国外高光谱遥感载荷发展分析*

陈培永，王 燕

(上海航天信息研究所·上海·201109)

0 引 言

高光谱遥感是当前遥感领域的前沿方向之一。上世纪70年代，美国提出了高光谱遥感的概念，并在1983年成功研制了首个航空成像光谱仪AIS-1。此后，美国、加拿大、欧洲、日本及印度等国家和地区在高光谱遥感领域开展了大量研究工作，研制了涵盖不同光谱波段、具有不同空间分辨率的机载和星载高光谱遥感载荷。

1 高光谱遥感基础理论

1.1 成像原理

高光谱成像技术是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，以数纳米的光谱分辨率进行采样，在数十至数百个波段内同时对目标进行成像。每个波段形成一幅二维空间图像，可形成由多个二维空间图像按光谱维叠加而成的三维高光谱图像(数据)立方体，如图1所示[1]。

图1 成像光谱仪原理示意图Fig.1 Principle schematic diagram of the imaging spectrometer

1.2 典型成像方式

根据数据获取方式，高光谱成像模式主要可被分为掸帚式、推帚式、凝视式等[2-4]。

(1)掸帚式。掸帚式高光谱成像采用零维或点视场扫描方式，包括机械扫描成像和分光探测两大部分。采用线阵探测器，像元数即是像元分光光谱波段的个数。掸帚式成像光谱仪的优点在于可以获得很大的总视场，且由于采用了进入物镜后再分光的方式，可实现很宽的光谱波段范围。

(2)推帚式。推帚式高光谱成像以面阵CCD作为凝视器件，在工作时由面阵器件的固体扫描和飞行平台的向前运动来组成二维空间扫描，即面阵器件的一维完成空间成像，另一维完成光谱的扫描。其特点包括体积小、机构简单、积分时间长、信噪比高、光谱分辨率高等。像元中，各光谱波段的辐射按特定光谱段度和顺序在列方向分布。

(3)凝视式。面阵凝视式高光谱成像光谱仪通常采用面阵CCD，使用声光可调滤光器作为分光方式。其最大的特点是取消了扫描机构，使得系统的机构复杂度大大降低，体积、功耗等指标大大减小，同时系统性能相对光机扫描方式有了很大改善，并且系统对目标的辐射响应时间只受探测器时间常数的限制，而不再受扫描机构扫描速度的影响。

1.3 主要特点

高光谱成像技术的主要特点包括[5-6]：

(1)光谱响应范围广，光谱分辨率高，识别能力强。高光谱成像仪响应的电磁波长从可见光至近红外、甚至中红外，光谱分辨率达到了纳米级。

(2)光谱信息与图像信息有机结合。在高光谱成像数据中，每个像元对应1条光谱曲线，整个数据是光谱影像的立方体，具有空间图像维和光谱维。

(3)光谱波段多，在某一谱段范围内可连续成像。高光谱成像能够获得目标在一定范围内连续的、精细的光谱曲线，从而使得利用光谱直接进行物质识别成为可能。

2 国外高光谱遥感载荷发展情况

2.1 机载高光谱

机载高光谱是高光谱最早的应用领域，表1为部分典型机载高光谱传感器。

(1)美国研究现状

①机载可见光/红外成像光谱仪

机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)由喷气推进实验室(JPL)研制，是第1台被用于民用领域的机载高光谱传感器，共有224个通道，光谱范围为0.41μm～2.45μm，光谱分辨率为10nm。目前，机载可见光/红外成像光谱仪已经在北美洲、南美洲和欧洲等地开展了大量数据获取与遥感应用试验。该光谱仪经过多次升级改进，直到今天仍是全世界最先进的高光谱成像仪[7]。

②数字机载成像光谱测量系统(DAIS)

DAIS机载成像光谱由美国地球物理环境研究公司(GER)研制，该系统最早被设计并用来开展“探测卫星”(Terra)的热量散发和反辐射仪(ASTER)的数据的模拟研究。传感器在可见光-短波红外反射光谱范围内设置了72个波段，在8μm～12μm的热红外区间还有6个波段。

