中國高光譜遙感應(yīng)用技術(shù)出口發(fā)達國家

領(lǐng)域介紹

高光譜遙感是高光譜分辨率遙感的簡稱。它是在電磁波譜的可見光，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)是遙感界的一場革命,它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì),在高光譜遙感中能被探測。

人物簡介

張兵，中科院對地觀測與數(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創(chuàng)的高光譜遙感技術(shù)和應(yīng)用，是我國高光譜遙感科學(xué)與技術(shù)從誕生走向成熟、從科研走向?qū)嶋H應(yīng)用的最主要的貢獻人之一。

核心提示

人類“鳥瞰”地球的夢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。

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

人類鳥瞰地球的夢想

遙感通俗講就是遙遠的感知，是通過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勘測記錄的技術(shù)。它的特點一是記錄電磁波，二是空間成像，非成像方式也有。

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

伴隨著飛機的問世，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，但那時候的圖像都是黑白的，也就是我們說的全波段圖像。

1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，拉開了人類進入航天遙感的序幕，他們把相機放在衛(wèi)星上，圍著地球轉(zhuǎn)，對地面進行拍攝。1972年，美國發(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光遙感、紅外搖桿和微波微波遙感，按照遙感感測目標(biāo)能源的方式分為主動遙感和被動遙感。

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

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。

高光譜遙感實際上是一種簡稱，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)顏色的差異來分辨目標(biāo)，而是根據(jù)譜段光譜曲線的形態(tài)來分析目標(biāo)是什么。這個譜段的形態(tài)對目標(biāo)的識別能力很強，舉例說，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)達國家

主持人：中國現(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：咱們國家的高光譜遙感分儀器和應(yīng)用模型兩個方面，說中國高光譜遙感的發(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。

童院士是我們國家高光譜遙感的開拓者，這個概念是從美國引入過來的，他跟薛院士共同協(xié)作推動了咱們國家高光譜遙感的發(fā)展。

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

從80年代初開始，我們陸續(xù)有一些高光譜遙感儀器在上海技術(shù)研究所研制出來了，后來去日本、馬來西亞、澳大利亞做實驗，我們帶的都是我們自己的機器。2002年《科學(xué)時報》專門登過一篇采訪我的稿子，我們?nèi)ト毡咀鰧嶒�，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)能跟國外相比。

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

在儀器方面，西安光機所這幾年也開始做高光譜儀，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、澳大利亞、日本、馬來西亞都提供過技術(shù)，應(yīng)該說在應(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、歐洲、澳大利亞、中國，日本現(xiàn)在開始做起來了，主要是對地面成像地數(shù)據(jù)分析這一塊。

對大氣這一塊，我們國家比較落后，因為他們更多的是側(cè)重在全球溫室氣體，面對全球變化的一些大的計劃，這一塊做得比較好的有美國、歐洲和日本。

美國航空遙感技術(shù)最先進

主持人：從航空遙感的角度來說，歐美國家的水平如何?

張兵：美國是最先進的，歐洲發(fā)射了一個衛(wèi)星Chris，也只有可見光譜段，跟我們差不多，但是他們空間分辨率高，可以達到17米。

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

航空的成像光譜議現(xiàn)在發(fā)展得非常快，美國在1988年就制定了航天Paris計劃，但1992年因為技術(shù)原因終止了。

美國曾經(jīng)先后發(fā)射過幾個軍用衛(wèi)星，1987年發(fā)射了TRW，但發(fā)射失敗。

2001年，美國又發(fā)射了Orbiting Carbon Observatory“軌道碳觀測者”衛(wèi)星，也是很先進的，它的像源是8到20米，但分辨率一高，幅寬馬上就變窄了。這顆衛(wèi)星有200個譜段，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，美國軍方還發(fā)射了另一個航空遙感衛(wèi)星，主要是做一些大型探測和實驗研究。

目前最成功的航空遙感衛(wèi)星，就是前面說的分辨率是30米的那顆美國衛(wèi)星，它的幅寬是7.5公里，有220個譜段，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，發(fā)射了世界首顆溫室氣體觀測衛(wèi)星“呼吸”號，專門檢測二氧化碳、甲烷、一氧化氮等溫室氣體。

在精細農(nóng)業(yè)方面，我們和日本合作做的一個實驗，也是高光譜技術(shù)應(yīng)用的一個非常經(jīng)典的例子：用高光譜數(shù)據(jù)來監(jiān)測作物生長狀況。其實，高光譜遙感技術(shù)不僅能夠監(jiān)測作物的生長狀況，還可以對任何一種作物的種植面積等情況進行調(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，背一個書包，拿一個羅盤，別人調(diào)侃說搞地質(zhì)的人，遠看是個要飯的，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。因為要做礦物填圖，要沿著這個地方走一圈，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，回來后做化學(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。

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，只要到了那個地方用光譜議一照，就能獲得巖石的一條光譜曲線，回來后根據(jù)光譜曲線一分析，就能知道那個地方有什么礦，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。

運用到軍事上，能讓目標(biāo)無法隱藏

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

美國人強調(diào)定點攻擊，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，這時高光譜遙感技術(shù)就能派上大用場。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法實現(xiàn)的。

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

它是怎么找到呢?因為土壤挖開之后再回填回去，土壤的結(jié)構(gòu)變了，水分也變了，高光譜遙感就是根據(jù)這種細微的土質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)地雷的藏身地。

阿富汗戰(zhàn)爭期間，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，根據(jù)的就是上面的道理。