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高光谱遥感就是“火眼金睛”

l  高光谱遥感技术是怎么回事儿?

在电影《地雷战》中有一个情景:民兵埋地雷的时候,用树枝进行掩盖,让埋藏地雷的地方看起来和周围一样;还有的干脆把鞋脱了,轻轻地压一个鞋印,以迷惑敌人。而在今天,这种伪装一点用也没有了,高光谱遥感技术就能将一个个地雷精确地找到。


l  光谱:物体独一的身份证

遥感可以概括为借助光、热、无线电波等电磁能量来探测地物特性的科学。在20世纪60年代之前,人类对地球和宇宙的观测还主要以可见光为主。人们日常生活中所见的光,是由多种颜色构成的复色光,通过棱镜等分光后显现的是单色光。这些单色光按不同波长(或频率)大小依次排列形成的图案,就是光谱。地球上不同的元素及其化合物,由于物质组成、结构等不同,都有不同的光谱特征。

这些独特的光谱特性,类似于人类指纹的功能,是遥感科学中用以识别和分析不同物体特征的一种重要的“身份证”。

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高光谱遥感实际上是一种简称,它的全称叫“高光谱分辨率遥感”。它不像多光谱遥感中根据颜色的差异来分辨目标,而是根据谱段光谱曲线的形态来分析目标。

光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式。如果说肉眼光学成像能看到物质的形状、尺寸等信息,光谱分析则能获取物质的成分信息。

据中国科学院遥感与数字地球研究所张兵研究员介绍,高光谱遥感能在可见光到短波红外范围内连续光谱成像,不仅光谱探测范围超过了肉眼的感知,还能连续记录数百个光谱波段。

因此,用肉眼甚至普通的光学遥感不能识别的地面物体,这项技术都能够更好地分辨出其内在的物理、化学特性,甚至是物质的分子和原子结构。

如果说彩色合成遥感图像主要是根据颜色和形态的差异来分辨地面物体,那么高光谱遥感则是根据光谱曲线的形态来识别地面物体。它利用成像光谱仪在连续的几十个甚至几百个光谱通道获取地物辐射信息,在取得地物空间图像同时,每个像元都能够得到一条包含地物诊断性光谱特征的连续光谱曲线。

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张兵举例说:“在数百公里高度运行的高光谱卫星,不仅能观测到地面覆盖的是不是植被,还能探知这些植被的具体种类和长势如何。”

高光谱遥感的出现,是遥感领域的一场革命,使本来在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱遥感中能被探测。


l  “火眼金睛”怎样炼成

文章开头提到的埋藏的地雷是如何被高光谱遥感技术轻易发现的呢?因为土壤被挖开后再回填回去,土壤的结构、水分都改变了,高光谱遥感技术就是根据这种细微的土质变化,发现了地雷的藏身处。

在阿富汗战争期间,美军利用高光谱遥感仪器,可以探测出塔利班武装晚上经常走的道路。高光谱遥感技术还可以发现隐蔽的哨所、坦克,伪装起来的军事设施。

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当前,农业生产管理存在作物营养和病虫害等农情信息大面积监测不及时、监测水平以定性为主、监测精度无法实现定量的精准变量肥水药管理等难题。

高光谱遥感技术可以对任何一种农作物的品种、类型、种植面积等情况进行调查,甚至可以对农作物的叶绿素、氮磷钾含量进行分析,为相关决策提供科学依据。中国科学院遥感与数字地球研究所黄文江带领的植被定量遥感研究团队,开展的即是这一工作。


l  我国高光谱遥感技术与国际基本同步

高光谱遥感技术起源于20世纪80年代,已形成了一个颇具特色的前沿领域。我国高光谱遥感的起步和发展基本与国际同步,在开创初期,中科院童庆禧院士和薛永祺院士为此做出了重大贡献。

1989年,中科院研制了我国第一台模块化航空成像光谱仪,并在20世纪90年代又陆续研发了推帚式成像光谱仪、新型模块化成像光谱仪、轻型高稳定度干涉成像光谱仪等。

2002年“神舟三号”搭载了我国第一台航天成像光谱仪,此后我国发射的“嫦娥1号”探月卫星、环境与减灾小卫星(HJ-1)星座、风云气象卫星等也都搭载了航天成像光谱仪。

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天宫一号对接图(左)嫦娥一号卫星(右)

我国的高光谱遥感科技发展一直处于国际前列,中科院自主研发的高光谱图像处理与分析通用软件系统(HIPAS)被国际同行评为国际六大顶尖高光谱图像处理软件之一,并在高光谱遥感应用方面实现了向美、日、澳等发达国家的技术输出,成果在国际上产生了重大影响。

目前,高光谱遥感技术和应用在中国科学院逐渐形成了一个成熟的研究方向和学科领域,具有一支从技术发展到应用研究的专业科研队伍。




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