③Mako

Mako是一款应用Dyson分光结构的机载大视场高光谱成像仪，其设计用途为机载载荷，设计谱段为7.8μm～13.4μm，共拥有128个波段[8]。Dyson结构中的凹面球形光栅采用先进的钻石旋切工艺制成，可实现良好的分光效果。图2为Mako的构型图。

图2 Mako结构图Fig.2 The configuration of Mako

(2)加拿大研究现状

①紧凑式机载光谱成像仪(CASI)

CASI机载成像光谱仪由加拿大Itres公司在1989年研制，光谱覆盖范围为400nm～1100nm，最高波段数达到了288，光谱分辨率为1.9nm。此后，Itres公司相继成功研制了短波红外机载光谱成像仪(SASI)、中红外机载光谱成像仪(MASI)及热红外机载光谱成像仪(TASI)，并且还可以提供与成像光谱仪配套的定位和姿态系统。图3为CASI的外形图。

图3 CASI的外观Fig.3 The external view of CASI

(3)澳大利亚研究现状

①高光谱制图仪(HyMap)

HyMap机载成像光谱测量系统早期主要面向地质矿产应用领域，第一代的HyMap成像光谱仪有96个波段，并且在2μm～2.5μm区间内具有很高的信噪比，这样的设计可以很好地满足矿产勘查的需要。HyMap共有128个波段，覆盖范围为0.44μm～2.5μm，另外包括了两个红外波段。

(4)芬兰研究现状

①AISA机载成像光谱测量系统

AISA采用推帚式数据获取方式，光谱范围涵盖0.38μm～1μm、1μm～2.5μm、7.6μm～12.4μm这3个区域，光谱分辨率为3.3nm，总波段大于288个，视场范围(FOV)为39.7°，瞬时视场(IFOV)范围为0.078°。

2.2 星载高光谱

自第1台星载中分辨率成像光谱仪(MODIS)[9]于1999年12月8日发射以来，星载高光谱得到了快速发展。目前，国外在轨的高光谱卫星包括了“地球观测-1(EO-1)”卫星、“星上自主项目(PROBA)”卫星、“碳”卫星等。部分典型的星载高光谱载荷可见表2。

表2 部分星载高光谱载荷参数

(1)美国研究现状

①傅里叶变换超光谱成像仪(FTHSI)

2000年7月，美国研制的傅里叶变换超光谱成像仪FTHSI被成功搭载在了美国空军的“强力卫星-2(MightSat-2)”上，首次实现了干涉型成像光谱仪在星载平台上的应用。FTHSI采用萨格纳克(Sagnac)空间调制型成像光谱技术方案，空间分辨率为30m，光谱范围为0.4μm～1.05μm，波段数为256个，光谱分辨率为2nm～10nm。

②Hyperion

Hyperion传感器搭载于EO-1卫星平台，是全球第1台民用星载高光谱图谱测量仪，其在可见/近红外及短波红外分别采用了不同的色散型光谱仪，使用推帚型的数据获取方式，在0.35μm～2.6μm的光谱范围内拥有242个探测波段，光谱分辨率为10nm，空间分辨率为30m[10]。

③先进响应型战术有效军用成像光谱仪(ARTEMIS)

2009年5月，美国发射的“战术卫星-3(TacSat-3)”所搭载的高光谱成像仪(ARTEMIS)，采用了色散型成像光谱仪，空间分辨率达到了5m，光谱范围为0.4μm～2.5μm，光谱分辨率为5nm。该星用途为战术侦察，具有很高的机动性和准实时战场数据应用能力[11]。图4为ARTEMIS的工作示意图。

图4 ARTEMIS的工作示意图Fig.4 The digram of ARTEMIS

④海岸带高光谱遥感与近海高光谱成像仪(HICO)

2009年9月，由美国海军研究实验室研制的用于海洋观测的高光谱成像仪HICO被成功安装在了国际空间站中。该仪器在0.35μm～1.08μm光谱范围内拥有128个通道，光谱分辨率达到了5.7nm，可以获取海洋表面的高光谱数据[12]。在轨道高度为345km时，其空间分辨率为100m，幅宽为500km。图5为HICO在国际空间站内的示意图。

