看山不是山，观水不仅是水一高光谱遥感自然资源应用

　　看山不是山，观水不仅是水一高光谱遥感自然资源应用

　　    遥感(RemoteSensing)指一种非接触式的探测手段。它通过遥感器获取地物反射的光能信息，并基于对这些光能信息的分析，进而了解物体的形状、大小、数量、内在组成等方面的特性。

　　    人眼其实就是一种遥感器。我们通过眼睛接收周围的光能信息（即视觉信息），即使不接触，我们也能识别出眼前的物体性质、颜色、数量。“两个黄鹂鸣翠柳，一行白鹭上青天。”这两句诗即表达了通过人眼，了解到物体的属性及颜色——“黄”鹂、“翠”柳、“白”鹭、“青”天；还了解到一些数量信息——“两个”、“一行”。这便是遥感探测信息的方式。

　　    不过，与人眼相比，现代遥感技术使用的遥感器收集光学信息的能力更为强大，这主要表现在两个方面。首先，人眼接受的光能信息主要是可见光，即波长约400―780纳米的电磁波，而遥感器“看到”的物质可以反映更长或更短波长的光学信息；其次，人眼对光学信息，只有模糊的感性认识，比如什么颜色，是否刺眼，而遥感器则能够定量地准确度量接收到的光能，包括来自什么波长范围，辐射亮度是多少等。然而，正如人眼收集到视觉信息后，需要大脑来分析，仅有收集光学信号的遥感器是不够的，还需要相应分析信息的科技，这就是遥感技术。根据遥感技术应用的需求、对象不同，遥感器可能搭载在不同的平台上。不同平台按照与地物距离的差异大体分为：地面遥感平台（如遥感塔、遥感车等）、航空遥感平台（如飞机、飞艇等）和航天遥感平台（典型的如人造卫星）。其中，地面遥感平台和航空遥感平台往往是面向单一的具体需求，开展相应的遥感影像数据获取任务；而卫星遥感器，则如同地球的专职摄影师，尽忠职守地对地球表面定期“留影”。

　　    高光谱遥感的技术优势

　　    《菩萨蛮·大柏地》词中有云“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞？”，这反映了人眼对可见光（波长范围：400纳米―780纳米）颜色的分辨能力。最常见的光学遥感器，与人眼类似，主要是能够分辨可见光范围内的颜色，但通常识别的是红、绿、蓝以及近红外波段。高光谱遥感器与这些常规的遥感器相比，极大地提高了获取光谱信息的细致程度。其名称中的“高光谱”，是指数据的光谱分辨率高。以红波段为例，红色对应的是大约波长在620纳米—780纳米范围反射的电磁波。根据人眼看到的差异，人们采用了“绛红、大红、朱红、玫瑰红”等词汇去形容不同的红色，但这更多是一种主观且定性的描述。而高光、谱传感器，是将红色定量地分成了多个级别。具体来说，高光谱遥感器通常以5纳米―10纳米为波段间隔，将物体在一定光谱范围内的辐射光能细分为不同波段，这些波段就像一台小广播所具有的多个波段，那么对于620纳米―780纳米的红色，可以细分到16―32个波段，并且这个范围内的每个波段，都具有准确的波长范围。就好比小广播对应16―32个不同的广播台，只不过每一个波段播出来的是细分出的不同的红色。这样不同波段的光能，分别用不同的光学元件接收，我们就能确切地知道，物体在特定波段反射了什么量级的光能。更进一步来说，因为遥感器能“看到”的光不只是可见光范围，对于一台能够“看到”从可见光到短波红外波段（400纳米―2500纳米）的高光谱遥感器，能够获得数百个波段的丰富信息。

