國內(nèi)外星-空-地遙感數(shù)據(jù)地面應(yīng)用系統(tǒng)綜述

肖政浩，汪大明，溫 靜，方洪賓，胡玉新，許 寧

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083;2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100029;3.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京100190)

0 引言

近年來，遙感技術(shù)不斷發(fā)展，國內(nèi)外研制了大量新型的星載、航空高光譜傳感器及地面和巖芯光譜儀，遙感正向著高分辨率、高光譜、海量數(shù)據(jù)發(fā)展，遙感對地觀測能力的不斷加強使高光譜遙感技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。

遙感地面應(yīng)用系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的接收、處理、管理和分發(fā)，是連接數(shù)據(jù)獲取和應(yīng)用的重要橋梁，可提供全天時、全天候、高分辨率的星-空-地一體化信息保障。

礦產(chǎn)資源調(diào)查是高光譜遙感最為廣泛的地質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域，我國雖然研制了多臺航空高光譜成像儀及一些星載載荷，并對高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理與應(yīng)用處理技術(shù)進行了深入研究，但是尚沒有一個面向礦產(chǎn)資源調(diào)查的“星-空-地”多源數(shù)據(jù)綜合處理平臺，如何實現(xiàn)“星-空-地”多源數(shù)據(jù)快速、準確、穩(wěn)定的運營，是高光譜數(shù)據(jù)地質(zhì)勘查系統(tǒng)建設(shè)中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文針對地質(zhì)領(lǐng)域需求，對國內(nèi)外衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)、航空高光譜載荷及地面應(yīng)用系統(tǒng)、地面及巖芯光譜采集應(yīng)用系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向進行調(diào)研和分析，為后續(xù)我國自主高光譜小衛(wèi)星的實際運營及地質(zhì)應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

1 星載高光譜載荷研制及地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

星載高光譜載荷研制及其應(yīng)用是高光譜遙感技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的重要發(fā)展方向，但由于高光譜載荷研制經(jīng)費高、技術(shù)要求復(fù)雜、在軌數(shù)量少等原因限制了星載高光譜遙感數(shù)據(jù)的大范圍應(yīng)用;由于高光譜載荷原因，相應(yīng)的地面應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)也亟待發(fā)展，少有國家研制非常完善的地面應(yīng)用系統(tǒng)。本文通過調(diào)研，總結(jié)了目前國內(nèi)外星載高光譜載荷研制及地面應(yīng)用系統(tǒng)研建的進展情況。

1.1 國外研究程度

國外星載高光譜遙感技術(shù)主要為歐美等發(fā)達國家所壟斷，其中以美國發(fā)展最為領(lǐng)先，除了美國軍方MightySat衛(wèi)星搭載的FTHSI高光譜成像儀及應(yīng)用系統(tǒng)，在民用領(lǐng)域于2000年發(fā)射了搭載有Hyperion高光譜傳感器的EO-1衛(wèi)星，并研建了相應(yīng)的地面數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用系統(tǒng)。歐空局也于2001年發(fā)射了一顆搭載有高光譜傳感器CHRIS的衛(wèi)星Proba-1，該衛(wèi)星強大的星上處理能力在一定程度上縮小了地面應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模。另外，澳大利亞、日本、俄羅斯以及印度等國家目前也正在積極進行星載高光譜衛(wèi)星的規(guī)劃和研制［1］。

1.1.1 強力星傅立葉高光譜成像光譜儀 (MightySatII-FTHSI)

美國空軍研究實驗室2000年7月19日在范登堡空軍基地發(fā)射了一顆搭載首臺空間平臺傅立葉高光譜成像光譜儀 (FTHSI)的衛(wèi)星MightySatII.1(見圖1)。FTHSI覆蓋475～1050 nm光譜范圍。采用Sagnac干涉儀進行分光，光譜分辨率約85 cm-1。FTHSI也是第一臺應(yīng)用于空間對地觀測的高光譜成像光譜儀。光學(xué)系統(tǒng)由有效口徑為165 mm的R-C望遠鏡和Sagnac干涉儀組成。系統(tǒng)空間維F數(shù)3.4，光譜維F數(shù)5.3。FTHSI的主要系統(tǒng)參數(shù)見表1。