图5 HICO在轨运行Fig.5 HICO on orbit

⑤“高光谱红外成像卫星(HyspIRI)”高光谱载荷

HyspIRI为美国新一代对地观测卫星，计划于2023年发射，并搭载高光谱红外载荷。该卫星主要用于在生态系统、碳循环及地球表面和内部等焦点区域中进行各种科学研究，其光谱范围为0.38μm～2.5μm，光谱通道数为212个，光谱分辨率为10nm，地面幅宽为145km，地面像元分辨率为60m。

(2)欧洲研究现状

①紧凑型高分辨率成像分光计(CHIRS)

2001年，欧空局搭载于PROBA卫星的紧凑型高分辨率成像光谱仪CHIRS发射成功。CHIRS同样采用了推帚型的数据获取方式，探测光谱范围为0.4μm～1μm，共有5种探测模式，最多的波段数为64个，光谱分辨率为5nm～12nm，星下点空间分辨率为20m。

②中分辨率成像光谱仪(MERIS)

欧空局2002年发射的“环境卫星-1(ENVISAT-1)”搭载了推帚型的MERIS光谱仪，光谱范围为0.39μm～1.04μm，光谱分辨率可以通过编程进行调节，波段数可达576个，主要用于海岸和海洋生物的探测及研究。

③超光谱成像仪(HIS)

HIS是一款推帚型超光谱成像仪，也是德国计划在2020年发射的“环境测绘与分析计划(EnMAP)”卫星的重要载荷[13-14]，其主要负责采集2个谱段的信息数据，即可见光/近红外(VNIR)谱段和短波红外(SWIR)谱段，谱段覆盖范围为0.42μm～2.45μm，地面分辨率为30m，地面幅宽为30km。其中，在VNIR谱段有99个波段，在SWIR谱段有163个波段，谱分辨率平均为10nm左右，谱分辨率已经完全可以满足分辨矿物种类的需要。图6为HIS的工作示意图。

图6 星载HIS工作图Fig.6 HIS working diagram

(3)日本研究现状

①高光谱成像仪套件(HISUI)

高光谱成像仪HISUI将搭载计划于2019年发射的“先进陆地观测卫星-3(ALOS-3)”，如图7所示。该成像仪在0.4μm～2.5μm波段范围内拥有185个通道，空间分辨率为30m，地面幅宽为30km。HISUI最大的特点是其具有在轨数据处理能力，可以完成星上辐射定标、像元合并、光谱校正及无损数据压缩等工作任务。

图7 高光谱成像仪套件Fig.7 The composition diagram of HISUI

②傅里叶变换光谱仪(FTS)和云气溶胶成像仪(CAI)

日本于2009年成功发射了“温室气体观测卫星(GOSAT)”，其上安装了温室气体观测传感器——傅里叶变换光谱仪FTS和云气溶胶成像仪CAI。其采用0.75μm～0.78μm波段观测氧气浓度及卷云，确定光学路径长度，光谱分辨率为0.5cm-1；采用1.56μm～1.72μm和1.92μm～2.08μm两个波段观测CO2、CH4、H2O及卷云，光谱分辨率为0.2cm-1；采用5.5μm～14μm波段再次获得CO2、CH4、水汽和大气温度等参数，以及CO2与CH4的垂直廓线，光谱分辨率为0.2cm-1。

(4)印度研究现状

①高光谱照相机(HySI)

印度太空研究组织(ISRO)在2008年发射的“印度迷你卫星”上首次携带了星载高光谱相机HySI，其在0.4μm～0.95μm的波长范围内有64个通道，光谱分辨率约为10nm，空间分辨率为506m，地面幅宽为129.5km。

②“制图星-3(Cartosat-3)”高光谱载荷

计划于2019年发射的“制图星-3A”将搭载近红外光谱仪，用于陆地表面的多用途探测，波段范围为0.75μm～1.3μm。在高光谱模式下，幅宽为5km，空间分辨率为12m。

3 高光谱遥感应用

3.1 民商用领域

(1)绘制地形图，制作专题图。如精细农业中的农作物、森林、草场等的植被分布图，地质探测中的矿物、土壤、冰川等的专题分布图等[15]。

(2)海洋要素监测。如海洋资源普查、水色水质变化、海岸带和海洋生态变化，以及海洋污染监测等。

(3)资源环境调查与灾害评估。如土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化检测、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾害评估等。

