天上的“眼睛”这样看清地面物体的“指纹”

栏目:文化资讯    来源:互联网    作者:余梓阳    发布时间:2021-09-23 14:56

天空中的“眼睛”就是这样看到地面物体的“指纹”的。

除了探测可见光到短波红外,遥感仪器还可以探测紫外、中红外和热红外波段。如果将高光谱设备比作照相机,它的功能是在每个光谱波段拍摄照片。例如,一些传感器在400-2500 nm范围内有330个光谱通道,这意味着它可以一次在同一区域拍摄330张照片。

9月7日11时01分,我国用长征四号丙-姚40运载火箭在太原卫星发射中心成功发射了高光谱观测卫星。该卫星的任务是利用高光谱数据观测中国的大气、水和陆地环境。

高光谱遥感作为遥感技术的前沿,对很多人来说还是一个相对“遥远”的专业名词。其实高光谱的意义并不神秘。在接受科技日报记者专访时,高光谱观测卫星副总设计师李云端和江苏省农业科学院信息中心遥感大数据方向负责人毛星做了相关科普。原来,高光谱遥感就像一只“眼睛”,只不过它探测到的光谱范围比人眼的光谱范围要宽得多、细得多。地面上的每一个物体都有自己独特的光谱特征,就像“指纹”一样。专家可以通过从高光谱遥感卫星获得的光谱信息来识别地面物体的成分。

能识别“指纹”的“眼睛”。

在高光谱观测卫星上,共有七个遥感仪器,包括两个地表成像仪和五个大气成分探测器。探测光谱覆盖从紫外到长波红外的光谱,采用高光谱、高精度偏振等多种手段获取大气和地表的空间几何、辐射、光谱、偏振等多种信息。

高光谱观测卫星之所以像“眼睛”,是因为卫星像人眼一样,通过获取光谱来收集信息。但是人眼的观测范围非常有限,仅限于可见光频率范围,而高光谱观测卫星的“可见光”范围要宽得多。毛星说,除了探测可见光到短波红外,遥感仪器还可以探测紫外、中红外和热红外波段。如果将高光谱设备比作照相机,它的功能是在每个光谱波段拍摄照片。例如,一些传感器在400-2500 nm范围内有330个光谱通道,这意味着它可以一次在同一区域拍摄330张照片。

李云端以卫星搭载的7台遥感仪器为例进行了深入解读。“卫星搭载的可见光短波红外高光谱相机,可以进行从可见光到短波红外的连续光谱成像,其探测光谱范围比人眼要宽得多、精细得多。它可以精细识别各种地物,可应用于生态环境监测、水环境监测、地质勘探等领域。卫星上的其他六个有效载荷也很有特点。例如,全光谱光谱成像仪可以获取中长波红外光谱中地物的辐射信息,精确探测地物的温度和干旱情况。大气痕量气体差分吸收光谱仪可以获得从紫外光到可见光的高光谱信息,检测大气中的二氧化氮等污染气体。大气中二氧化氮的浓度在10ppb左右,所以检测精度一定很高。多角度偏振成像仪和高精度偏振成像仪可联合探测大气,可监测全球大气细颗粒物污染(PM2.5/PM10)。温室气体监测器可以同时检测大气中的二氧化碳和甲烷。吸收性气溶胶探测器可以在有薄云的情况下以高分辨率探测烟雾分布。”

卫星采集的大气和地表的光谱信息包含了各种目标物体的光谱特征,这些目标物体就像人类的指纹一样,具有自己独特的光谱特征,科学家可以利用这些光谱信息来识别物体的成分。

解决遮挡和混叠问题的先进技术。

我们可以将地物的光谱特征与指纹进行比较,但在现实中,指纹识别存在模糊、混淆等问题。高光谱观测卫星会遇到这个问题吗?毛星说,在高光谱观测的实际应用中,很容易出现异物共用同一光谱、不同光谱的现象。例如,树木和草地的光谱曲线有时看似相似,同一棵树从两个位置观察到的光谱曲线也可能不同。在实践中,为了避免上述两种情况,科学家不仅会利用物体的光谱信息,还会结合物体的空间位置信息进行区分。

除了同光谱异物和不同光谱异物的问题,李云端表示,当在高光谱仪器的一个像素中观察到多种物质时,会出现光谱混叠。科学家们依靠一种成熟的算法来解决混叠问题,该算法可以根据不同成分对光谱的影响来计算它们的含量。此外,科学家正在开发新一代高光谱成像仪,以进一步提高成像仪的空间分辨率,使获取的光谱“更纯净”,并在一定程度上减少光谱混叠。

光谱识别的困难可以通过算法解决,听起来同样困难的“物理遮挡”则是通过先进的仪器和算法专门处理的。至于云造成的阻碍,李云端解释说,云确实阻挡了对地球表面的可见光和红外观测,但高光谱观测卫星上的吸收性气溶胶探测器可以用紫外线透过薄云观测雾霾和吸收性气溶胶的分布。毛星补充说,除了传统的去云技术外,高光谱观测也有一些深度学习的技术来还原云层被遮挡的部分。

对于植被,农科院研究员毛星表示,植被一般是研究对象或背景对象,不是干扰项。李云端提醒,生态环境、农业、林草等用户都需要直接观察植物,因此是重要的观察对象。当需要观察地表时,植被确实会造成障碍,但植物会吸收土壤中的成分,不同成分的土壤会改变植物叶片的光谱曲线。例如,现有文献表明,植物叶片的光谱曲线与地下油气资源有很强的相关性。

好的数据是最后一关。

今年7月,国防科技工业局重大专项中心工作人员向科技日报记者讲解了高分专项与具体应用的关系。我们的期望是,政府部门和社会力量能够利用好数据,把这道菜做好。"

在得到“生食材”观测数据之后,科学家和技术人员还需将其进行处理、分析,才能形成有价值的“佳肴”研究成果。

李云端解读说,获取数据后还有很多工作,不同类型遥感仪器的处理也不一样。总的来说,分析流程可以分为数据处理和生成产品两大部分,地面系统负责进行数据处理,各用户完成产品生成工作。而地面处理主要包括辐射定标、光谱定标、几何定位等工作,有的干涉型载荷还需要进行谱复原等处理。在这个基础上,用户可以利用卫星数据生成七十多种产品。

作为高分数据的用户之一,毛星表示,高光谱遥感在农业应用中十分广泛,可以用于农作物估产、长势监测、病虫害识别、农作物精细分类、杂草识别等工作。李云端介绍说,除农业领域以外,卫星也将为国内各行业用户提供亟须的高精度、高光谱遥感数据,包括我国环境的综合监测和监管,以及自然资源勘查、防灾减灾、林业资源清查、气候变化研究等领域。

此外,高光谱观测卫星有个值得一提的功能——它是我国目前唯一可用于大气污染气体探测的有效载荷,可单日覆盖全球污染气体监测,服务于我国“大气污染防治”及“臭氧和PM2.5协同探测”等国家战略。大气主要温室气体监测仪可实现1—4ppm的二氧化碳探测和30ppb的甲烷探测,让碳排放无所遁形,为我国“碳达峰与碳中和”战略提供重要支撑。

天上的“眼睛”这样看清地面物体的“指纹”