1 引 言

人类第一次认识到光的光谱特征是1665年牛顿进行的太阳光实验,他通过棱镜把太阳光分解成按一定顺序排列的不同颜色光,了解到白光其实是由多种单色光组合而成的。真正意义上的光谱和图像结合为一体的成像光谱仪器,是1983年美国喷气式实验室研制的第一台航空成像光谱仪AIS-1。随后的数十年,光谱成像技术得到了快速发展,包括中国在内的许多国家都成功研制了一系列成像光谱仪(王建宇 等,1992刘银年 等,2002Tong等,2014Transon等,2018)。

高光谱成像技术是指可在宽谱段范围内获取目标成百上千连续精细的光谱,同时采集目标的几何、辐射及光谱信息,形成图像立方体,实现地物的“指纹”识别。与传统的全色及多光谱遥感技术相比,高光谱遥感技术主要有如下特点:

(1)光谱分辨率高,成像波段多;高光谱成像光谱仪的光谱通道按波长连续分布在较宽的光谱范围内,其光谱分辨率一般在λ/100左右。高光谱成像仪的光谱采样间隔越小,光谱分辨率越高,获取的光谱信息越精细,更能反映出地物光谱的细微特征。

(2)“图谱合一”的成像技术;可同时采集地物的几何、辐射及光谱信息,集相机、辐射计和光谱仪能力于一体,形成图像数据立方体,通过目标的光谱特征曲线,实现目标的“指纹”识别。

(3)具有突出的地物识别和分类能力;相比光学空间二维成像,可对地物进行空间和光谱三维成像,在一定的空间分辨率下,获取宽谱段范围内地物独特的连续特征光谱,对地物的精细分类和识别具有突出的优势。

由于高光谱成像技术具有“谱像融合”的特点,既能成像又能测谱,能够获取地物的光谱“指纹”信息,在地物精确分类和识别等应用方面有巨大的优势,因此,高光谱成像技术被广泛应用于卫星遥感、地质勘测、海洋研究、植被研究、大气探测和生物医学等领域(马国欣 等,2008Li等,2012童庆禧 等,2016刘银年 等,2019),并已成为遥感领域持续的研究热点。

2 机载高光谱成像仪器的发展

自20世纪80年代初期,美国 NASA JPL成功研制出第一台机载成像光谱仪AIS(Airborne Imaging Spectrometer)(Vane等,1984),并在地质勘测、植被研究等方面初显了高光谱遥感的魅力之后,高光谱成像技术得到了快速发展(季艳,2006Michael,2006袁孝康,2004麻永平 等,2012王捷 等,2012;单月晖 等,2006)。

1987年,为了获取光谱和空间覆盖范围更广的数据,美国JPL开发了机载可见光/红外成像光谱仪AVIRIS(Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer)(Vane,1987),安装在ER-2飞机上,成为第1台被用于民用领域的机载高光谱传感器,采用线列探测器和摆扫的方式,具有224个谱段,光谱范围为0.41—2.45 μm,光谱分辨率为10 nm。AVIRIS仪器进行了持续的改进提升,因其优越的性能,被作为各类应用评价的标准(崔廷伟 等,2003Asner和Heidebrecht,2003;van Wagtendonk等,2004;Cheng等,2006a,b;Veraverbeke等,2014Seidel等,2018)。最新一代AVIRIS-NG具有425个通道,光谱分辨率提高至5 nm,光谱范围0.38—2.51 μm,目前仍被认为是全世界最先进的机载高光谱成像仪之一(Tripathi和Govil,2019)。

1989年,加拿大的ITRES Research公司推出了小型机载成像光谱仪CASI(Compact Airborne Spectrographic Imager)。CASI(Babey和Anger,1993)的波段数量、位置和高度都可在飞行中编程,还可以结合陀螺仪和GPS对图像数据进行几何校正。1993年,芬兰Specim公司制造了推扫式成像系统AISA(Makisara等,1993),该系统由高光谱成像仪、微型GPS/INS传感器和PC数据获取单元组成。装载在飞机上,是既能对地面目标成像又可以测量目标光谱特性的光学探测器。

1997年,澳大利亚集成光电公司ISPL研制生产了机载扫描成像光谱仪HyMap(Cocks等,1998),并开始应用于商业勘探,在地质勘探领域特别是矿物填图方面得到了广泛应用(H?rig等,2001)。该仪器配有导航定位系统(GPS)、定位和姿态参数记录设备(IMU)、三轴稳定陀螺平台以及先进的数据预处理系统,可根据飞行获取的姿态参数和大气参数,对图像进行几何和大气校正。经过多年的发展,HyMap已成为新一代实用型机载高光谱成像仪的代表之一。

2003年,慕尼黑大学研制出一款机载可见、红外成像光谱仪AVIS-2(Mauser,2003),研制过程中对体积、重量进行了优化以保证其可在超轻型飞机中的应用。2004年,美国斯登尼斯空间中心研制出海岸研究成像光谱仪CRIS(Williams,2003),这是一台用来研究近海水的物理、化学和生物特性的推帚式机载光谱仪。CRIS由可见光高光谱成像和红外成像两个分系统组成。可见光高光谱成像分系统由光栅光谱仪和CCD探测器组成,用于测量水色,以获取水中的生物群、泥沙和营养素含量等信息;红外成像分系统工作波段的波长为8.0—10.0 μm,用于获取水温信息。将可见光和红外信息相结合,便可研究由陆地通向海洋的天然和人工水流,包括含生物、化学污染物质的分散型和点源型水流的生物效应。2005年,欧洲瑞士和比利时共同研制出机载成像光谱仪APEX(Airborne PRISM experiment)。该仪器1997年开始设计,目的是为了模拟欧洲宇航局ESA的PRODEX计划中的星载光谱成像仪,并可作为辐射传递标准为星载光谱成像仪提供依据和定标(Itten等,2008Schaepman等,2015)。

随着探测材料、器件工艺和电子信息获取及处理技术的发展,机载光谱成像技术日渐成熟,很多国家都研制出了各自的特色光谱成像仪器,目前机载光谱成像仪已发展到商业运营阶段。国际上研发生产机载光谱成像仪的公司主要有美国的Spectra Vista Corporation(SVC),芬兰的Specim,加拿大的ITRES Research等,其中Specim的AISA和ITRES的CASI是目前商业化程度较好的机载光谱成像系统。表12列出了典型的系统指标。

