天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)的陸地應(yīng)用

覃幫勇，劉志文，李盛陽

(1.中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心,北京100094；2.中國(guó)科學(xué)院太空應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094)

1 引言

天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器于2011年9月29日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,于2016年3月結(jié)束在軌運(yùn)行,在軌穩(wěn)定運(yùn)行1630天,在軌期間完成了與神舟八號(hào)、九號(hào)、十號(hào)等三艘飛船的交會(huì)對(duì)接實(shí)驗(yàn)任務(wù),搭載的先進(jìn)高光譜成像儀工作正常、穩(wěn)定,具有同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行多個(gè)譜段的綜合對(duì)地觀測(cè)信息獲取能力。高光譜成像儀包含可見光全色、可見近紅外、短波紅外和熱紅外譜段,高光譜成像儀的數(shù)據(jù)類型及應(yīng)用指標(biāo)如表1所示。

天宮一號(hào)高光譜成像儀的空間分辨率和光譜分辨率綜合指標(biāo)在國(guó)內(nèi)外星載高光譜儀中處于先進(jìn)水平,與美國(guó)的MODIS、Hyperion,歐洲的MERIS、CHRIS,國(guó)內(nèi)的HJ-1 A相比,在譜段范圍、波段數(shù)目、空間分辨率、光譜分辨率等方面具有突出優(yōu)勢(shì)［1-2］。天宮一號(hào)高光譜成像儀具有對(duì)地物精細(xì)特征的成像探測(cè)能力,在地物精細(xì)分類與識(shí)別方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在軌運(yùn)行以來,獲取了大量的高質(zhì)量對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù),豐富了中國(guó)高光譜遙感數(shù)據(jù)源,該數(shù)據(jù)已在海洋、林業(yè)、國(guó)土資源、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文生態(tài)監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域開展了應(yīng)用研究,取得了較好的應(yīng)用成果［3-4］。

表1 天宮一號(hào)高光譜成像儀數(shù)據(jù)應(yīng)用指標(biāo)［1］Table 1 The data application parameters of Tiangong-1 hyperspectral imager［1］

本文主要介紹天宮一號(hào)高光譜成像儀數(shù)據(jù)在國(guó)土資源調(diào)查、土地變化監(jiān)測(cè)、林業(yè)應(yīng)用和應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測(cè)等陸地方面的應(yīng)用情況,以期為國(guó)產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用和后續(xù)同類型載荷的研制提供經(jīng)驗(yàn)參考。

2 國(guó)土資源調(diào)查中的應(yīng)用

天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)在空間分辨率、波譜范圍和光譜分辨率等成像參數(shù)上具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì),已在礦物分布調(diào)查和油氣探測(cè)等國(guó)土資源調(diào)查中進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用。其中,短波紅外數(shù)據(jù)應(yīng)用于礦物分布調(diào)查及油氣探測(cè),這在國(guó)內(nèi)航天高光譜數(shù)據(jù)中尚屬首次［4］。該方面的應(yīng)用成果可以為我國(guó)礦產(chǎn)及油氣資源的高效勘測(cè)及合理開發(fā)利用提供有效的決策信息。

2.1 礦物分布調(diào)查

由于高光譜遙感具有波段多、波段寬度窄等不同于多光譜遙感的特性,使之能夠反映出多種礦物和巖石的診斷性光譜特征。自20世紀(jì)80年代起,高光譜數(shù)據(jù)已于礦產(chǎn)資源調(diào)查等方面廣泛應(yīng)用［5］。天宮一號(hào)的高光譜成像儀具有“圖譜合一”的特點(diǎn),可同時(shí)獲取地表高光譜的空間信息和波譜信息［6-7］,在礦產(chǎn)資源分布調(diào)查中具有較好的應(yīng)用前景。

中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心閆柏琨等利用天宮一號(hào)高光譜短波紅外譜段數(shù)據(jù)提取了與成礦作用密切相關(guān)的礦物信息,針對(duì)我國(guó)西部裸露區(qū)域重點(diǎn)成礦帶以及青藏高原上的斑巖型成礦帶遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行礦物分布調(diào)查研究［8］。結(jié)果表明天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)可識(shí)別含F(xiàn)e3+等離子的礦物種類,并可半定量估算其含量以及某些礦物晶格中的類質(zhì)同像替換［8］。

圖1為新疆星星峽局部的礦物分布圖,從圖中可以看出,該地區(qū)礦物類別以白云母和角閃石為主,白云石、方解石和綠泥石相對(duì)較少；根據(jù)鋁元素的豐度高低,白云母可進(jìn)一步劃分為富鋁、中鋁和貧鋁三類。

長(zhǎng)安大學(xué)的劉磊等利用空間光譜端元提取模型結(jié)合光譜角制圖法(SSEE-SAM)首次系統(tǒng)開展了天宮一號(hào)高光譜影像礦化蝕變信息提取能力評(píng)價(jià),通過將提取結(jié)果與航空高光譜SASI影像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)具有對(duì)白云母、高嶺土、綠泥石、綠簾石、方解石、白云石等主要蝕變礦物的識(shí)別能力［10］。