1.1.2 美國 EO-1衛(wèi)星

地球觀測衛(wèi)星1號 (Earth Observation-1，EO-1)是美國國家航空與航天管理局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)在2000年11月發(fā)射的一顆面向21世紀的新型地球觀測衛(wèi)星 (見圖2)，其軌道與Landsat 7基本相同。EO-1衛(wèi)星上搭載了3種傳感器，分別為高級陸地成像儀 (Advanced Land Imager，ALI)，高光譜成像光譜儀Hyperion以及大氣校正儀 (Atmospheric Corrector，AC)。

圖 1 MightySatII.1/FTHSI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The figure of MightySatII.1/FTHSI system structure

表1 FTHSI設(shè)計性能與在軌性能對比Table 1 The designed performance of FTHSI and in-orbit performance comparison

圖2 EO-1衛(wèi)星飛行軌道及成像覆蓋圖示Fig.2 The flight track and cover area of EO-1

EO-1衛(wèi)星的地面系統(tǒng)所完成的主要工作包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存檔與預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理與分發(fā)以及最后的數(shù)據(jù)應(yīng)用等4個部分 (見圖3)。

1.1.3 歐空局PROBA-1衛(wèi)星

在星載高光譜載荷方面，歐空局于2001年發(fā)射了一顆搭載CHRIS高光譜傳感器的PROBA-1衛(wèi)星，并研建了相應(yīng)的地面處理應(yīng)用系統(tǒng)。該星由于具有強大的星上處理功能，其地面系統(tǒng)得到了極大簡化。

PROBA(Project for On-Board Autonomy)是歐空局于2001年10月22日發(fā)射的新一代微衛(wèi)星，為太陽同步軌道，軌道高度615 km，傾角97.89°。星上搭載有3種傳感器，分別為緊湊式高分辨率成像分光計CHRIS(Compact High Resolution Imaging Spectrometer)、輻射測量傳感器 SREM(Radiation Measurement Sensor)、碎片測量傳感器 DEBIE(Debris Measurement Sensor)。其中CHRIS作為一種成像裝置，可實現(xiàn)同一地點5個不同角度成像，具有成像模式多、光譜范圍寬、分辨率高等優(yōu)點，不僅有利于生物量評估和生物健康狀況的監(jiān)測，而且對于植被或林地的冠層結(jié)構(gòu)、密度、植被或林木種類識別方面也很有幫助。目前，世界上有56個科學(xué)團隊正在準備使用CHRIS數(shù)據(jù)用于各種各樣更為廣泛的科學(xué)研究。

圖3 EO-1地面應(yīng)用系統(tǒng)組成Fig.3 The ground application system structure of EO-1

緊湊式高分辨率成像分光計CHRIS是一種高光譜成像儀，它以推掃方式獲取可見光—近紅外 (0.40～1.05μm)范圍的光譜數(shù)據(jù)。CHRIS產(chǎn)品可以分為L0和L1兩個級別，其中L0是比較原始的數(shù)據(jù)，用來生產(chǎn)L1產(chǎn)品，一般用戶得到的為L1級產(chǎn)品，它只有HDF一種格式。CHRIS傳感器獲取數(shù)據(jù)的特征見表2。

表2 CHRIS影像的數(shù)據(jù)特征Table 2 The data feature of CHRIS images

PROBA衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上分為3個部分。第一是接收服務(wù)系統(tǒng)，主要負責下傳數(shù)據(jù)的接收、歸檔 (地面站);第二是衛(wèi)星控制系統(tǒng)，主要對衛(wèi)星設(shè)備進行指令控制;第三是地面服務(wù)系統(tǒng) (處理系統(tǒng))，負責數(shù)據(jù)處理和存檔以及產(chǎn)品生產(chǎn)和分發(fā)服務(wù)。