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国外典型机载成像光谱仪技术指标

Parameters of typical abroad airborne imaging spectrometers
型号AIS-1AVIRISAVIRIS-NGHyMapAVIS-2APEX
光谱范围/μm0.44—2.40.38—2.5038—2.510.45—2.480.4—0.850.4—2.5
光谱通道数128224425100~20064300
波段带宽/nm9.39.7—12.08.110—207.05—10
瞬时视场/mrad1.911.01.02.02.20.48
总视场/(°)3.73034.4605514
扫描方式推扫式推扫式推扫式摆扫式摆扫式推扫式
分光方式光栅光栅光栅光栅光栅棱镜
公司/机构NASA/JPLJPLNASA/JPLISPL慕尼黑大学瑞士—比利时
年份198219872012199720032005
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国外典型商业化机载成像光谱仪指标参数

Parameters of typical abroad commercial airborne imaging spectrometers
型号CASI-1500SASI-1000AMASI-600TASI-600AISA FENIXAISA KESTREL 16AISA IBISAISA OWL
光谱范围/μm0.38—1.050.95—2.453.0—5.08.0—11.50.38—2.50.6—1.640.67—0.787.7—12.3
光谱通道数2882006432361/448/622378/1891000/500100
空间像元15001000600600384640384/768384
视场角/(°)4040404032.34032.324/32.3
F数3.5—182.4222.42.41.72
光谱分辨率/nm3.57.5321101.7/3.4/6.8,5.72.75/5.50.11/0.2248
分光方式光栅光栅光栅光栅P-G-PP-G-PP-G-PP-G-P

注: P-G-P:棱镜+光栅+棱镜。

中国从20世纪80年代就开始机载成像光谱仪的研制,研究发展基本与国际同步,由中国科学院上海技术物理研究所(以下简称中科院上海技物所)研制的MAIS,OMIS,PHI等机载成像光谱仪(Wang和Xue,1998刘银年 等,2002),性能指标(表3)达到了国际先进水平。

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国内典型机载成像光谱仪指标参数

Parameters of typical domestic airborne imaging spectrometers
型号OMISPHIJVNIR/SWIRJLWIR
光谱范围/μm0.4—12.50.4—0.850.39—2.508—12.5
光谱通道数12824449075
空间像元5123672048/2048320
视场角/(°)73426160.5
光谱分辨率/nm1052.2—8.660
分光方式光栅光栅光栅光栅

1990年,中科院上海技物所研制出中国第一台机载高光谱成像仪MAIS(Modular Airborne Imaging Spectrometer)(Tong等,2014),由可见/近红外(0.44—1.08 μm)、短波红外(0.5—2.45 μm)和热红外(8—11.6 μm)3个独立的光谱仪组成,光谱通道数分别为32、32、7,光谱分辨率为20 nm、25 nm、450 nm,并进行了航空试验。1998年,中科院上海技物所研制出实用型模块化成像光谱仪OMIS(Operational Module Imaging Spectrometer),其使用平面光栅结合线列探测器通过光机扫描,波段包含可见光、近红外、短波红外、中波红外和长波红外(0.4—12.5 μm),可获取128个通道的光谱图像数据,总视场角70°,瞬时视场角3.0 mrad。之后又成功研制出使用面阵CCD的推帚式高光谱成像仪PHI(Pushbroom Hyperspectral Imagers),在0.4—0.85 μm光谱范围内分辨率优于5 nm,共244个光谱通道数,总视场角21°,瞬时视场角1.5 mrad,重量仅9 kg。并进一步研制出宽视场面阵CCD高光谱成像仪WHI(Wide angle Pushbro-om Hyperspectral Imager),行像元数增加到1304个,瞬时视场角0.6 mrad,总视场角扩展到42°。

MAIS、OMIS、PHI等成像光谱仪在国内地质找矿、环境监测、城市规划、土地分类、精细农业遥感等方面进行了大量的遥感飞行试验及应用,体现了高光谱成像技术重要的应用价值(Tong等,2014)。2005年中国科学院上海技术物理研究所向马来西亚出口了机载成像光谱仪(OMIS-II),实现了中国机载遥感仪器出口零的突破,并先后在美国、法国、澳大利亚和日本等国进行了遥感飞行作业。高光谱载荷不仅可以清楚地将不同的农作物做精细分类,而且可以判断农作物的长势阶段,此外,还可以识别屋顶上不同钢材的来源(图1),应用结果充分验证了高光谱成像技术的重要应用价值,在国际上产生了重大的影响,并实现了高光谱成像仪向国外出口。

10.11834/jrs.20210283.F001OMIS-II获取的屋顶不同钢材光谱图(Tong等,2014)Identification the different roof steel by OMIS-II (Tong et al., 2014)

在“十二五”国家高技术研究发展计划中,中科院上海技物所承担了覆盖从可见到长波红外波段的机载标准载荷的研制。研制的机载宽幅高光谱红外成像测试标准载荷具有自定标系统,用于开展实验室、测试外场、星载高光谱红外成像一致性传递定标验证试验,支撑高光谱成像技术定量化应用。所研发的JVNIR/JSWIR机载可见近红外短波高光谱成像载荷,平均光谱分辨率达到4.3 nm、总视场角达到61°、空间分辨率达到0.5 m@1 km,主要性能指标(表2)高于国外最新的AVIRIS-NG(Tripathi和Govil,2019),研发的JLWIR机载热红外成像光谱仪,光谱分辨率达到60 nm、总视场角达到60.5°、空间分辨率达到0.5 m@1 km km,主要性能指标(表3)高于国外先进典型仪器TASI-600(Achal等,2007)。

3 星载高光谱成像仪器的发展

进入21世纪以来,在机载仪器成功研制并推广应用的基础上,世界各航天大国纷纷开展高光谱成像技术的空间应用研究。表45列出国外已发射及在研的典型星载高光谱成像仪。根据不同的工作原理,主要可将其分成色散型(色散棱镜和衍射光栅型)和干涉型。 典型代表仪器如下:

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国外已发射的经典星载高光谱遥感仪器参数

Parameters of typical abroad spaceborne hyperspectral remote sensing satellites
仪器名称EO-1 /HyperionPROBA-1 /CHRISMighty Sat II /FTHSIMRO /CRISMChandrayaan-1 /M3IMS-1 /HYSIHTV/HREP-HICOResurs-P3 /GSA
国家美国ESA美国美国美国印度美国俄罗斯
发射时间20002001200020052008200820092016
轨道高度/km705550—670547325100350—460477
波段范围/μm0.4—2.50.4—1.050.47—1.050.4—4.050.42—30.4—0.950.35—1.080.4—1.1
光谱通道数2206214655826064128216
光谱分辨率/nm101.25—111.9—9.37/810105.75—10
空间分辨率/m3017/3430<501005069025—30
幅宽/km7.513—1530>1040129.54230
分光方式光栅棱镜傅立叶干涉光栅光栅
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国外现阶段已发射及在研星载高光谱遥感仪器参数

