珠海一號高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)及應(yīng)用概況

文|李先怡 范海生 潘申林 蔣曉華 吳佳奇

珠海歐比特宇航科技股份有限公司

一、引言

隨著成像光譜技術(shù)的出現(xiàn)，高光譜遙感已經(jīng)成為國際遙感技術(shù)研究的熱門課題和光學遙感的最主要手段[1]。高光譜遙感技術(shù)作為對地觀測技術(shù)的重大突破[2]，其發(fā)展?jié)摿薮蟆８吖庾V遙感( Hyperspectral Remote Sensing)是指用很窄且通常連續(xù)的光譜通道對地物遙感成像的技術(shù)。高光譜遙感在可見光到短波紅外波段的光譜分辨率高達納米（nm）數(shù)量級，通常具有波段多的特點，光譜通道多達數(shù)十甚至數(shù)百個，且各光譜通道間往往是波長連續(xù)的[3]。高光譜遙感數(shù)據(jù)最主要的特點是將傳統(tǒng)的圖像維與光譜維信息融合為一體，在獲取地表空間圖像的同時，得到每個地物的連續(xù)光譜信息，從而實現(xiàn)依據(jù)地物光譜特征的地物成份信息反演與地物識別。高光譜遙感克服了傳統(tǒng)單波段、多光譜遙感在波段數(shù)、波段范圍、精細信息表達等方面的局限性，以較窄的波段區(qū)間、較多的波段數(shù)量提供遙感信息，能夠從光譜空間中對地物予以細分和鑒別，在資源、環(huán)境、城市、生態(tài)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)階段全世界高光譜衛(wèi)星較少，高光譜數(shù)據(jù)缺少，且分辨率低、幅寬較窄。空間分辨率、時間分辨率以及光譜分辨率都很難滿足用戶的需求，利用高光譜數(shù)據(jù)在各行業(yè)推廣應(yīng)用就更難以全面開展。從高光譜遙感技術(shù)誕生以來, 數(shù)據(jù)獲取一直是高光譜遙感發(fā)展的瓶頸[4]。

珠海一號高光譜衛(wèi)星（OrbitaHyperSpectral,簡稱OHS）是珠海一號衛(wèi)星星座的第2組衛(wèi)星，于2018年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心通過長征十一號運載火箭以“一箭五星”方式成功發(fā)射并已正常使用（見圖1）。按計劃后續(xù)將繼續(xù)發(fā)射6顆高光譜衛(wèi)星，到時10顆高光譜衛(wèi)星組網(wǎng)成星座，可以縮短重訪周期，提高動態(tài)觀測效率，實現(xiàn)地表環(huán)境監(jiān)測的快速響應(yīng)。本文介紹了珠海一號高光譜衛(wèi)星參數(shù)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品及數(shù)據(jù)處理流程，分析了該衛(wèi)星在自然資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面的主要應(yīng)用，以此展望珠海一號高光譜衛(wèi)星的應(yīng)用前景。

圖1 珠海一號星座高光譜衛(wèi)星

二、珠海一號高光譜衛(wèi)星簡介

珠海一號高光譜衛(wèi)星（OHS）采用推掃成像方式，單次成像范圍150km×3200km，空間分辨率10m，光譜分辨率3～8nm（與積分級數(shù)/鍍膜變化率相關(guān)），波長范圍400～1000nm，由于受壓縮和存儲限制，波段數(shù)設(shè)計傳輸32個（可以上注指令，重新選擇其他波段進行下傳）；衛(wèi)星體積約600mm×600mm×800mm，重量為71kg，在軌壽命5年。單顆高光譜衛(wèi)星每天可繞地球約15.16軌，每軌單次數(shù)據(jù)采集時間不超過8min。目前，單星重訪周期為6天，4顆衛(wèi)星重訪周期縮短為2天。

衛(wèi)星載荷為基于漸變?yōu)V光片的鍍膜型高光譜探測器，光線經(jīng)過連續(xù)漸變的窄帶濾光片后形成一系列離散的光譜條帶，探測上的每一行對應(yīng)一窄帶光譜，通過選擇不同的探測器的行像元輸出（在軌實際選擇1級到8級積分，與太陽高度角、大氣窗口和鍍膜穿透能力相關(guān)），即可實現(xiàn)不同的光譜波段組合的光譜成像。衛(wèi)星主要性能指標見表1。