用戶從系統(tǒng)獲取的L1數(shù)據(jù)只是經(jīng)過輻射定標和系統(tǒng)級幾何校正的數(shù)據(jù)，還需要進行處理才能用于科學(xué)研究和應(yīng)用。通常情況下，CHRIS L1級數(shù)據(jù)的處理方法與Hyperion數(shù)據(jù)的流程相似，包括壞線去除、輻射校正 (大氣校正)以及幾何校正等。

1.1.4 德國 EnMAP衛(wèi)星

目前，德國正在研制一顆新型的高光譜遙感衛(wèi)星［2］用于監(jiān)測全球氣候環(huán)境的變化，該星搭載了推掃型高光譜成像儀，其光譜覆蓋范圍和空間分辨率與Hyperion相近，但在掃描幅寬上比Hyperion有很大的提高，達到了30 km。該衛(wèi)星結(jié)構(gòu)見圖4。

EnMAP地面系統(tǒng)包括衛(wèi)星操控系統(tǒng) (MOS)、載荷地面系統(tǒng) (PGS)以及校正、處理與標準化系統(tǒng) (PCV)3個部分 (見圖5)，分別負責控制衛(wèi)星，控制數(shù)據(jù)接收、處理、服務(wù)以及負責高光譜處理系統(tǒng)的開發(fā)。其任務(wù)計劃和控制中心根據(jù)用戶需求制定成像計劃，并將任務(wù)通過地面站S波段傳輸給衛(wèi)星，地面獲取接收站利用X波段進行星上數(shù)據(jù)的接收，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、管理和備份，將用戶所需的數(shù)據(jù)通過用戶接口分發(fā)給用戶。另外，德國地面處理部門也根據(jù)需要采用IDL語言研發(fā)了處理EnMAP高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件(見圖6)。

圖4 EnMAP衛(wèi)星結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of EnMAP

圖5 EnMAP衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)圖示Fig.5 The ground processing system of EnMAP

1.1.5 其他衛(wèi)星及發(fā)展趨勢

在高光譜星載載荷的研制方面，澳大利亞、日本和印度等國也在積極研究和發(fā)展高光譜遙感衛(wèi)星及傳感器，例如日本正在研制HSC系列小型號高光譜成像儀，而印度在2008年10月發(fā)射的欲求探測器上已經(jīng)搭載了HySI可見光—近紅外范圍的高光譜成像儀用于測繪月球表面地貌。目前國外特別是歐美的高光譜成像技術(shù)發(fā)展已經(jīng)完成了演示驗證階段，正在走向面向任務(wù)的業(yè)務(wù)化、商業(yè)化發(fā)展階段。美國國家航天局JPL實驗室負責的EO-1衛(wèi)星Hyperion儀器在軌演示了星載高光譜成像光譜儀在礦產(chǎn)資源探測、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃等方面的突出能力。通過EO-1-Hyperion以及機載AVIRIS的綜合應(yīng)用研究，目前美國產(chǎn)業(yè)界和軍方均在著手星載高光譜成像光譜儀在商業(yè)化運作、軍事偵察等方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用。歐空局以及俄羅斯在星載高光譜成像光譜儀研制與應(yīng)用方面也給與了極大的關(guān)注［3～4］。

圖6 基于IDL開發(fā)的EnMAP高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件Fig.6 The application software of EnMap hyperspectral data based on IDL

1.2 國內(nèi)研究進展

由于受到美國對我高新技術(shù)的封鎖，國內(nèi)星載高光譜傳感器研制及地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)在近幾年才得到發(fā)展。目前我國在軌運行的搭載有高光譜成像儀的衛(wèi)星只有HJ-1A星;2008年，中國國土資源航空物探遙感中心作為總體單位承擔了國家“863”重點項目“寬幅高光譜小衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)研究”，該重點項目的開展推進了目前國內(nèi)高光譜載荷研制及地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)。