Parameters of present (launched/in study) abroad spaceborne hyperspectral remote sensing satellites
仪器名称DESISHySISPRISMAHISUIEnMAPHYPXIM CASHALOMMSMIHSK
国家德国印度意大利日本德国法国意大利/以色列南非土耳其
发射时间201820182019~2020~2020~2020~2021
轨道高度/km400630615410652650600660700
波段范围/μm0.4—1.00.4—2.40.4—2.50.4—2.50.42—2.450.4—2.50.4—2.70.44—2.350.4—2.5
光谱通道数23570+256238185228>200241200>210
光谱分辨率/nm2.55<101210/12.56.5—1010~1010
空间分辨率/m303030313010—151015<30
幅宽/km3030302030301015>30
分光方式光栅棱镜光栅棱镜棱镜光栅棱镜

(1)MightySatII.1/FTHSI:2000-07-19,美国空军研究实验室(AFRL)发射的MightySatII.1卫星搭载的FTHSI是第一台星载的基于傅立叶干涉分光技术的高光谱成像仪(Yarbrough等,2002)。轨道高度547 km,每次成像可以获取地面15 km×20 km的高光谱图像。该仪器可以在0.47—1.05 μm光谱范围提供146个光谱通道,光谱分辨率1.9—9.3 nm,地面分辨率30 m,视场3°。

(2)EO-1/Hyperion:2000-11-21,美国发射了地球观测卫星1号(EO-1),其上搭载的Hyperion高光谱成像仪(Pearlman等,2003)采用了Offner凸面光栅分光技术。Hyperion的刈幅宽度7.5 km,空间分辨率30 m,光谱范围0.4—2.5 μm,光学口径125 mm,共有220个谱段,光谱分辨率10 nm。Hyperion是民用航天遥感领域第一台色散型星载高光谱成像仪,卫星发射入轨后,在采矿、地质、森林、农业以及环境保护领域得到了广泛的应用。

(3)PROBA-1/CHRIS:2001-10-22,欧空局发射了PROBA-1(Barnsley等,2004)卫星,其上搭载了一个紧凑式高分辨率成像仪(CHRIS),采用离轴三反望远镜加曲面棱镜分光光谱仪和CCD探测器的总体技术方案,CCD探测器上150行光敏阵列用来进行光谱成像,其余的阵用来进行图像校正。以推扫的方式获取可见-近红外光谱数据,成像光谱范围0.4—1.05 μm,光谱分辨率1.25—11 nm,光谱波段数最高可达150个,空间分辨率34 m,在轨可配置为63个光谱谱段,具有成像模式多、光谱范围宽、分辨率高等特点。CHRIS可以获取多角度数据,对同一地点在2.5 min内可形成5个不同角度成像,分别为-55°、-36°、0°、36°和55°,它也是目前世界上唯一可以同时获取高光谱和多角度数据的星载高光谱成像仪。

此后,美国、印度、俄罗斯等国家陆续发射了一些针对不同应用领域的高光谱成像仪,多数为光栅衍射型,主要包括:

(1)MRO/CRISM:MRO(Mars Reconnaissance Orbit)是由JPL于2005-08-12发射的多功能火星探测卫星,星上搭载了紧凑探测成像火星光谱仪(CRISM)(Murchie等,2007),目的是为了观测火星表面矿物水残留的痕迹,从而寻找火星远古水的踪迹。该光谱仪覆盖的光谱范围为0.4—4.05 μm,光谱通道数达544个,光谱分辨率达7—8 nm,空间分辨率15.7—19.7 m。

(2)Chandrayaan-1(月船1号)/M3和HySI:Chandrayaan-1是印度第一颗探月卫星,在2008-10-22发射。星上搭载了月球矿物制图仪M3(Green等,2011),由美国布朗大学和JPL研制。和其他月球光谱探测仪不同,其光谱范围扩展到了2.5—3 μm的波段,以探测少量OH和H2O成分的存在。M3采用多闪耀凸面光栅分光,具有两个工作模式,在目标模式中,它的光谱通道数可以达到260个,在低分辨率全域模式中,它的光谱通道数减少到85个,且探测范围可以覆盖月球表面95%。M3的空间分辨率在目标模式中达到70 m,在低分辨率全域模式中减少到140 m。该卫星上还搭载了同年的IMS-1实验卫星中搭载过的HySI(Hyper Spectral Imager)高光谱成像仪,由印度自主研制,采用线性渐变滤光片分光,在0.4—0.9 μm波段内空间分辨率80 m,光谱分辨率达到15 nm,光谱通道数64个。

(3)H2-TransferVehicle (HTV)/HREP-HICO:HREP-HICO(Hyperspectral Imager for the Costal and Ocean)是NASA一个实验项目,该载荷于2009-10-09通过日本货运飞船H2-TransferVehicle(日语别称Kounotori)运输到国际空间站(Corson等,2008)。该载荷的设计目的是探测海岸带和陆地地球物理特征,轨道高度350—400 km,有效波段范围是在0.4—0.9 μm,光谱通道数有数百个,刈幅宽为48 km。分光方式采用了Offner型光谱仪,光谱分辨率为5.7 nm。

(4)俄罗斯资源卫星星座Resurs-P1/P2/P3/P4/P5(https://space.skyrocket.de/doc_sdat/resurs-p.htm[2020-07-15]):Resurs-P1/P2/P3分别于2013-06-25、2014-12-26和2016-03-13发射,Resurs-P1/P2/P3上均搭载了一个高光谱载荷(GSA)。Resurs-P3上的GSA载荷地面分辨率25—30 m,幅宽30 km。同时,比Resurs-P3卫星具备更高分辨能力的后续卫星Resurs-P4、P5也在规划中,预计将于2020年发射。该系列卫星可为俄罗斯自然资源与环境、应急、农业、渔业、水利气象机构等服务。

以EO-1/Hyperion为代表的上述高光谱成像仪取得了广泛的应用,证明了高光谱成像技术在遥感领域应用的可行性和潜力,但受限于幅宽较小、光谱通道数较少、信噪比较低等问题,获取的数据数量和质量仍无法满足高光谱技术的应用需求(Krishna等,2018Nink等,2015Peón等,2017)。因此,为更好地挖掘光谱成像技术的潜在应用,德国、日本、意大利、印度、法国在内的很多国家和机构均制定了性能更为先进的高光谱卫星发展规划,且均为色散型,分光方式选用棱镜或Offner类光栅。典型仪器如下:

