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高光譜遙感帶你穿云透霧火眼金睛

作者: 2017年07月28日 來源:化工儀器在線 瀏覽量:
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在電影《地雷戰(zhàn)》中有一個情景:民兵埋地雷的時候,用樹枝進行掩蓋,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,輕輕地壓一個鞋印,以迷惑敵人。但是在今天,這種偽裝就一點用也沒有了,高光譜遙感技術(shù)

   在電影《地雷戰(zhàn)》中有一個情景:民兵埋地雷的時候,用樹枝進行掩蓋,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,輕輕地壓一個鞋印,以迷惑敵人。但是在今天,這種偽裝就一點用也沒有了,高光譜遙感技術(shù)能將一個個地雷精確地找到?!   ≡?016年度中國遙感領(lǐng)域10大事件評選中,“遙感技術(shù)首次輔助城市黑臭水體整治工作取得實效”名列榜首。而這與高光譜遙感技術(shù)有很密切的聯(lián)系?!   ∧敲?,高光譜遙感技術(shù)到底是怎么回事兒?高光譜分辨率遙感是用很窄而連續(xù)的光譜通道對地物持續(xù)遙感成像的技術(shù)。在可見光到短波紅外波段其光譜分辨率高達納米(nm)數(shù)量級,通常具有波段多的特點,光譜通道數(shù)多達數(shù)十甚至數(shù)百個以上,而且各光譜通道間往往是連續(xù)的,因此高光譜遙感又通常被稱為成像光譜遙感?!   ≡陔娪啊兜乩讘?zhàn)》中有一個情景:民兵埋地雷的時候,用樹枝進行掩蓋,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,輕輕地壓一個鞋印,以迷惑敵人。但是在今天,這種偽裝就一點用也沒有了,高光譜遙感技術(shù)能將一個個地雷精確地找到。    1.光譜:物體獨一的身份證    遙感可以概括為借助光、熱、無線電波等電磁能量來探測地物特性的科學。在20世紀60年代之前,人類對地球和宇宙的觀測還主要以可見光為主?!   ∪藗?nèi)粘I钪兴姷墓?,是由多種顏色構(gòu)成的復色光,通過棱鏡等分光后顯現(xiàn)的是單色光。這些單色光按不同波長(或頻率)大小依次排列形成的圖案,就是光譜。地球上不同的元素及其化合物,由于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)等不同,都有不同的光譜特征。這些獨特的光譜特性,類似于人類指紋的功能,是遙感科學中用以識別和分析不同物體特征的一種重要的“身份證”?!   「吖庾V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,而是根據(jù)譜段光譜曲線的形態(tài)來分析目標是什么。光譜分析是人類借助光認知世界的重要方式。如果說肉眼光學成像能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息,光譜分析則能獲取物質(zhì)的成分信息?!   ?jù)中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所張兵研究員介紹,高光譜遙感能在可見光到短波紅外范圍內(nèi)連續(xù)光譜成像,不僅光譜探測范圍超過了肉眼的感知,還能連續(xù)記錄數(shù)百個光譜波段。因此,用肉眼甚至普通的光學遙感不能識別的地面物體,這項技術(shù)都能夠更好地分辨出其內(nèi)在的物理、化學特性,甚至是物質(zhì)的分子和原子結(jié)構(gòu)?!   ∪绻f彩色合成遙感圖像主要是根據(jù)顏色和形態(tài)的差異來分辨地面物體,那么高光譜遙感則是根據(jù)光譜曲線的形態(tài)來識別地面物體。它利用成像光譜儀在連續(xù)的幾十個甚至幾百個光譜通道獲取地物輻射信息,在取得地物空間圖像同時,每個像元都能夠得到一條包含地物診斷性光譜特征的連續(xù)光譜曲線。張兵舉例說:“在數(shù)百公里高度運行的高光譜衛(wèi)星,不僅能觀測到地面覆蓋的是不是植被,還能探知這些植被的具體種類和長勢如何。”    高光譜遙感的出現(xiàn),是遙感領(lǐng)域的一場革命,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?!   ?.“火眼金睛”怎樣煉成    上文提到的埋藏的地雷是如何被高光譜遙感技術(shù)輕易發(fā)現(xiàn)的呢?因為土壤被挖開后再回填回去,土壤的結(jié)構(gòu)、水分都改變了,高光譜遙感技術(shù)就是根據(jù)這種細微的土質(zhì)變化,發(fā)現(xiàn)了地雷的藏身處。在阿富汗戰(zhàn)爭期間,美軍利用高光譜遙感儀器,可以探測出塔利班武裝晚上經(jīng)常走的道路。高光譜遙感技術(shù)還可以發(fā)現(xiàn)隱蔽的哨所、坦克,偽裝起來的軍事設(shè)施?!   ‘斍?,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理存在作物營養(yǎng)和病蟲害等農(nóng)情信息大面積監(jiān)測不及時、監(jiān)測水平以定性為主、監(jiān)測精度無法實現(xiàn)定量的精準變量肥水藥管理等難題。高光譜遙感技術(shù)可以對任何一種農(nóng)作物的品種、類型、種植面積等情況進行調(diào)查,甚至可以對農(nóng)作物的葉綠素、氮磷鉀含量進行分析,為相關(guān)決策提供科學依據(jù)。