1.2.1 HJ-1A星及其地面應(yīng)用系統(tǒng)

HJ-1A星于2008年9月發(fā)射，它將和后續(xù)的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，其上也搭載有一個高光譜成像儀。HJ-1A上搭載的高光譜成像儀為傅里葉干涉分光儀器，其光譜覆蓋范圍為0.45～0.95μm，波段數(shù)為110個，光譜分辨率達到了5 nm左右，但空間分辨率只有100 m，因此在地質(zhì)礦物填圖等應(yīng)用上作用不是很大。

HJ-1A星的地面處理系統(tǒng)包括1個平臺、7個分系統(tǒng)及1套標準規(guī)范，分別是公共平臺、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)歸檔與信息管理分系統(tǒng)、任務(wù)與有效載荷管理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分發(fā)分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)模擬與評價分系統(tǒng)、應(yīng)用示范與培訓(xùn)分系統(tǒng)、定標場分系統(tǒng)以及標準規(guī)范 (見圖7)。該星地面系統(tǒng)的建設(shè)調(diào)研成果包含了系統(tǒng)的軟硬件部分以及一套標準規(guī)范，與國外地面系統(tǒng)的調(diào)研成果相比更符合本項目系統(tǒng)研建的需要。

1.2.2 高光譜小衛(wèi)星及地面試驗系統(tǒng)

高光譜小衛(wèi)星載荷由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所承擔，前期的數(shù)據(jù)模擬、數(shù)據(jù)定標和預(yù)處理研究由北京航空航天大學(xué)承擔，中國國土資源航空物探遙感中心和中國科學(xué)院電子學(xué)研究所等單位負責高光譜小衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面應(yīng)用處理系統(tǒng)方案設(shè)計以及試驗系統(tǒng)的研建，并開展相應(yīng)的示范應(yīng)用研究工作。

目前，上海技物所已經(jīng)完成了高光譜小衛(wèi)星原型樣機的研制，北京航空航天大學(xué)，中國國土資源航空物探遙感中心也已完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)模擬、預(yù)處理及地面試驗系統(tǒng)的研制，基本完成了國土資源高光譜衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的研建工作。該衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)針對我國新一代星載高光譜衛(wèi)星系統(tǒng)的載荷技術(shù)性能指標，集數(shù)據(jù)接收回放、數(shù)據(jù)編目存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分發(fā)、地質(zhì)信息提取等功能為一體，主要面向國土資源應(yīng)用部門。

圖7 HJ-1A星地面處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 The ground processing system structure of HJ-1A

該系統(tǒng)從功能上可劃分為3大部分 (見圖8):①高光譜數(shù)據(jù)接入部分，主要實現(xiàn)從地面站向本系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接入和轉(zhuǎn)存;②高光譜數(shù)據(jù)處理部分，主要包含高光譜衛(wèi)星下行數(shù)據(jù)到達地面系統(tǒng)后的快視、檢索、處理、存儲、管理、訪問、發(fā)布等功能;③典型地質(zhì)應(yīng)用部分，是體現(xiàn)該系統(tǒng)針對國土資源應(yīng)用需求的關(guān)鍵所在，包括礦產(chǎn)資源高光譜遙感探測、油氣高光譜遙感探測和熱紅外高光譜遙感應(yīng)用等3個典型應(yīng)用子系統(tǒng)，生成高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品。除了此3大主體功能外，還包括系統(tǒng)運行的支撐部分，主要有整個系統(tǒng)的資源管理和調(diào)度、產(chǎn)品分發(fā)和硬件環(huán)境等。

針對寬幅高光譜遙感數(shù)據(jù)特點及業(yè)務(wù)需求，國土資源高光譜衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總體框架可以劃分為4個層次，即支撐層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和發(fā)布層 (見圖9)。

綜上所述，國土資源高光譜衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)由6大分系統(tǒng) (高光譜遙感數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫管理分系統(tǒng)、典型地物波譜庫服務(wù)分系統(tǒng)、典型地質(zhì)應(yīng)用分系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運行管理分系統(tǒng)以及用戶服務(wù)與信息發(fā)布分系統(tǒng))和1個計算機支撐平臺 (硬件設(shè)備支撐平臺及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境)組成。