(1)德国EnMAP(The Environmental Mapping and Analysis Program)和DESIS(DLR Earth Sensing Imaging Spectrometer):2006年,德国航空署批准了EnMAP计划(Hofer等,2007),并计划于2012年发射。不过,后期因技术问题,该计划多次推迟,目前预计于2020年发射。EnMAP卫星轨道高度652 km,它采用基于棱镜的双光谱仪设计,光谱范围覆盖0.42—2.45 μm,光谱通道数为230个,可见光—近红外的光谱分辨率为6.5 nm,短波红外的光谱分辨率为10 nm,空间分辨率30 m,幅宽30 km。此外,该卫星的侧视指向能力高达30°,这将保证其目标的重访周期为4 d,其光路图如图2所示(Sang等,2008)。2018-09,由德国航空航天中心(DLR)负责研制,美国特利丹公司(TBE)负责运营的DESIS高光谱成像仪(Krutz等,2018)被发射至国际空间站(ISS),其波长覆盖范围0.4—1.0 μm,光谱通道数235个,地面分辨率30 m,光谱分辨率2.55 nm,幅宽30 km。其光谱仪结构如图3所示(Krutz等,2018),采用Offner二元平面光栅进行分光,以提高衍射效率,进而提高信噪比。

10.11834/jrs.20210283.F002EnMAP光路图(Sang等,2008)Optical pathway of EnMAP (Sang et al., 2008)10.11834/jrs.20210283.F003DESIS 光谱仪结构图(Krutz等,2018)Spectrometer structure of DESIS (Krutz et al., 2018)

(2)日本ALOS-3/HISUI (Hyperspectral Imager SUIte):HISUI是日本发展的第4代高光谱载荷(Tanii等,2016),其波段范围覆盖0.4—2.5 μm,具有185个波段,空间分辨率30 m,刈幅宽30 km。该载荷由一个反射望远镜和两个光栅分光的光谱仪组成,载荷为了实现高信噪比(可见近红外波段450,短波红外300),设计的望远镜F数为2.2,同时采用了反射式光栅结构以减小杂光的影响。HISUI最初计划于2014年发射,后期也因技术问题推迟,目前预计于2020年由SpaceX的 Falcon-9火箭发射到国际空间站进行为期三年的工作。其光学和定标组件示意图如图4所示(Tanii等,2012)。

10.11834/jrs.20210283.F004HISUI光学和定标组件示意图(Tanii等,2012)Optics and calibration structure of HISUI (Tanii et al., 2012)

(3)意大利PRISMA(PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa)和Shalom(Space-borne Hyperspectral Applicative Land and Ocean Mission):PRISMA(Loizzo等,2018)于2019-03发射,用于获取土地覆盖、农业、污染、内陆水质等信息,其高光谱成像仪在0.4—2.5 μm的光谱范围内共有249个光谱通道,空间分辨率为30 m,幅宽为30 km,同时还配备了一个分辨率为5 m的可见光全色通道,其离轴三反望远镜光学口径为210 mm,光谱仪采用棱镜在准直后的光路中进行分光,光路图如图5所示(Labate等,2009)。Shalom(Natale等,2013)是意大利和以色列共同研制的“增强型PRISMA”,该载荷设计目的为提供高空间分辨率和高光谱分辨率的对地民用及科学遥感业务,目前尚未有相关发射情况的报道。Shalom上同时装载了一台全色相机,可以通过超分辨率达到2.5 m的空间分辨率。Shalom的高光谱成像仪有241个波段并覆盖了0.4—2.5 μm,空间分辨率达到10 m,光谱分辨率达到10 nm,刈幅宽为10 km,采用Offner类光栅分光。

10.11834/jrs.20210283.F005PRISMA光路图(Labate等,2009)Optical pathway of PRISMA (Labate et al., 2009)

(4)印度的ResourceSat-3/3A/3B、Cartosat-3/3A/3B和HySIS:IMS ResourceSat-3是印度的新一代资源卫星(https://space.skyrocket.de /doc_sdat/resourcesat-3.htm[2020-07-15]),预计2020年以后发射,将搭载一台空间分辨率25 m,幅宽25 km,在0.4—2.4 μm之间拥有约200个光谱通道的高光谱成像仪,通过离轴三反望远镜获取地面图像,采用Offner凸面光栅光谱仪精细分光成像。此外,印度ISRO正在研制甚高分辨率多光谱/高光谱地球观测卫星Cartosat-3/3A/3B (https://space.skyrocket.de /doc _sdat/cartosat-3.htm[2020-07-15]),预计于2020年发射,其中高光谱载荷光谱分辨率12 nm,幅宽5 km,地面分辨率30 m,共200个谱段,相机结构采用同轴R-C结构,相机主镜口径1.2 m。HySIS (https://space. skyrocket.de/doc_sdat/hysis.htm[2020-07-15])也由印度ISRO研制,于2018-11发射,其光谱分辨率10 nm,空间分辨率30 m,幅宽30 km。

(5)法国HYPXIM-CA:HYPXIM-CA是法国CNES资助的HYPXIM任务(Michel等,2011)中的其中一颗卫星,预计将于2020年发射。该任务中,HYPXIM-CA和HYPXIM-CB以小卫星平台为架构。HYPXIM-CA星采用了TMA望远镜,口径为175 mm,分光方式为棱镜。探测器像元为2000×360,重量为65 kg,功耗为55 W,设计寿命为5年。HYPXIM-CB与HYPXIM-CA采用了同类型的望远镜,但是口径为150 mm,并且配置了全色波段,分光方式也为棱镜。探测器像元为1000×256,重量为70 kg,功耗为110 W,设计寿命也为5年。后续还将发展一颗HYPXIM-Perfomance星,其采用Korsch望远镜,口径为430 mm。同样采用了棱镜的分光方式,可见近红外和短波红外的探测器像元为2000×360,空间分辨率为8 m,幅宽为16 km,光谱分辨率为10 nm。长波红外使用的望远镜口径仅为60 mm,探测器像元为160×35,对地分辨率和刈幅宽分别为100 m和16 km,光谱分辨率为100—150 nm。整个载荷重量小于150 kg,功耗小于350 W,设计寿命为10年。