(4)大气遥感。利用高光谱数据，在准确探测大气成分的基础上，能提高天气预报、灾害预警等的准确性和可靠性。

3.2 国防安全领域

在国防安全领域中的应用包括：

(1)战场环境侦察。如根据目标与伪装材料不同的光谱特性，利用高光谱遥感可以进行伪装识别；可对化学气体进行光谱探测，从而对有毒气体进行监测与甄别；可对战场地雷进行高精度探测。

(2)打击效果评估。用目标受损后的自身和环境的细微光谱特征变化，来实现或辅助进行毁伤的识别。

(3)导弹预警探测[16]。有资料显示，可以利用高光谱成像技术，在导弹尾焰的2.7μm或4.3μm强辐射带建立高光谱图像，利用获得的高光谱图像重构导弹尾焰强辐射带的测量光谱，再根据获得的导弹尾焰的红外辐射特征谱，即可确定导弹的类型。

3.3 行星探测

目前，高光谱遥感在行星探测方面的应用主要是探查行星的物质组成，包括行星是否存在液态水、地表矿物成分等。如美国在2005年发射的“火星勘测轨道器(MRO)”上搭载了高光谱勘测载荷——紧凑侦察成像仪(CRISM)(如图8所示)，其主要用于液态水的寻找，以及火星地表矿物成分、两极冰盖的变化、大气成分的季节性变化等的科学研究[17]，欧空局正在研制的水星高光谱热分光计(MERTIS)，将对水星表面进行观测。

图8 紧凑侦察成像仪的结构图Fig.8 The configuration of CRISM

4 高光谱载荷发展趋势

在应用需求及技术进步等多重因素的推动之下，高光谱载荷的发展进入了新的阶段。

4.1 探测波段不断拓展，幅宽不断扩大，分辨率不断提高

在探测波段方面，当前已应用的星载与机载高光谱载荷的探测波段范围覆盖了从可见光到热红外，波段数增至数百个，大大增强了遥感信息的获取能力，可以精确地对地球表面的固体和液体化学组分进行分析；在幅宽方面，以大面阵探测器等为代表的技术发展，使得幅宽不断增大；在分辨率方面，目前的光谱分辨率已达到纳米级。与此同时，探测的空间分辨率、时间分辨率也不断提高，进而为高光谱应用的拓展提供了条件。

4.2 探测模式不断优化，智能化水平提升

随着信息技术、成像技术及光学加工工艺的发展与进步，各类高光谱遥感新技术、新方案层出不穷，其核心分光元件开始由成熟的色散型及干涉型向多元化方向发展，目前已经出现了旋转滤光片型、声光调谐滤光片型、液晶调谐滤光片型、计算层析型等多种分光原理方案[18]，促进了快照式成像光谱技术等新探测模式的发展。与此同时，包括星上处理等在内的新技术的应用，不断提升了载荷的智能化水平[19-20]。

4.3 载荷的小型化与商业化

在应用商业化与平台小型化的需求下，各研究方已启动对高光谱载荷的小型化与商业化的研究工作。如哈里斯公司基于为美国国家海洋和大气管理局(NOAA)研制的跨轨红外探测器(CrIS)(如图9所示)，正在开展小型化的研究工作，目标是将新载荷应用于小卫星甚至立方星上[21]；美国喷气推进实验室(JPL)开发的超小型高光谱成像仪(UCIS)的重量不超过0.5kg。

以ARTEMIS高光谱载荷和HICO高光谱载荷为代表的低成本与快速研制的理念，进一步拓宽了各方的研制思路，比如通过在研制过程中增加商业级非定制产品等手段，降低载荷的成本。

图9 CrIS工作图Fig.9 CrIS operation concept

5 结 论

各国正在积极开发高光谱遥感技术，高光谱遥感已由以航空应用为主，向航空、星载并重的方向发展。与此同时，高光谱遥感探测波段的扩大、分辨率的增强、小型化水平的提升，将进一步扩大高光谱遥感的应用领域；另一方面，面对高光谱产生的海量数据，亟需在数据处理(包括大数据、云算法等)方面进行突破，以实现高光谱更为广泛、更为有效的应用。