1.2.3 高光譜成像儀及地面應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展趨勢

圖8 國土資源高光譜衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)總體框架Fig.8 The overall framework for ground application system of land resource hyperspectral satellite

圖9 國土資源高光譜衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)分層Fig.9 The layered construction for ground application system of land resource hyperspectral satellite

在高光譜成像儀器研制方面，國內(nèi)其他單位也進行了相應(yīng)的研究。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所也是較早從事高光譜成像光譜儀研制的單位，先后承擔了多項高光譜成像光譜儀的研究任務(wù);中國空間技術(shù)研究院北京機電技術(shù)研究所也對高光譜成像光譜儀進行了長期的研究工作，并且在多個預(yù)先研究項目中，對高光譜成像的多項關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，建立了技術(shù)儲備。而在星載高光譜數(shù)據(jù)地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)方面，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所和中國國土資源航空物探遙感中心等單位通過前期的研究，在系統(tǒng)設(shè)計和研建方面都積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗，為后續(xù)工作打下了一定的基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)星載高光譜傳感器及地面應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為:①引進學(xué)習(xí)與自主創(chuàng)新相結(jié)合，進一步加強與國外先進技術(shù)的交流學(xué)習(xí);②研制真正國產(chǎn)高光譜衛(wèi)星和地面處理系統(tǒng)，實現(xiàn)高光譜遙感數(shù)據(jù)國產(chǎn)化，進一步推進遙感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化;③載荷研制部門、地面應(yīng)用系統(tǒng)研制部門以及遙感應(yīng)用部門加快聯(lián)合協(xié)作，促進整個遙感事業(yè)的快速發(fā)展。

2 航空高光譜載荷研制及地面應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

航空高光譜載荷研制及其應(yīng)用是高光譜遙感發(fā)展的基礎(chǔ)，國外早在20世紀80年代便進行了航空高光譜傳感器的研制和飛行試驗。在航空高光譜載荷地面應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)方面，由于各種載荷和平臺的差異性較大，國內(nèi)外都只是針對特定載荷研發(fā)相應(yīng)的地面應(yīng)用系統(tǒng)，而缺乏一套針對多載荷的機載高光譜地面應(yīng)用系統(tǒng)。

2.1 國外研究程度

自20世紀80年代初至今，美國已經(jīng)發(fā)展了三代高光譜成像光譜儀，他們以雄厚的資金和先進的相關(guān)技術(shù)為支持，引領(lǐng)全球高光譜技術(shù)的發(fā)展。

美國國家航空與航天管理局 (NASA)和美國加州理工學(xué)院噴氣推進實驗室 (JPL)首先在實驗室研制成功第一臺機載航空成像光譜儀AIS-1(1982—1985年，128波段)，其后又發(fā)展為AIS-2(1985—1987年，128波段)，其光譜覆蓋范圍1.2～2.4μm，在美國內(nèi)華達州Cuprite地區(qū)的應(yīng)用中取得很好的效果。1987年美國又研發(fā)出第二代成像光譜儀，稱航空可見光-近紅外成像光譜儀 (AVIRIS)，有224個通道，光譜范圍0.41～2.45μm，每個通道的波段寬約10 nm。在AVIRIS之后，基于采礦和石油工業(yè)的需求，美國地球物理環(huán)境研究公司 (GER)研制了一臺64通道的高光譜分辨率掃描儀GERIS，其中63個通道為高光譜分辨率掃描儀，第64通道用于存儲航空陀螺信息。第三代高光譜成像光譜儀為克里斯特里爾傅立葉變換高光譜成像儀FTHSI，適合在Cessna-206輕型飛機上使用。這些機載儀器的發(fā)展為后續(xù)星載儀器的發(fā)射奠定了基礎(chǔ)［5］。