表1 珠海一號高光譜衛(wèi)星主要技術(shù)指標

珠海一號高光譜衛(wèi)星星座具備獨特優(yōu)勢：衛(wèi)星體積小，星上存儲大，成本低；空間分辨率最高,幅寬大，星座規(guī)模多，重訪周期短。通過建設(shè)國內(nèi)首家自主運營高光譜衛(wèi)星星座，可解決我國在高光譜數(shù)據(jù)上的缺乏問題，開展高光譜遙感數(shù)據(jù)在農(nóng)林牧草、生態(tài)環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

三、珠海一號高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品

依據(jù)國家標準GB-T 32453-2015《衛(wèi)星對地觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類分級規(guī)則》，珠海一號高光譜遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行了分級，數(shù)據(jù)處理流程詳見圖2。

圖2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)預處理及產(chǎn)品示意圖

L0級產(chǎn)品，衛(wèi)星執(zhí)行拍攝指令、獲取地球表面數(shù)據(jù)后，通過衛(wèi)星接收站向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)；接收到的原始數(shù)據(jù)為碼流形式，對原始碼流進行解壓、解擾、解密等操作后，生成0級產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

L1A級標準產(chǎn)品，0級產(chǎn)品推送到數(shù)據(jù)中心，進行輻射校正、傳感器校正、定軌定姿和模型構(gòu)建等處理后，生成標準L1A級產(chǎn)品提供給用戶使用。降低或消除影像的輻射不均勻性，去除影像中出現(xiàn)的條帶噪聲、壞線等，并對各波段進行配準，提供絕對輻射定標系數(shù)，方便進行絕對輻射定標，將無量綱的DN值轉(zhuǎn)換成有量綱的遙感器入瞳輻射亮度值，該產(chǎn)品經(jīng)過系統(tǒng)性的幾何定標，提供RPC文件。

L1B級大氣校正產(chǎn)品，通過優(yōu)化積分級數(shù)提高影像質(zhì)量，對L1A級產(chǎn)品進行大氣校正，消除大氣對陽光和來自目標的輻射產(chǎn)生吸收和散射的影響，生成地表反射率影像產(chǎn)品。

L2級系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品，在標準產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，按照一定的地球投影，以一定地面分辨率投影在地球橢球面上的幾何產(chǎn)品，故影像帶有了相應(yīng)的投影信息。該產(chǎn)品附帶RPC模型參數(shù)文件。

L3級幾何精校正產(chǎn)品，在系統(tǒng)幾何糾正產(chǎn)品或標準產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，采用地面控制點或者標準參考影像來改進影像的的幾何定位精度；消除了部分軌道和姿態(tài)參數(shù)誤差，將產(chǎn)品投影到地球橢球面上的幾何產(chǎn)品。

L4級高程（正射）校正產(chǎn)品，利用精細的DEM和控制點進行正射糾正，由于在正射糾正時，改正了由于地形起伏而造成的像點位移，因此不再提供RPC參數(shù)文件,但影像帶有地理編碼。

L5級標準鑲嵌影像產(chǎn)品，對L4級產(chǎn)品進行無縫拼接消除接邊線，并進行影像勻色處理，生成無縫鑲嵌影像產(chǎn)品。

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四、珠海一號高光譜衛(wèi)星應(yīng)用前景

珠海一號高光譜衛(wèi)星利用衛(wèi)星規(guī)模多的優(yōu)勢實現(xiàn)對地表覆蓋和監(jiān)測服務(wù)，其數(shù)據(jù)可以廣泛應(yīng)用在自然資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市建設(shè)管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、災(zāi)害預報與災(zāi)情評估、海洋環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域。

1.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)遙感是以高光譜數(shù)據(jù)為核心，綜合反演農(nóng)作物理化參數(shù)，在作物種植面積估算、作物識別、作物長勢監(jiān)測和農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測預警、作物產(chǎn)量估算等方面發(fā)揮重要作用。