中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所黃文江帶領(lǐng)的植被定量遙感研究團隊,開展的即是這一工作。    高光譜遙感技術(shù)還可以為地質(zhì)學家提供幫助。以前,地質(zhì)學家野外考察時,背著包、拿著羅盤,需要花很大氣力把采集到的礦物標本一一背回來進行研究。而自從有了高光譜儀器,他們只要到一個地方用高光譜儀器掃描一下,就可以獲得巖石的一條光譜曲線,從野外回來后根據(jù)光譜曲線進行分析,可以知道這個地方礦物分布種類以及區(qū)域?!   〗陙恚上窆庾V技術(shù)也逐漸滲透進了各種非傳統(tǒng)遙感行業(yè),比如在醫(yī)學、生物、刑偵、考古、文物保護等領(lǐng)域開展了廣泛的探索性應(yīng)用。2006年中科院成功研制了國內(nèi)首套擺掃式地面成像光譜儀,并與故宮博物院等單位合作在古畫、唐卡、壁畫、墨書等文物的識別和鑒別方面取得了開創(chuàng)性成果。光譜分析技術(shù)與智能手機的融合誕生了面向普通民眾的高光譜應(yīng)用,借助于嵌入到智能手機里的光譜儀,人們能夠隨時隨地用手機快速檢測果蔬農(nóng)藥殘留和食品品質(zhì)安全等信息?!   ?.水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域大有可為    當前,全國城市黑臭水體的篩查、治理過程監(jiān)督和整治效果評價,都迫切需要遙感大范圍動態(tài)監(jiān)測提供科技支撐,但黑臭水體遙感監(jiān)測的有關(guān)研究幾乎為空白。高光譜遙感技術(shù)可以對不同污染程度和不同污染來源的黑臭水體進行區(qū)分?!   ≈袊茖W院遙感與數(shù)字地球研究所水環(huán)境遙感研究團隊在北京等城市開展了十余次黑臭水體野外實驗,積累了141個黑臭采樣點的實測遙感反射率等數(shù)據(jù)。基于黑臭水體和一般水體的反射率細微的光譜差異,發(fā)展了決策分類樹,可以區(qū)分一般水體、三種類型的輕度黑臭水體和七種類型的重度黑臭水體。并發(fā)展了基于純度算法的多光譜遙感識別算法,可以識別一種類型的重度黑臭水體,識別精度約90%?;谶@一方法,作為參研單位之一,進行了13個城市黑臭水體遙感篩查與實地驗證。    利用高光譜數(shù)據(jù)對內(nèi)陸水質(zhì)開展水華和水生高等植物的識別,從而對水質(zhì)分布情況進行監(jiān)測,也是高光譜遙感的重要應(yīng)用。由于水草和水華光譜與植被光譜具有一定的相似性,常用的多光譜遙感數(shù)據(jù)很難精確識別水華和水草,只有高光譜遙感數(shù)據(jù)才能夠捕捉復雜多變的水華、水草和水體細致的光譜差異,從而對水華和水草進行精確識別。水環(huán)境遙感研究團隊利用高光譜遙感技術(shù)等構(gòu)建了水體葉綠素a濃度、總懸浮物濃度、水色FU值等9種水質(zhì)參數(shù)、19個反演模型。其中,針對渾濁水體的懸浮物濃度精度提高了19.7%;研發(fā)了國內(nèi)首個在國家級和省級環(huán)保部門業(yè)務(wù)化運行的內(nèi)陸水環(huán)境遙感系統(tǒng),為環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心等部門開展水環(huán)境遙感應(yīng)用提供了有力支撐?!   「吖庾V遙感技術(shù)起源于20世紀80年代,已形成了一個頗具特色的前沿領(lǐng)域。我國高光譜遙感的起步和發(fā)展基本與國際同步,在開創(chuàng)初期,中科院童慶禧院士和薛永祺院士為此做出了重大貢獻。    1989年,中科院研制了我國第一臺模塊化航空成像光譜儀,并在20世紀90年代又陸續(xù)研發(fā)了推帚式成像光譜儀、新型模塊化成像光譜儀、輕型高穩(wěn)定度干涉成像光譜儀等。2002年“神舟三號”搭載了我國第一臺航天成像光譜儀,此后我國發(fā)射的“嫦娥1號”探月衛(wèi)星、環(huán)境與減災(zāi)小衛(wèi)星(HJ-1)星座、風云氣象衛(wèi)星等也都搭載了航天成像光譜儀。    我國的高光譜遙感科技發(fā)展一直處于國際前列,中科院自主研發(fā)的高光譜圖像處理與分析通用軟件系統(tǒng)(HIPAS)被國際同行評為國際六大頂尖高光譜圖像處理軟件之一,并在高光譜遙感應(yīng)用方面實現(xiàn)了向美、日、澳等發(fā)達國家的技術(shù)輸出,成果在國際上產(chǎn)生了重大影響?!   ∧壳?,高光譜遙感技術(shù)和應(yīng)用在中國科學院逐漸形成了一個成熟的研究方向和學科領(lǐng)域,具有一支從技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用研究的專業(yè)科研隊伍。其中,以遙感與數(shù)字地球研究所張兵、張立福研究員和童慶禧院士為突出貢獻者的“高光譜遙感研究集體”獲得了2016年度中國科學院杰出科技成就獎。    編輯點評    最近幾十年,隨著空間技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等與遙感密切相關(guān)學科技術(shù)的飛速發(fā)展,遙感正在進入一個以高光譜遙感技術(shù)為主要標志的時代?!  ?/span>

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