在地面處理、應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)方面，由于傳感器和平臺差異較大，數(shù)據(jù)處理的算法差異也較大。因此，目前成型的機載高光譜處理系統(tǒng)較少，都是針對各個載荷單獨研發(fā)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。例如，機載高光譜成像儀 (AHI)隸屬于DARPA下的高光譜地雷探測 (HMD)計劃，是驗證高光譜載荷在地雷探測方向應(yīng)用潛力的傳感器。目前，AHI已用于地雷探測、氣體探測和地質(zhì)填圖等領(lǐng)域。AHI機載數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)可實現(xiàn)傳感器控制、生成輻射定標系數(shù)、幾何畸變預(yù)處理、實時輻射定標、近實時地雷探測、人機接口和數(shù)據(jù)記錄。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過光纖通道傳送給后端的FPGA實現(xiàn)光譜合并，F(xiàn)PGA將合并后的數(shù)據(jù)傳送給后端的4個SHARC DSP，以流水線模式實現(xiàn)輻射定標、主成分分析、目標探測和上位機數(shù)據(jù)傳輸，最終數(shù)據(jù)保存于RAID存儲系統(tǒng)中。ARCHER整合了機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取和記錄、輻射校正、目標探測、幾何精校正、圖像顯示等功能，并包含一套地面處理系統(tǒng)，可進行飛行后數(shù)據(jù)的回放和精確分析。

2.2 國內(nèi)研究進展

我國的成像光譜傳感器研究也緊跟世界腳步，高光譜成像儀的發(fā)展經(jīng)歷了從多波段到成像光譜掃描，從光學(xué)機械掃描到面陣推掃的發(fā)展過程。在早期，根據(jù)我國海洋環(huán)境監(jiān)測和森林探火的需求，研發(fā)了以紅外和紫外波段以及以中波和長波紅外為主體的航空專用掃描儀。20世紀80年代中期，面向地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘探，又研制了工作在短波紅外光譜區(qū)間 (2.0～2.5μm)的6～8波段細分紅外光譜掃描儀 (FIMS)和工作波段在8～12μm光譜范圍的航空熱紅外多光譜掃描儀 (ATIMS)。在此基礎(chǔ)上于20世紀80年代后期我國又研制和發(fā)展了新型模塊化航空成像光譜儀MAIS(Modular Airborne Imaging Spectrometer)，這一成像光譜系統(tǒng)在可見—近紅外—短波紅外具有64波段，并可與6～8波段的熱紅外多光譜掃描儀集成使用，從而使其總波段達到70～72個。按時間先后來看，從20世紀80年代末開始，我國先后成功研制了多光譜掃描儀、紅外細分光譜掃描儀 (FIMS)、熱紅外多光譜掃描儀(TIMS)、多光譜機載成像光譜儀MAIS、OMIS(Operational Modular Imaging Spectrometer)系統(tǒng)和推帚式高光譜成像儀PHI(Pushbroom Hyperspctral Imager)等傳感器。MAIS傳感器可獲得71個光譜波段 (可見光到近紅外32個，短波紅外32個，另外還有7個熱紅外波段)，光譜分辨率達0.45μm，瞬時視場為3.0 mrad，視場約90°;而OMIS傳感器有128個波段，可獲得可見光到近紅外以及中紅外和熱紅外的數(shù)據(jù)，其IFOV為3.0 mrad，F(xiàn)OV大于70°。這一系列高光譜儀器的研制成功，為中國遙感科學(xué)家提供了新的技術(shù)手段。并且通過在我國西部干旱環(huán)境下的地質(zhì)找礦試驗，證明這一技術(shù)對各種礦物的識別以及礦化蝕變帶的制圖十分有利，成為地質(zhì)研究和填圖的有效工具。

