīng)用技術(shù)方面我們是不落后的。

現(xiàn)在高光遙感主要是美國(guó)、歐洲、澳大利亞、中國(guó)，日本現(xiàn)在開(kāi)始做起來(lái)了，主要是對(duì)地面成像地?cái)?shù)據(jù)分析這一塊。

對(duì)大氣這一塊，我們國(guó)家比較落后，因?yàn)樗麄兏�多的是�?cè)重在全球溫室氣體，面對(duì)全球變化的一些大的計(jì)劃，這一塊做得比較好的有美國(guó)、歐洲和日本。

美國(guó)航空遙感技術(shù)最先進(jìn)

主持人：從航空遙感的角度來(lái)說(shuō)，歐美國(guó)家的水平如何?

張兵：美國(guó)是最先進(jìn)的，歐洲發(fā)射了一個(gè)衛(wèi)星Chris，也只有可見(jiàn)光譜段，跟我們差不多，但是他們空間分辨率高，可以達(dá)到17米。

我們國(guó)家（航空遙感的空間分辨率）是100米，美國(guó)是30米，但是美國(guó)這30米很厲害，關(guān)鍵是它的譜段很強(qiáng)。

航空的成像光譜議現(xiàn)在發(fā)展得非�？�，美國(guó)在1988年就制定了航天Paris計(jì)劃，但1992年因?yàn)榧夹g(shù)原因終止了。

美國(guó)曾經(jīng)先后發(fā)射過(guò)幾個(gè)軍用衛(wèi)星，1987年發(fā)射了TRW，但發(fā)射失敗。

2001年，美國(guó)又發(fā)射了Orbiting Carbon Observatory“軌道碳觀測(cè)者”衛(wèi)星，也是很先進(jìn)的，它的像源是8到20米，但分辨率一高，幅寬?cǎi)R上就變窄了。這顆衛(wèi)星有200個(gè)譜段，是0.4到2.5微米，也就是400到2500納米。但是這顆衛(wèi)星也發(fā)射失敗了，掉到了印度洋里。

2000年，美國(guó)軍方還發(fā)射了另一個(gè)航空遙感衛(wèi)星，主要是做一些大型探測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究。

目前最成功的航空遙感衛(wèi)星，就是前面說(shuō)的分辨率是30米的那顆美國(guó)衛(wèi)星，它的幅寬是7.5公里，有220個(gè)譜段，10納米的光譜分辨率。

高光譜遙感有廣泛的民用空間

高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，日本今年1月23號(hào)，發(fā)射了世界首顆溫室氣體觀測(cè)衛(wèi)星“呼吸”號(hào)，專門檢測(cè)二氧化碳、甲烷、一氧化氮等溫室氣體。

在精細(xì)農(nóng)業(yè)方面，我們和日本合作做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也是高光譜技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)非常經(jīng)典的例子：用高光譜數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況。其實(shí)，高光譜遙感技術(shù)不僅能夠監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況，還可以對(duì)任何一種作物的種植面積等情況進(jìn)行調(diào)查，給政府決策提供依據(jù)。

除了調(diào)查作物的品種、類型、種植面積等以外，還可以做到作物的葉綠素、氮磷鉀含量的調(diào)查，但后者還正在研究之中，不是非常成熟。

在地礦調(diào)查中，高光譜遙感技術(shù)也可以給地址工作者提供幫助。以前地質(zhì)學(xué)家做地礦調(diào)查非常辛苦，背一個(gè)書包，拿一個(gè)羅盤，別人調(diào)侃說(shuō)搞地質(zhì)的人，遠(yuǎn)看是個(gè)要飯的，近看是搞勘探的。他們出去到野外考察，一住可能就是好幾天，然后花很大的氣力把采集到得礦物標(biāo)本背回來(lái)。因?yàn)橐�做礦物填圖，要沿著這個(gè)地方走一圈，走一段一看地層變化了，就敲一塊往包里一裝，然后把位置記下來(lái)，回來(lái)后做化學(xué)成份分析，最后把它標(biāo)到圖上去，位置是在哪發(fā)現(xiàn)的，才能把圖填出來(lái)。

有了光譜議，他們的工作減輕了很多，不用再花那么大的力氣背礦石標(biāo)本，只要到了那個(gè)地方用光譜議一照，就能獲得巖石的一條光譜曲線，回來(lái)后根據(jù)光譜曲線一分析，就能知道那個(gè)地方有什么礦，是怎么分布的。

高光譜遙感技術(shù)還可以給森林火災(zāi)預(yù)警、地表膨脹、城市調(diào)等等各種工作提供幫助。

運(yùn)用到軍事上，能讓目標(biāo)無(wú)法隱藏

高光譜遙感的區(qū)分能力在軍事上運(yùn)用是很強(qiáng)大的，所以它很大的一個(gè)用處就是軍事用途。比如，你看到一個(gè)綠色的網(wǎng)，拍一般的圖片，看起來(lái)都是一樣的，但高光譜一看，就它能發(fā)現(xiàn)隱蔽的哨所、坦克、偽裝起來(lái)的軍事設(shè)施。

美國(guó)人強(qiáng)調(diào)定點(diǎn)攻擊，它想在晚上攻擊一些重要的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，比如煉油廠之類的，這時(shí)高光譜遙感技術(shù)就能派上大用場(chǎng)。通常情況下，居民樓的光線和工業(yè)區(qū)的燈光是不一樣的，如果光譜議能夠把光線的曲線探測(cè)到，就可以根據(jù)夜間光譜光線亮度的情況，知道這塊區(qū)域是居民區(qū)，還是工業(yè)區(qū)。

還有偽裝，高光譜遙感技術(shù)能讓一切的偽裝現(xiàn)出原形，這種功能是多光譜遙感也無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

我們小時(shí)看的電影《地雷戰(zhàn)》有一個(gè)情景：民兵把地雷埋下去以后，拿樹(shù)枝掃一下地面，讓埋藏地雷的地方看起來(lái)和周圍一樣。還有的干脆把鞋脫了，輕輕的在藏地雷那地方壓一個(gè)鞋印，以迷惑敵人。現(xiàn)在，這種偽裝一點(diǎn)用也沒(méi)有，高光譜遙感技術(shù)能把一個(gè)個(gè)地雷的位置找到。

它是怎么找到呢?因?yàn)橥寥劳陂_(kāi)之后再回填回去，土壤的結(jié)構(gòu)變了，水分也變了，高光譜遙感就是根據(jù)這種細(xì)微的土質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)地雷的藏身地。

阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍想知道塔利班武裝晚上大概都經(jīng)常走哪條路，于是就拿高光譜遙感儀器去探測(cè)，根據(jù)的就是上面的道理。