综上,可以看出,星载高光谱成像技术受到了国外遥感界的普遍关注,但由于星载高光谱载荷的研制面临的技术挑战大、难度高,难以兼顾宽的谱段覆盖范围、大的幅宽、高的光谱分辨率和高的探测灵敏度,比如,PROBA-1/CHRIS谱段覆盖范围只到近红外波段(1.0 μm);EO-1/Hyperion幅宽仅7.5 km,短波红外波段信噪比低于50;新近发射和当前在研的德国DESIS和EnMAP、日本HISUI、意大利PRISMA和Shalom、印度HySIS等也未能有效解决上述问题。

国内第一个星载光谱成像仪是中科院上海技物所研制的神舟3号飞船(SZ-3)上装载的中分辨率光谱成像仪(郑亲波和危峻,2004),于2002年发射,其分光方式为凹面光栅,光谱范围覆盖0.403—1.023 μm,空间分辨率为500 m,光谱通道数为30个。此后,国内星载高光谱成像仪器的发展也十分迅速,如2008-09发射的 HJ-1-A卫星(Zhao等,2010)上装载了一台中科院西光所研制的傅立叶干涉高光谱成像仪,谱段范围0.45—1.05 μm,光谱通道数105个,光谱分辨率2—9 nm,空间分辨率100 m,幅宽50 km。2011年发射的天宫一号(颜昌翔,2013)装载了一台中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称中科院长光所)和中科院上海技物所联合研制的基于棱镜分光的高光谱成像仪,轨道高度400 km,空间分辨率10—20 m,幅宽10 km,光谱覆盖0.4—2.5 μm,共128个谱段。环境减灾后续卫星HJ-2A/B装载了中科院西光所研制的高光谱成像仪。此外,2013年、2018年发射的探月卫星“嫦娥三号”、“嫦娥四号”上,也都分别搭载了中科院上海技物所研制的高光谱载荷(王跃明 等,2016),将于2020年发射的中国首次火星探测任务“天问一号”上也将搭载中科院上海技物所研制的高光谱载荷。此外,商业卫星高光谱已开始兴起。2018-04,珠海一号发射成功(李先怡 等,2019),其上装载的高光谱成像仪具有32个波段,空间分辨率10 m,幅宽150 km,谱段范围0.4—1.0 μm。如何在成本和数据质量之间找到平衡点,是商业卫星需要重点考虑的一个问题。

自2008年起,中科院上海技物所面向中国矿产、能源探测和生态环境监测的重大战略需求,开展了宽谱宽幅星载高光谱成像载荷关键技术研究。通过十多年的研究,解决了宽谱宽幅相关的大相对口径超大焦面低畸变望远镜、光谱仪和大规模红外焦平面探测器等核心关键技术,克服了高光谱分辨率高探测灵敏度相关的高精度装调检测、低噪声高响应探测和Etalon干涉效应校正等技术难题(刘银年 等,20152020a2020bLiu Y N等,2019b;Hu等,2018a2018bXu等,2020),研制了国际首台星载宽谱宽幅可见短波红外高光谱相机,首次应用于中国高分辨率对地观测重大专项的第一颗高光谱观测卫星(高分五号)和资源探测业务卫星(资源一号02D),分别于2018-05-09和2019-09-12发射。同时,后续的高分五号02星和资源一号02E星也正在研制中。相关仪器参数列于表6

10.11834/jrs.20210283.T006

国内已发射或预计发射的星载高光谱遥感仪器

Parameters of domestic spaceborne hyperspectral remote sensing satellites that has been or expected to launch
仪器名称HJ-1-A高光谱成像仪TG-1超光谱成像仪GF-5高光谱相机GF-5-02高光谱相机ZY-1-02D高光谱相机HJ-2高光谱成像仪ZY-1-02E高光谱相机
发射时间200820112018.5~20202019.9~2020~2021
轨道高度/km540400705705778644.5778
波段范围/μm0.45—1.050.4—2.50.45—2.50.45—2.50.4—2.50.45—2.50.4—2.5
光谱通道数105128330330166215166
光谱分辨率/nm2—910/235/105/1010/204.5/1410/20
空间分辨率/m10010/2030303048/9630
幅宽/km50106060609660
分光方式傅立叶干涉棱镜光栅光栅光栅傅立叶干涉光栅

高分五号卫星高光谱载荷(AHSI)光路图如图6所示,采用离轴三反望远镜和新型超大平场度分光光谱仪以及“品字形”拼接超大规模探测器(2048×512),实现了光谱范围0.4—2.5 μm,幅宽60 km,可见近红外波段(VNIR)光谱分辨率优于5 nm,短波红外波段(SWIR)光谱分辨率优于10 nm,光谱通道数330个的性能指标。AHSI是目前性能指标最先进的载荷之一,具有独特的优势,其高光谱数据在各个领域的应用上已取得了重要突破,体现出了重要的应用价值。例如,经甘甫平研究员等(董新丰 等,2020)计算,AHSI相较HyMap和AVIRIS机载数据矿物识别平均正确率为90.32%;张鸿生等(Wan等,2020)的研究表明,AHSI数据在红树林树种分类等方面较Landsat 8和Hyperion具有优势;南京大学杜培军教授等(祝伟 等,2020)研究表明,高分五号数据的解混精度SAD 最低可达0.0951,整体精度和机载的AVIRIS 标准数据解混精度(最低值0.0982)相当;武汉大学张良培教授等(袁静文 等,2020)研究表明高分五号数据对武汉市江北核心城区11类景物分类平均精度超过90%,单类景物最高分类精度达到96.31%;中科院遥感和数字地球研究所张霞研究员等(Qi等,2019)研究表明高分五号数据作为分类算法网络的验证数据集,总体分类精度可达 99.37%,与机载 AVIRIS 高空间分辨率高光谱数据集处理精度相当(97.70%)。

10.11834/jrs.20210283.F006GF-5可见短波红外高光谱相机光路图Optics of GF-5 AHSI

星载高光谱成像技术至今已经迅速地发展了近20年,通过对比国内外已发射具有代表性的星载高光谱成像载荷的性能,可以更清晰地了解到星载高光谱成像遥感技术的发展现状。如图7所示,列出了14颗国内外具有代表性的高光谱成像卫星载荷的光谱分辨率、空间分辨率、幅宽和波段数等性能指标。可以看出,高光谱成像遥感仪器往更高光谱分辨率、空间分辨率、更大幅宽和更宽谱段发展。高分五号AHSI卫星的光谱分辨率比EO-1/Hyperion、HySIS、PRISMA 以及将于2020年发射的HISUI、ENMAP等载荷的光谱分辨率高出近50%。德国2018年发射的DESIS光谱分辨率较高,为AHSI的2倍,但是它只覆盖可见近红外波段,且幅宽仅为AHSI的一半。同时,AHSI幅宽领先国外现行载荷2—4倍,谱段数比国外现行载荷多出近100个,空间分辨率跟其他卫星的空间分辨率相当,综合来看,中国高光谱成像载荷的性能已走到了世界前列。