在傳感器的研制過程中，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所等單位承擔了一系列成像光譜應(yīng)用和技術(shù)研究項目，推動了高光譜遙感在國內(nèi)的發(fā)展，為我國高光譜傳感器的發(fā)展做出了巨大的貢獻。20世紀90年代初，中科院上海技術(shù)物理研究所完成了MAIS新型模塊化航空成像光譜儀實用化系統(tǒng);自1995年起又研制了中國第一臺244波段的推掃式超光譜成像儀 (PHI)，這使得我國在設(shè)備研制方面取得了長足的進展。該所研制出的推掃式高光譜成像儀 (PHI)及光機掃描型的實用模塊化光譜儀(OMIS)在國內(nèi)經(jīng)過多次應(yīng)用取得了較好效果;中科院長春光機所也在863項目的支持下，成功研制了C-HRIS(China-High Resolution Imaging Spectrometer)高分辨率成像光譜儀，將我國的成像光譜技術(shù)提高到了一個新高度，這些成績也標志著中國在航空成像光譜儀研制中占有了一席之地。

在高光譜成像儀器研制方面，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所是較早從事此項研究的單位，先后承擔了多項高光譜成像光譜儀的研制任務(wù);中國空間技術(shù)研究院北京機電技術(shù)研究所也對高光譜成像的多項關(guān)鍵技術(shù)進行了長期的研究，建立了技術(shù)儲備。

但在機載地面處理系統(tǒng)的研建方面，由于機載設(shè)備及其成像特點復(fù)雜，我國目前還沒有一套成熟應(yīng)用的地面處理及應(yīng)用系統(tǒng)，這更對我們目前的工作提出了巨大的需求。由于本次計劃項目的支持，相關(guān)研制單位將合作研制航空遙感地質(zhì)勘查應(yīng)用處理系統(tǒng)，為后續(xù)工作的開展奠定基礎(chǔ)。

3 地面及巖芯光譜采集與應(yīng)用

3.1 地面成像光譜儀及其應(yīng)用

地面成像光譜儀在國外起步較早，并取得了諸多應(yīng)用成果，其中有以線陣探測器為基礎(chǔ)的光機掃描型，有以面陣探測器為基礎(chǔ)的固態(tài)推掃型，也有面陣探測器加光機的并掃型。目前國外很多公司和研究機構(gòu)專門從事這種設(shè)備的研制，如芬蘭的Spectral Imaging Ltd.公司，美國的Resonon和Surface Optics Corporation公司等。國內(nèi)目前只有中科院遙感應(yīng)用研究所研制的地面成像光譜輻射測量系統(tǒng) (Field Imaging Spectrometer System，F(xiàn)ISS)。FISS通過地面測量既可獲取測量目標的高分辨率圖像 (空間分辨率可達厘米甚至毫米級)，又能獲得圖像上任意點的光譜曲線，提高了野外地面光譜測量的工作效率，又為目標的結(jié)構(gòu)光譜分析、混合光譜分解和純像元提取提供了更有利的信息數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雜草識別、礦石成分監(jiān)測等方面。

3.2 地面便攜式光譜測量儀及其應(yīng)用

地面光譜測量在高光譜遙感定量化應(yīng)用中十分重要，主要通過地面光譜輻射計進行測量。國際上最常見的已商品化并應(yīng)用于地質(zhì)行業(yè)的地面光譜測量儀器是澳大利亞Integrated Spetronics公司生產(chǎn)的便攜式近紅外礦物分析儀PIMA(Portable Infrared Mineral Analyzer)，于20世紀90年代花費數(shù)百萬美元研制開發(fā)。該儀器使用Windows系統(tǒng)下的定性測量和數(shù)據(jù)處理軟件，可定性鑒定含水、羥基及某些硫酸鹽和碳酸鹽礦物;另外美國ASD公司生產(chǎn)的一系列便攜式野外光譜儀在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)地面光譜測量儀主要有中科院安光所生產(chǎn)的ISI921VF0-256地物光譜儀，中科院遙感所和西安光機所也研制了一些地面光譜測量儀器，但在產(chǎn)業(yè)化推廣中還沒有形成較大規(guī)模［6～7］。

地面光譜測量儀在地表礦物、植被、土壤、水體等研究應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用，是高光譜遙感應(yīng)用的重要支撐?！笆濉逼陂g南京地質(zhì)調(diào)查研究所在國土資源部和江蘇省科技廳的項目資助下成功研制了便攜式近紅外光譜儀和巖芯光譜測量儀，具有野外現(xiàn)場礦物成分分析、地質(zhì)模型建立、光譜礦物填圖、遙感地面定標校正等功能，已在地質(zhì)行業(yè)成功應(yīng)用。