作物識別主要是利用不同作物獨特的波譜反射特征，結(jié)合抽樣訓練、光譜信息提取和分類技術(shù)進行處理，此外，不同區(qū)域、不同類型作物間物候歷的差異，可利用遙感影像信息的時相變化規(guī)律進行不同作物類型的識別，從而進行作物種植分布統(tǒng)計。農(nóng)作物生長周期監(jiān)測根據(jù)作物光譜反射特征隨時間周期的變化，反映作物生長的空間信息；通過對農(nóng)作物時序NDVI曲線的分析，可以了解實時作物的生長周期和生長狀況，而且還能夠反映作物生長的趨勢。農(nóng)作物長勢監(jiān)測通過作物的反射光譜特征間接地分析作物長勢信息，通過分析不同時期的作物生理參數(shù)的變化得出長勢的定量化分析數(shù)據(jù)。作物產(chǎn)量估算利用作物長勢監(jiān)測數(shù)據(jù)和估產(chǎn)模型對作物進行遙感估產(chǎn)，利用遙感影像處理方法計算出種植面積，最后估算總產(chǎn)量。珠海一號高光譜影像農(nóng)作物識別如圖3所示。

圖3 珠海一號高光譜農(nóng)作物識別

作物由于感染病蟲害或因污染等變化會產(chǎn)生“藍移”現(xiàn)象，這為高光譜遙感的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。通過高光譜衛(wèi)星影像計算的作物病蟲害遙感監(jiān)測指數(shù)與地面實測病蟲害受災(zāi)程度建立回歸統(tǒng)計模型，獲得區(qū)域尺度反演的農(nóng)作物病蟲害受災(zāi)程度，并監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害發(fā)生面積。結(jié)合時間序列數(shù)據(jù)分析技術(shù)和氣象數(shù)值預測技術(shù)可對農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測進行預警。

2.自然資源調(diào)查

在土地利用/覆蓋遙感分類中，地物（特別是植被）類型豐富且光譜相似，高光譜數(shù)據(jù)能夠更為全面、細致地獲取地物光譜特征及其差異性，從而大幅度提高地物分類的類別精細度和準確度。采用高光譜有關(guān)數(shù)據(jù)及其生成的植被指數(shù)，經(jīng)圖像處理和定量分析，可以對全球各地區(qū)的植被和土地狀況進行分類，監(jiān)測土地沙漠化、森林砍伐、城市化等環(huán)境變化進程（見圖4）。

圖4 珠海一號高光譜影像植被覆蓋度專題圖

在林業(yè)、草原等生態(tài)方面，高光譜遙感應(yīng)用于植被參數(shù)反演主要包括：生化組分參數(shù)反演，如葉綠素、類胡蘿卜素以及氮素等；生物物理參數(shù)反演，如葉面積指數(shù)（LAI）；植被與環(huán)境相互作用因素反演，如光合有效輻射（FPAR）。應(yīng)用遙感技術(shù)測量和分析葉子乃至冠層的生物化學信息在時間、空間的變化,可以了解植物的生產(chǎn)率、凋落物分解速度及營養(yǎng)成分有效性；根據(jù)各種化學成分的濃度變化可以評價植被的長勢狀況。植被病蟲害高光譜遙感監(jiān)測主要通過測定植物生活力,如葉綠素含量,植物體內(nèi)化學成分變化來完成。由于受病蟲害影響,森林植被中葉綠素含量減少時,光譜曲線中強反射波段向短波方向偏移,當森林植被因缺水而發(fā)生葉子枯萎時,光譜曲線中強反射波段將向長波方向偏移。

3.生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

在內(nèi)陸水環(huán)境方面，利用高光譜遙感影像可以對湖庫水表層的光學參數(shù)進行反演（如水溫、溶解氧、懸浮物、葉綠素、化學需氧量、氨氮、總氮），從而確定包括濁度、真光層厚度等一系列理化參數(shù)。結(jié)合地面實測的采樣點，適用于對湖庫水理化參數(shù)的分布進行科學的制圖。通過分析生態(tài)要素狀況、變化趨勢、空間分布特征，從而監(jiān)控區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況與動態(tài)變化，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對監(jiān)測湖庫富營養(yǎng)化程度的評價（如圖5所示）及對發(fā)展趨勢進行預測預報，對監(jiān)測湖庫水污染災(zāi)害發(fā)生進行評估。

