在2016年度中國遙感領(lǐng)域10大事件評(píng)選中，“遙感技術(shù)首次輔助城市黑臭水體整治工作取得實(shí)效”名列榜首。而這與高光譜遙感技術(shù)有很密切的聯(lián)系。
那么，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(duì)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(dá)納米(nm)數(shù)量級(jí)，通常具有波段多的特點(diǎn)，光譜通道數(shù)多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)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。
在電影《地雷戰(zhàn)》中有一個(gè)情景：民兵埋地雷的時(shí)候，用樹枝進(jìn)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(gè)鞋印，以迷惑敵人。但是在今天，這種偽裝就一點(diǎn)用也沒有了，高光譜遙感技術(shù)能將一個(gè)個(gè)地雷精確地找到。
1.光譜：物體獨(dú)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(cè)地物特性的科學(xué)。在20世紀(jì)60年代之前，人類對(duì)地球和宇宙的觀測(cè)還主要以可見光為主。
人們?nèi)粘Ｉ钪兴姷墓?，是由多種顏色構(gòu)成的復(fù)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(dú)特的光譜特性，類似于人類指紋的功能，是遙感科學(xué)中用以識(shí)別和分析不同物體特征的一種重要的“身份證”。
高光譜遙感實(shí)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(biāo)，而是根據(jù)譜段光譜曲線的形態(tài)來分析目標(biāo)是什么。光譜分析是人類借助光認(rèn)知世界的重要方式。如果說肉眼光學(xué)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。
據(jù)中國科學(xué)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(cè)范圍超過了肉眼的感知，還能連續(xù)記錄數(shù)百個(gè)光譜波段。因此，用肉眼甚至普通的光學(xué)遙感不能識(shí)別的地面物體，這項(xiàng)技術(shù)都能夠更好地分辨出其內(nèi)在的物理、化學(xué)特性，甚至是物質(zhì)的分子和原子結(jié)構(gòu)。
如果說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(shí)別地面物體。它利用成像光譜儀在連續(xù)的幾十個(gè)甚至幾百個(gè)光譜通道獲取地物輻射信息，在取得地物空間圖像同時(shí)，每個(gè)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(yùn)行的高光譜衛(wèi)星，不僅能觀測(cè)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(shì)如何。”
高光譜遙感的出現(xiàn)，是遙感領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，使本來在寬波段遙感中不可探測(cè)的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測(cè)。
2.“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?yàn)橥寥辣煌陂_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(xì)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(zhēng)期間，美軍利用高光譜遙感儀器，可以探測(cè)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。
當(dāng)前，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(cè)不及時(shí)、監(jiān)測(cè)水平以定性為主、監(jiān)測(cè)精度無法實(shí)現(xiàn)定量的精準(zhǔn)變量肥水藥管理等難題。高光譜遙感技術(shù)可以對(duì)任何一種農(nóng)作物的品種、類型、種植面積等情況進(jìn)行調(diào)查，甚至可以對(duì)農(nóng)作物的葉綠素、氮磷鉀含量進(jìn)行分析，為相關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。中國科學(xué)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(tuán)隊(duì)，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(xué)家提供幫助。以前，地質(zhì)學(xué)家野外考察時(shí)，背著包、拿著羅盤，需要花很大氣力把采集到的礦物標(biāo)本一一背回來進(jìn)行研究。而自從有了高光譜儀器，他們只要到一個(gè)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(jìn)行分析，可以知道這個(gè)地方礦物分布種類以及區(qū)域。
近年來，成像光譜技術(shù)也逐漸滲透進(jìn)了各種非傳統(tǒng)遙感行業(yè)，比如在醫(yī)學(xué)、生物、刑偵、考古、文物保護(hù)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(shí)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(jī)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(jī)里的光譜儀，人們能夠隨時(shí)隨地用手機(jī)快速檢測(cè)果蔬農(nóng)藥殘留和食品品質(zhì)安全等信息。
3.水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域大有可為
當(dāng)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(píng)價(jià)，都迫切需要遙感大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供科技支撐，但黑臭水體遙感監(jiān)測(cè)的有關(guān)研究幾乎為空白。高光譜遙感技術(shù)可以對(duì)不同污染程度和不同污染來源的黑臭水體進(jìn)行區(qū)分。
中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所水環(huán)境遙感研究團(tuán)隊(duì)在北京等城市開展了十余次黑臭水體野外實(shí)驗(yàn)，積累了141個(gè)黑臭采樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)遙感反射率等數(shù)據(jù)?；诤诔羲w和一般水體的反射率細(xì)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(shí)別算法，可以識(shí)別一種類型的重度黑臭水體，識(shí)別精度約90%?；谶@一方法，作為參研單位之一，進(jìn)行了13個(gè)城市黑臭水體遙感篩查與實(shí)地驗(yàn)證。
利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)陸水質(zhì)開展水華和水生高等植物的識(shí)別，從而對(duì)水質(zhì)分布情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(shí)別水華和水草，只有高光譜遙感數(shù)據(jù)才能夠捕捉復(fù)雜多變的水華、水草和水體細(xì)致的光譜差異，從而對(duì)水華和水草進(jìn)行精確識(shí)別。水環(huán)境遙感研究團(tuán)隊(duì)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(gè)反演模型。其中，針對(duì)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(gè)在國家級(jí)和省級(jí)環(huán)保部門業(yè)務(wù)化運(yùn)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。
高光譜遙感技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，已形成了一個(gè)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(xiàn)。
1989年，中科院研制了我國第一臺(tái)模塊化航空成像光譜儀，并在20世紀(jì)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(hào)”搭載了我國第一臺(tái)航天成像光譜儀，此后我國發(fā)射的“嫦娥1號(hào)”探月衛(wèi)星、環(huán)境與減災(zāi)小衛(wèi)星(HJ-1)星座、風(fēng)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(píng)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(shí)現(xiàn)了向美、日、澳等發(fā)達(dá)國家的技術(shù)輸出，成果在國際上產(chǎn)生了重大影響。
目前，高光譜遙感技術(shù)和應(yīng)用在中國科學(xué)院逐漸形成了一個(gè)成熟的研究方向和學(xué)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(duì)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(xiàn)者的“高光譜遙感研究集體”獲得了2016年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)。