“十一五”期間，南京地質(zhì)調(diào)查中心還在地面光譜掃描儀的基礎(chǔ)上，進一步研發(fā)了巖芯光譜掃描儀，目前也已經(jīng)可以開展應(yīng)用。

無論是地面光譜儀還是巖芯光譜掃描儀，都是高光譜遙感應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)之一，需要與星載和機載高光譜數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)共同使用。因此，需要建立一個能夠處理多源數(shù)據(jù)的“星-空-地”一體化地質(zhì)勘查高光譜遙感系統(tǒng)，才能將這些影像和光譜數(shù)據(jù)有機地結(jié)合，形成一個整體，充分發(fā)揮它們在地質(zhì)應(yīng)用中的作用。

4 結(jié)論

遙感地面應(yīng)用系統(tǒng)一般要具有數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析、產(chǎn)品分發(fā)、運行控制以及應(yīng)用示范等功能。遙感數(shù)據(jù)的效益主要通過地面應(yīng)用系統(tǒng)體現(xiàn)。由于高光譜數(shù)據(jù)波段多，都是海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理和其他處理等算法復(fù)雜、運算量巨大，制約了高光譜遙感的大規(guī)模應(yīng)用。

通過對國內(nèi)外已有的星載、航空及地面巖芯應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)研和總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，中國與國際先進水平仍存在一定差距。目前中國并沒有專門針對地質(zhì)應(yīng)用的衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)，同時缺乏能夠處理多源數(shù)據(jù)的星空地一體化地面應(yīng)用平臺，而基于單線程計算的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件無法滿足業(yè)務(wù)化運行時海量數(shù)據(jù)處理的能力需求。因此，我國需要自主研發(fā)星空地一體化的、能夠處理海量、多源遙感數(shù)據(jù)的地面應(yīng)用系統(tǒng)，為對地觀測數(shù)據(jù)的高精度獲取、處理和分析提供統(tǒng)一的處理應(yīng)用平臺，促進高光譜遙感在地質(zhì)上的大規(guī)模應(yīng)用，為廣大遙感地質(zhì)用戶提供基本數(shù)據(jù)資料及有針對性的遙感技術(shù)方法。

［1］ Galeazzi C，Carpentiero R，V.De Cosmo.The Prisma System and Pan/Hyp Instrument.

［2］ Storch T，Amaia de Miguel，Palubinskas G，et al.Processing chain for the future hyperspectral mission EnMAP ［C］ //Conference Papers of the 6thEARSeL SIG-IS Workshop Imaging Spectroscopy.Israel:Tel Aviv，2009.

［3］ Dario Cabib，Moshe Lavi，Amir Gil.Long wave infrared(8 to 12 microns)hyperspectral imager based on an uncooled thermal camera and the traditional CI block interferometer［C］ //Conference Papers of the 7thEARSeL SIG-IS Workshop Imaging Spectroscopy.Edinburgh:SPIE，2011.

［4］ Laruent Rousset-Rouviere.SYSIPHE，airborne hyperspectral imager system ［C］ //Conference Papers of the 7thEARSeL SIG-IS Workshop Imaging Spectroscopy.Edinburgh:SPIE，2011.

［5］ Glavich T，Green R O，Hook S J，et al.Decadal survey symposium HyspIRI decadal survey Mission development status.February 11-12，2009.NASA Headquarters.

［6］ Tappert M，Rivard B，Giles D，et al.Automated drill core logging using visible and near-infrared reflectance spectroscopy:A case study from the Olympic Dam IOCG Deposit，South Australia ［J］.Economic Geology，2011，106:289 ～296.

［7］ Roache T，et al.Microscopic remote sensing as a scale-integrated tool in mineral exploration.GRSG-OGEO Workshop-7-9th December 2011;Frascati，Italy.