世界各国典型高光谱卫星性能比较Performance comparison of typical hyperspectral satellites10.11834/jrs.20210283.F00710.11834/jrs.20210283.F008

中国、美国、欧洲、日本等国,先后发展了静止轨道气象观测卫星,如表7所示。其特点是光谱通道数为数十个、空间分辨率为公里级,或光谱分辨率纳米级、空间分辨率为数公里,主要用于云和大气的探测。例如,美国2016年发射的新一代静止环境观测卫星GOES-R(Schmit等,2017),波段范围0.47—13.3 nm,与现有在轨气象卫星相比,它的空间分辨率提高了4倍,扫描速度提高了5倍;日本于2016年发射的气象卫星Himawari-9(Bessho等,2016),波段范围0.455—13.3 μm。随着技术进步,发展同时具有较高空间分辨率和光谱分辨率的静止轨道高光谱成像仪器已成为可能。目前,发展中的静止轨道高光谱卫星有欧空局ESA的MTG-S(Stuhlmann等,2009)以及印度的GISAT、韩国的COMS卫星等。就中国而言,2016年发射了静止轨道气象卫星风云四号(陈仁 等,2019),其上搭载的干涉式大气垂直探测仪是国际上第一台在静止轨道上以红外高光谱干涉分光方式探测大气垂直结构的高光谱遥感仪器,成功获取了世界上第一幅静止轨道大气高光谱图像。同时,2016年国家重点研发计划支持了静止轨道全谱段高光谱成像技术的研发工作,针对全天时大范围连续监测、精细识别和分类的应用需求,在静止轨道上,实现紫外25 m到红外100 m、幅宽400 km的静止轨道全谱段高光谱成像观测。

10.11834/jrs.20210283.T007

国内外已发射或预计发射的静止轨道高光谱遥感仪器参数

Parameters of hyperspectral remote sensing satellites on geostationary orbit
仪器名称GOES-RAHIFY-4高光谱探测仪GISATHyS-SWIR/VNIRMTG-SIRS/UVN科技部重点研发计划项目
国家美国日本中国印度ESA中国
发射时间2016年2016年2016年~2020年~2018年待定
轨道高度/km静止轨道静止轨道静止轨道静止轨道静止轨道静止轨道
波段范围/μm0.47—13.30.455—13.30.45—13.80.9—2.54.6—6.2/8.26—14.290.3—12.5
光谱通道数161614150920/510>600
光谱分辨率/nm<101.32—2.44/4.27—12.743—100
空间分辨率/m500—2000500—2000500—4000500400025—100
幅宽/km1000640400
4 可调谐高光谱成像技术

成像光谱仪是成像技术和光谱技术的有机结合,一般由望远镜和光谱仪共同组成,分光技术直接影响着整个成像光谱仪的性能、复杂度、重量和体积等。在几十年的研究中,干涉分光及棱镜和光栅色散分光技术取得了长足的发展,并在工程中得到了广泛应用,同时,可调谐分光方式也不断涌现(李东泽,2014;Graff和Love,2014Love和Graff,2014)。目前光谱载荷分光方式多种多样,主要有时间型的可调谐分光、滤光片分光、时空联合调制傅立叶干涉分光,空间型的棱镜色散分光、光栅衍射分光、空间调制傅里叶干涉分光、计算光学分光等。色散型的光栅和棱镜分光,同一时间获取观测对象所有的光谱通道,覆盖了其完整的工作波长范围。时间型可调谐分光方式同一时间只获取观测对象的一个光谱通道,其所有工作波长范围内的光谱通道要分时获取,需要较长的观测时间,对于相对运动的观测对象,得到的光谱特征曲线完全是不同地物的光谱,会造成严重的光谱失配。时间型的分光方式主要用于静态测量的场合。

随着光谱仪的轻小型化,研究学者们在分光的基础上引入调谐分光的概念(Love,2009),借助电控方式、温控方式、机械控制方式等手段,实现光波长的分离和选择,如基于声光衍射原理制成的电控声光可调谐滤波片AOTF(Acousto-optic Tunable Filter)、基于双折射效应的电控液晶可调谐滤波片LCTF(Liquid Crystal Tunable Filter)及光谱随楔形空腔厚度变化的光楔滤光片等分光器件。

AOTF是利用超声波与特定晶体作用而产生分光的光电器件,原理如图8所示。当输入一定频率的射频信号时,AOTF会对入射光进行衍射,从中选出波长为λ的单色光。单色光的波长λ与射频频率f有一一对应的关系,只要通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。采用AOTF分光方式的成像光谱仪结构简单,且无运动部件。AOTF成像光谱仪主要由前置光学望远镜成像模块)、前置光学准直模块、AOTF模块、后置光学成像模块及探测器接收模块组成。为保证入射到晶体上的光束满足角孔径要求,同时要保证衍射光束和入射光束的空间分离,要求准直系统的光束发散角要小于3°(TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角),因此,基于AOTF器件的高光谱成像仪的视场一般较小,需通过扫描机构实现大视场成像(Gupta等,1999Korablev等,20062012)。

10.11834/jrs.20210283.F009AOTF分光技术(Gupta,2003)AOTF spectroscopic techniques (Gupta, 2003)

程序化的波长控制使得仪器的输出波长可以进行灵活切换,加之全固态集成设计产生优异的避震性能,使得基于这种方式分光的成像光谱仪近年来在现场就位检测和分析中得到了广泛的应用。ESA发射的火星快车(Gendrin等,2005)及金星快车(Svedhem等,2007)上均装载了AOTF光谱仪器,NASA也一直致力于基于AOTF的成像/非成像光谱仪深空探测研究,如针对火星探测应用研制的AIMS及IPS等(Accettura等,2004)。国内中科院上海技物所自2006年起,就针对深空光谱探测应用,开展基于AOTF成像光谱技术的研究。2013年发射的嫦娥三号巡视器上就搭载了中科院上海技物所研制的基于AOTF分光的红外成像光谱仪(王跃明 等,2016),目前该仪器已成功应用于月面就位探测及分析。这种分光方式的不足之处就是有效视场小,衍射光偏转角会随着波长的改变而发生偏移。同时这种分光技术大多用于可见近红外到短波红外谱段,中波红外谱段也有一些应用。主要应用场合是实验室、固定式或车载静态测量。