　　    由于光谱分辨率高，高光谱影像中每个像元光谱不仅精细而且连续，这对于物质的精细识别很有帮助。地表物质在一定的光谱区间内具有可作为识别标志的光谱吸收带，其带宽通常在20纳米―40纳米，因此高光谱数据在对应的波段，就能捕捉到这样的标志信息。这与人们做身体检查很类似。体检需要借助各种医学仪器来检查身体有无异常，比如血检结果中的某项指标超出合理范围，就可能与某种病症有关。高光谱传感器就像是医学仪器，而获取的某一波段信号就如同体检结果中的某项指标。如果波段信号显示出某种特征，就说明地物可能是某种特定的类型。由于这种与体检指标相似的作用，所以专业术语上，也是采用“诊断学光谱特征”来描述的。基于这样的原理，高光谱遥感在地物的精准识别以及理化信息提取方面都能够发挥作用。

　　    我国高光谱卫星技术现状

　　    近年来，高光谱卫星技术获得了长足发展，我国成功发射的高光谱卫星数量居世界前列，是世界上高光谱遥感能力最强的国家之一。自2018年至今，我国已经发射了4颗民用高光谱卫星，分别为高分五号卫星（GF-5）、高分五号02星(GF-502)、资源一号02D和02E卫星。目前，高分五号02星、资源一号02D和02E卫星正常在轨运行中，高分五号OIA星也即将发射。

　　    2018年5月9日，高分五号卫星（GF-5）成功发射，成为我国首颗综合观测的高光谱卫星，开始为我国陆地生态环境监测、自然资源调查等提供高光谱数据服务。GF-5卫星上搭载的可见短波红外高光谱相机（获取光能的波长约为400纳米―2500纳米）即为高光谱传感器。该相机可获取空间分辨率为30米，幅宽达60千米的影像；影像数据有330个波段，其中可见光―近红外波段（波长为400纳米―1000纳米）的光谱分辨率约5纳米，短波红外波段（波长为1000纳米―2500纳米）的光谱分辨率约10纳米。高分五号02星（GF-502）作为GF-5的后续星，与GF-5搭载了相同型号的高光谱相机，也于2021年9月7日成功发射。

　　    2019年9月，由自然资源部牵头研制的资源一号02D卫星成功发射。该卫星在太阳同步轨道运行，卫星上搭载了高光谱相机和可见近红外相机。其中，高光谱相机具有与高分五号相同的空间分辨率和幅宽，但通过降低光谱分辨率大幅提升了数据质量：在400纳米―2500纳米光谱范围，可见近红外波段有76个波段，光谱分辨率为10纳米；短波红外波段则包含90个波段，光谱分辨率为20纳米。资源一号02E卫星是资源一号02D卫星的后续星，于2021年12月26日成功发射。与高分五号卫星不同的是，资源一号02D和02E卫星还具备20―30°的测摆成像能力，可实现对重点关注区域的3天重访拍摄。在不久的将来，02D和02E卫星还将与高分五号02星、OIA星形成四星两网，大幅提高我国境内卫星高光谱数据的获取能力。

　　    高光谱遥感自然资源应用

　　    经过几年的卫星数据积累，同时伴随着我国高光谱数据业务化数据处理系统的建设，高光谱遥感开始凭借其突出的特点和优势，在我国自然资源领域发挥重要作用，广泛应用于矿产资源调查、水资源调查与监测、土地质量调查等领域。

　　    矿产资源高光谱遥感应用

　　    矿产资源是人类获取能量的主要源头，也是工业生产的重要原料。各类矿产在组成元素和结构上有所不同，其光谱特征也不一样。这样的差异就成为了利用高光谱数据识别矿物的理论基础。