圖5 珠海市湖庫型水源地富營養(yǎng)化遙感監(jiān)測專題圖

（1）葉綠素a遙感監(jiān)測

在水體總吸收光譜中，675nm附近具有強烈的浮游植物吸收而形成反射谷值，與葉綠素a濃度成反比，700nm附近出現(xiàn)的反射峰值與葉綠素a成正比。利用兩者的比值可以提高與葉綠素a濃度的相關(guān)性，且這兩波段的波長比較接近，受懸浮物和黃色物質(zhì)的影響相似，通過波段比值運算可以很大程度上抵消這部分影響，此外，通過波段比值還可以消除量綱和反射率大小的影響，從而降低大氣校正誤差帶來的影響。

（2）懸浮物遙感監(jiān)測

懸浮物的光譜特征比較寬，700～850nm的反射率可以較高精度反演懸浮物濃度。高光譜遙感數(shù)據(jù)在700～850nm范圍內(nèi)有多個波段可以選擇，從而可以避開760nm氧氣吸收通道、720nm和820nm水汽吸收通道。

（3）藍藻水華遙感監(jiān)測

在含有藍藻水華的內(nèi)陸水體反射率光譜中，625nm附近有藻藍素強烈的吸收峰進而形成反射谷，645nm附近的反射峰是藻藍素最主要的光譜特征。利用645nm附近反射峰與625nm附近反射谷的發(fā)射率比值，可以有效提取藍藻水華分布。

4.海洋環(huán)境調(diào)查

利用高光譜衛(wèi)星遙感技術(shù)，可以對海表參數(shù)進行精確反演，結(jié)合環(huán)境評估模型，對海洋生態(tài)環(huán)境進行科學評估。

（1）近海水質(zhì)遙感監(jiān)測

基于衛(wèi)星的近海水質(zhì)遙感監(jiān)測，連續(xù)動態(tài)監(jiān)測近海海域水環(huán)境要素。通過收集近海水質(zhì)歷史資料、采集現(xiàn)場水質(zhì)與光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于不同季節(jié)的近海海域尤其是一二類水體復合區(qū)衛(wèi)星遙感反演模型，主要包括海表溫度、葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、氮磷濃度等反演模型。

（2）赤潮監(jiān)測

葉綠素的吸收帶分布在440～450nm和670nm附近，葉綠素a最大吸收峰在420nm和660nm（b13）附近，葉綠素b最大吸收峰在450nm和640nm（b12）附近, 葉綠素c最大吸收峰在450nm和640nm（b12）附近，從赤潮水體的光譜曲線中可以看出正常水體在400～900nm中存在一個反射峰，赤潮水體存在兩個反射峰，以此可以判斷海域中是否發(fā)生赤潮。珠海一號高光譜影像b1-b16可用于赤潮水體的識別。另外，在大洋浮游植物的檢測中，利用高光譜影像709nm處離水輻亮度鋒的反射率可以計算出海水中的最大葉綠素指數(shù)（MCI）。監(jiān)測結(jié)果詳見圖6。

圖6 珠海一號高光譜影像近海葉綠素濃度分布圖

（3）海上溢油污染

一般對影像預處理后選取感興趣區(qū)，提取出地物光譜曲線，可以對該地區(qū)的溢油情況進行分析，包括對油膜厚度等的分析。厚油膜和中等厚度油膜在低于530nm（b1-b5）區(qū)間反射率明顯低于海水，甚薄油膜在該范圍內(nèi)反射率高于海水，薄油膜在520～910nm（b4-b30）范圍內(nèi)波段的反射率比水體略低。

五、結(jié)束語

珠海一號高光譜衛(wèi)星是目前我國空間分辨率最高、衛(wèi)星規(guī)模最多的高光譜衛(wèi)星星座，它的發(fā)射提升了我國高光譜遙感信息獲取能力，實現(xiàn)了對地綜合觀測，為各行各業(yè)各部門提供所需了的高光譜遙感數(shù)據(jù)。