LCTF是将液晶材料与双折射滤光片结合在一起形成的可调谐滤光器,它是通过施加不同的电压调节双折射液晶实现特定波长光的选择性透过,原理如图9所示(张营,2016)。目前,Meadowlark Optics公司制造的三级液晶可调谐滤光片,光谱范围0.4—2.5 μm,光谱分辨率10 nm。由于使用偏振片,液晶可调谐滤光片透过率的理论最大值为50%,现在最高可达到40%。基于LCTF分光的光谱成像仪(Chrien等,1993Shingu等,2003),主要优点是体积小、重量轻、功耗低、无运动部件,特别适合搭载在微纳卫星上。日本2014年发射的Rising-2微纳卫星(Sakamoto等,2016)以及菲律宾在2016年和2018年分别发射的PHL-Microsat-1、PHL-Microsat-2卫星(Maestro等,2016)上的载荷都使用LCTF技术。但液晶的折射率受温度影响较大,中心波长随温度变化漂移显著,对光谱测量精度会产生较大影响。

10.11834/jrs.20210283.F010液晶可调谐滤光片(张营,2016)Liquid Crystal Tunable Filter(Zhang, 2016)

随着先进薄膜研制技术水平的提高,滤光片轮分时光谱分光技术向静态连续滤光片分光技术改进,最典型的是基于线性渐变滤光片LVF(Linear Variable Filter)分光技术,核心分光器件是一种特殊的带通滤光片,起初由美国JDSU公司设计和制造,根据需要向特定方向形成楔形镀层,由于通带的中心波长与镀层的厚度有关,这就相当于沿特定方向滤光片的透过波长在线性变化,从而起到分光的作用。基于线性渐变滤光片分光的高光谱成像仪系统光路图如图10所示(王颖,2015),目标经成像镜头成像于光谱探测器上,然后通过相机整体扫描获取目标全谱段高光谱数据(Mahmoud等,2018)。

10.11834/jrs.20210283.F011基于LVF光谱探测器的高光谱相机光路示意图Optical path of hyperspectral camera based on gradient linear filter spectral detector

渐变式(LVF)和阶跃式(ISF)光楔滤光片(Wei等,2017;肖喜中,2015)分光示意图如图11所示,在制作滤光片时根据需要向特定方向形成楔形镀层,由于通带的中心波长与镀层的厚度有关,这就相当于沿特定方向滤光片的透过波长在相应变化,从而起到分光的作用。基于光楔滤光片分光的光谱仪结构十分简单,只需将光楔滤光片安装在面阵探测器的前方,使探测器的每一行只接收对应通带的光谱能量,但其光谱性能难以保证,光谱混叠现象严重。

10.11834/jrs.20210283.F012LVF和ISF分光示意图(肖喜中,2015)Optical diagram of Linear Variable Filter (LVF) and Integrated Stepwise Filter (ISF) (Xiao, 2015)

早期的干涉型成像光谱仪大多是基于迈克尔逊干涉仪为原形发展起来的,通过一套动镜驱动系统,在不同的时间反演出目标在不同波长的光谱图样,属于时间扫描型。20世纪90年代以来,随着面阵探测器的发展,国际上出现了空间扫描型干涉成像光谱技术,其代表性方案有两类:一类是无狭缝的全通量空间调制型;另一类是有狭缝的Sagnac空间调制型(Lucey等,1993)(图12)。美国强力星Mighty Sat II-FTHSI,中国的HJ-1-A星高光谱成像仪等均采用这种分光方式。后来科学家们结合空间调制产生光程差、时间调制获得干涉信息的特点,通过推扫全部视场的方式获得完整干涉图像,实现了时空联合调制干涉光谱成像技术的研制(Graff和Love,2014)。

10.11834/jrs.20210283.F013Sagnac干涉型成像光谱仪Sagnac interferometric imaging spectrometer

法布里—珀罗干涉仪FPI(Fabry-Perot Interferometer)是法国科学家Fabry和Perot(1897)研发的利用多光束干涉原理进行光谱选择的分光器件。为适应不同应用需求,人们提出了可调谐F-P腔,被用作可调谐F-P滤波器,利用FPI的通带波长可随F-P腔的腔长变化的特点,采用时间调制方法进行光谱调控,实现不同光谱通道的选择。F-P 可调谐滤波器主要由平行放置的内表面镀有高反射率膜层的两块透明平板组成,其构型扁平,结构紧凑,体积小,重量轻,光谱分辨率高,通带切换速度快,成像视场不受滤波器本身尺寸限制,在光谱成像系统中使用时可以直接放置在探测器前或者平行光路里(丛蕊 等,2019)。基于可调谐F-P滤波器的典型高光谱成像仪光学系统如图13所示,代表仪器如2013年Fu等(2013)提出的可调谐液晶法布里—珀罗高光谱成像干涉仪等。F-P 可调谐滤波器用于高光谱成像时,需要在某一特定较宽的工作光谱范围内每个腔长只对应一个通带波长,并在需要的工作光谱范围内消除多级透射峰的影响(丛蕊 等,2019)。另一方面,为了提高成像仪器的光谱分辨率同时解决F-P自由光谱范围窄的缺点,人们也提出了将F-P腔作为前置滤波器件串接色散型光谱仪的思想(柳文娟 等,2015)。例如,2013年,中科院成都光电所的石振东、周崇喜等(Shi等,2014)研制的将可调谐F-P滤波器和光栅结合作为色散元件的小型光谱仪等。这类方法研制的光谱仪器,分辨率取决于可调谐F-P滤波器,而自由光谱范围由色散光谱仪系统决定,可使原本不可分辨的波长通过光谱扫描,在时域中得以分辨,解决了色散型光谱仪自由光谱范围与光谱分辨率相互制约的矛盾,适用于各类光谱分辨率不高的小型色散型光谱仪,具有结构简单、兼容性好的特点(Lu等,2018)。

10.11834/jrs.20210283.F014基于TFPF (Tunable Fabry-Perot filter )的高光谱成像仪的光学系统示意图Optical system of hyperspectral imager based on TFPF (Tunable Fabry-Perot filter)