　　    我们利用国产高光谱数据，对青海省冷湖镇东地区进行了矿物分布信息的提取。形成的矿物分布图中，可见大量的绢云母，以及一些白云石和少量的褐铁矿。绢云母是一种层状结构的硅酸盐矿物质，用途广泛，可用于橡胶、塑料、涂料等行业。对于天然的绢云母，不具备地质专业知识的人是很难识别出的。但高光谱遥感能让它很快现形。它的A1-OH键在红外波段（2180纳米―2228纳米）具有尖锐而深的强吸收特征，这样的诊断性光谱特征会在高光谱数据中显现出来，从而识别和定位绢云母。除了吸收特征的波长位置，高光谱数据还能够用吸收深度、吸收宽度，吸收对称性等参量来描述不同类型矿物的光谱特征差异，即借助数学手段，用定量的方式将具有相似特征的矿物进行精确描述，实现更精细的划分。通过诸如此类的方法手段，高光谱卫星数据即能够对矿物类型进行有效提取并估算相对丰度，从而为矿物填图和找矿预测等工作提供重要的数据支撑。

　　    水资源高光谱遥感应用

　　    受长期高强度人类活动、气候变化等多重因素影响，我国长江流域的滇池、巢湖、太湖等湖库出现富营养化、水华等水质下降问题。与传统地面采样调查手段相比，遥感监测结果能反映水质的时空分布情况和变化，且具有监测范围广、速度快、成本低和便于长期动态监测的优势。

　　    目前，基于国产高光谱卫星数据，能够识别湖库中的藻华水草等反映水资源质量的指示性物质，并对叶绿素a、悬浮物、透明度等主要水质参数开展业务化生产。以太湖为例，基于高光谱影像提供的信息，确定了水体的有效范围和发生水华区域，然后对剩下的水体范围估算其悬浮物浓度、叶绿素a浓度等与水质紧密联系的指标。在叶绿素a浓度的估算图中，紧挨水华区域（西北侧）的叶绿素a浓度是最高的，考虑到水华是藻类过度生长引起，而藻类又富含叶绿素a，这样的现象就很好理解了。基于高光谱数据对水质参量进行的估算，就如同给水体拍了张X光片，将普通照片所看不到的信息显现出来了。X光片用的是0.01纳米―10纳米的电磁辐射，而高光谱利用的是400纳米—2500纳米的电磁辐射，二者只是利用的波段不同，但都是基于电磁波来识别物质信息的。

　　    土地资源高光谱遥感应用

　　    作为种植农作物的土地类型，耕地是保障粮食生产和粮食安全的重要自然资源。因此，耕地质量的好坏，对于能否端牢自己的饭碗，至关重要。土壤定量遥感是国际遥感技术研发与应用的前沿，其中高光谱遥感技术可在大区域内，通过快速获取连续细分光谱信息，实现部分土壤理化属性的反演和动态监测，相关技术已在地面和航空平台上充分展示出应用效能和潜力。

　　    我国数颗高光谱卫星数据构建的30米空间分辨率、重点区域月度重访的全球领先地物光谱获取能力，使得耕地质量的相关参量遥感监测具备了有效的数据保障。其中，土壤有机质与砂粒、粉粒、黏粒等质地参量的光谱响应机理较为明确，相关的高光谱技术相对成熟，利用高光谱技术开展有机质与土壤质地信息的估算有广泛行业共识。目前，基于国产高光谱卫星数据，对包含水田、旱地、水浇地三种土地利用类型的东北黑土地为观测目标，实现了土壤有机质、砂粒、粉粒、黏粒四种土壤关键参量信息的定量估算，进一步丰富了我国现有黑土地本底数据，在黑土地保护相关工作中具有广阔的应用前景。从杜尔伯特县的土壤有机质含量、砂粒含量的反演结果中可以看到，利用高光谱数据估算的结果直观地反映了这些参量的空间分布状况，这就为因地制宜地开展耕地保护提供数据依据。

　　     在太空中环绕我们飞行的高光谱卫星，和其他类型的卫星一起，成为了记录地球信息的专职摄影师，观测地球活动的真实记录者。它们传回地球的高光谱数据，像是定期给地球做体检，经过各领域专业人员对数据的分析和运用，为人类了解地球方方面面的自然变化提供帮助，为发展和保护地球资源提供可靠的科学依据。

　　                                      摘自《地球》2023年1期