Candès和Tao(2006)基于信号的稀疏性本质,提出压缩感知采样理论,此后,基于压缩感知的光谱成像技术取得了蓬勃发展(Duarte等,2008Liu等,2019aTao等,2020)。美国杜克大学Brady和Gehm(2006)将传统的色散型光谱成像技术中的狭缝更换为特殊形式的二维编码模板,通过计算机仿真,获取目标光谱图像的压缩感知图像,并利用压缩感知理论进行图谱复原,取得了较好的结果,从而提出编码孔径光谱成像技术的思想,也称为压缩感知光谱成像技术,原理示意如图14所示。压缩感知计算光谱成像是对信息矩阵A进行信息混叠压缩,再用较低规模探测器获取具有一定压缩比的图谱混叠数据,通过算法重构空间元的图谱,最终实现地物图谱特性测量。压缩感知理论主要研究内容有3个:信号的稀疏表示,信号的压缩测量和信号的重构算法。由于其通过计算方法改变传统光谱成像的方式,并通过光路变换方法实现计算方法的硬件化,最终通过计算反演方法得到图谱数据,因此也称为计算光谱成像技术。Brady教授团队成功研制了基于编码孔径的光谱成像系统CASSI(Wagadarikar等,2008Kittle等,2010),包括单色散、双色散和多曝光单色散系统,图15给出了CASSI多曝光单色散系统的实验样机。

10.11834/jrs.20210283.F015压缩感知计算光学成像图谱关系示意图Schematic diagram of the relationship of the optical imaging map of compressed sensing computation10.11834/jrs.20210283.F016多曝光单色散CASSI样机(Kittle等,2010)Multi _SD_CASSI prototype (Kittle et al., 2010)

2007 年,美国Rice 大学成功研制出单像素成像系统,该系统通过光学系统将目标投影至数字微镜器件(DMD)上,DMD 是一种可以实现“0”、“1”二值编码功能的空间光调制器,反射信号聚焦到单元探测器上,经过多次测量获得重构图像所需的编码数据(Duarte等,2008)。图16为DMD作为光空间调制器的光谱维编码孔径成像光谱仪原理光路图。Sun和Kelly(2009)在单像素系统上增加了分光器件,由单点探测变为线列探测,增加了光谱信息,实现了光谱成像系统(CHSI)。August等(2013)提出CHSISS 系统,实现了对场景信息进行空间信息和光谱信息同时压缩测量,更是将压缩感知理论加以充分利用,图 17给出了从单像素成像系统到空间—谱间同时压缩的光谱成像系统的示意图。

10.11834/jrs.20210283.F017基于DMD光谱维编码孔径成像光谱仪原理图(Love和Graff,2014)Schematic diagram of imaging spectrometer based on the DMD spectrum code aperture (Graff & Love, 2014)基于压缩感知的计算光谱成像系统原理示意图(August等,2013)Computational spectral imaging diagram based on compressed sensing (August et al., 2013)10.11834/jrs.20210283.F018

基于压缩感知的计算光谱成像系统是压缩感知应用的一个非常巨大的突破,具有巨大的潜力,为目前高光谱成像系统面临的数据量巨大等问题的解决提供了很好的理论支撑。但是,计算光谱成像系统稳定性较差,影响因素太多,不同恢复算法恢复差别大,1个像元光谱偏移可造成20%以上光谱偏差,且存在不可恢复性。另外,计算光谱成像所依赖的编码器需要在上百万个微米尺度的空间上形成不同光学调制特性的随机码,工程上还有很大差距。此外,该方法过于依赖先验的知识,要求被观测的对象稀疏性好。目前该方法尚处于实验室研究阶段,在实验室获得精细高质量的光谱图像尚有较大差距,工程应用还有一定距离。

5 结 语

高光谱成像遥感载荷技术体现出了如下的发展趋势。

(1)探测波段进一步拓宽至长波红外,时间、空间、光谱分辨率进一步提高,定量化精细化要求越来越高。高光谱成像遥感技术在早期发展阶段,主要发展目标为提高光谱分辨率,以提取地物丰富的光谱特征。而随着大规模面阵探测器技术、光机加工检测技术和信号处理等技术的进步,高光谱遥感技术在提高光谱分辨率的同时,开始向着高空间分辨率和更大幅宽方向发展。为了获取地物更丰富的光谱信息,获取全天时的地物反射和发射光谱特征,高光谱遥感载荷谱段范围将覆盖从紫外到长波红外。为保证更高指标下高光谱的应用效能,实验室、在轨仪器内部及其对地、对日、对月、对冷空和恒星的综合定标手段也日益丰富和朝着更精细化的方向发展。此外,发展超大幅宽和更高分辨率的高光谱遥感技术,对于进一步发展宽工作波段范围的大规模探测器和大口径光学也提出了更高的要求。

(2)新型分光方式不断提出,技术种类进一步丰富。随着信息技术、成像技术及光学加工工艺的发展与进步,各类新型分光技术层出不穷,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、声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片、F-P 可调谐滤波器、压缩感知分光等多种分光技术方案。目前,这类分光方式仍然处于原理研究及实验室验证阶段,也是高光谱遥感未来发展的一种趋势。此外,将分光过程跟光电转换过程相结合的芯片级高光谱分光方式也越来越得到人们的关注和研究。

(3)星载高光谱遥感数据处理智能化、自动化。伴随着“人工智能”时代的来临,将神经网络、深度学习等数据处理技术与高光谱遥感技术深度结合,构建具有星上载荷参数自动优化、星上数据自动实时处理与产品生成能力的“智能”高光谱遥感卫星系统成为了未来发展趋势。同时,随着高光谱成像遥感仪器的分辨率越来越高,获取信息维度越来越多的同时,获取的遥感数据量也是呈现爆炸式的增长,“大数据”特征十分显著。如何有效地实现高光谱遥感有效数据挖掘,信息提取,提高数据压缩及数据传输效率,是未来高光谱遥感需要解决的重要难题。

(4)高光谱遥感载荷的轻量化、集成化、系统化。随着轻小型无人机遥感技术及微纳卫星技术的发展,高光谱遥感也正在向着低成本、灵活机动、集成化等方向发展。目前,基于小型无人机的轻小型高光谱遥感技术在农林病虫害检测、目标搜寻及抢险救灾等领域隐藏着巨大的应用需求和价值。而微纳卫星则具有成本低、开发周期短等优势,能够开展更为复杂的空间遥感任务。高光谱遥感技术与微纳卫星技术的结合,将促进一体化多功能结构、综合集成化空间探测载荷的创新发展,对未来高光谱遥感轻量化、集成化、系统化,实现空间组网、全天时探测具有重要的推动作用,也为高光谱遥感卫星进入商用领域提供了可能。

可以看出,高光谱遥感领域中,许多新原理、新方案、新技术正在得到实施与应用,多元信息一体化获取与处理能力也大为增强,高光谱载荷逐步向大视场、大相对孔径、高分辨率、高定量化的方向发展。同时,随着高光谱遥感技术的不断发展成熟,其成本也将大大降低,其商业化应用也将是未来发展的重要方向。