天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)能夠?yàn)榈V物調(diào)查提供支撐信息,為圈定成礦有利區(qū)提供參考,服務(wù)我國(guó)礦物資源開發(fā)利用。

2.2 油氣探測(cè)研究

利用高光譜遙感找油,主要是利用遙感影像信息提取等技術(shù),挖掘出遙感影像的蝕變信息,圈定或預(yù)測(cè)有利的油氣勤探靶區(qū)［11］。天宮一號(hào)高光譜成像儀可以為油氣、天然氣等資源探測(cè)提供數(shù)據(jù)和信息支撐。

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球所張艮中等針對(duì)天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù),提出了一種基于波段相關(guān)檢測(cè)的蝕變信息提取方法,并利用該方法成功提取了青海祁連山地區(qū)天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)中的Al-OH礦物蝕變異常及4種蝕變礦物,展示了天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)在地質(zhì)礦產(chǎn)資源調(diào)查方面的應(yīng)用潛力［12］。

中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心的楊達(dá)昌等利用天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù),對(duì)甘肅慶陽地區(qū)進(jìn)行油氣微滲漏信息提取研究［13］。提取了粘土礦物蝕變、二價(jià)鐵離子蝕變、烴類蝕變異常等烴類微滲漏信息,最終通過綜合分析,確定潛在油氣藏區(qū)域,提取的分布信息與已有地質(zhì)分析結(jié)果有較好的一致性［13］。

天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)具有高空間分辨率和高光譜分辨率的特點(diǎn),能夠?qū)τ蜌馕g變信息進(jìn)行精確提取,在油氣資源調(diào)查應(yīng)用中顯示出明顯的優(yōu)勢(shì),增強(qiáng)了我國(guó)在油氣資源調(diào)查方面的監(jiān)測(cè)手段。

3 土地監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

及時(shí)掌握土地利用的基本狀況,從而合理使用和保護(hù)十分重要。然而,傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)或?qū)嵉卣{(diào)查方式,由于空間定位不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定和不統(tǒng)一而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的可信度低［14］,利用遙感的手段能夠直觀、及時(shí)、準(zhǔn)確地了解土地資源利用信息。

3.1 土地利用變化監(jiān)測(cè)

近年來隨著全球人口的不斷增加、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,土地利用變化成為影響全球環(huán)境變化的一個(gè)重要原因,及時(shí)掌握土地利用變化信息,對(duì)于土地的可持續(xù)化利用具有重要意義。遙感技術(shù)以其快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)在土地利用變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)［14］。

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所胡勇等利用2013年獲取的黃河入?？诘貐^(qū)天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù),開展了濕地土地利用情況監(jiān)測(cè),并將結(jié)果與TM影像結(jié)果進(jìn)行了比較［15］。因高光譜成像儀數(shù)據(jù)具有更高的光譜分辨率和空間分辨率,能記錄更多不同地物類型之間的差異信息,因此更容易識(shí)別較小的地物。

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所劉良云等利用2013年5月的天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù),以及1990年的 Landsat 5 TM、2002年的 Landsat 7 ETM+、2007年的Landsat 5 TM等多時(shí)相多光譜數(shù)據(jù),開展了長(zhǎng)時(shí)間序列北京市通州區(qū)局部土地覆蓋變化監(jiān)測(cè),通過地物精細(xì)分析,提取了林地、建設(shè)用地、水體、植被、農(nóng)田和裸地等地物信息,得到二十年時(shí)間尺度的研究區(qū)的土地覆蓋與變化情況。其中,2013年5月的土地覆蓋分類結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出,2013年5月該地區(qū)建設(shè)用地占所有面積的50%以上,水體和裸土面積較小,其余部分為植被、林地和農(nóng)田。

長(zhǎng)時(shí)間序列土地利用與變化監(jiān)測(cè),能夠?yàn)檩o助城市環(huán)境監(jiān)管、合理規(guī)劃土地開發(fā)、服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展等提供重要技術(shù)支持。

3.2 土壤重金屬污染調(diào)查

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)譚琨等利用江蘇省徐州市部分地區(qū)天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)(獲取于2015年1月11日)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了反射光譜特征與對(duì)應(yīng)土壤采樣點(diǎn)重金屬含量的關(guān)系,提取高光譜數(shù)據(jù)中的重金屬污染特征波段,建立了農(nóng)作物土壤重金屬污染等級(jí)評(píng)價(jià)體系［16］。重金屬污染監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)研究區(qū)污染控制、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、土地利用規(guī)劃以及政府決策等,具有重要理論和實(shí)用價(jià)值。

3.3 城市熱環(huán)境研究

利用熱紅外遙感可以得到大范圍的地表溫度面狀信息,與傳統(tǒng)的地表溫度測(cè)量方式相比,具有快速、覆蓋面廣、信息連續(xù)等特點(diǎn)［17］。

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所厲華等采用2012年2月3日9時(shí)、2012年3月6日14時(shí)、2012年5月18日7時(shí)和2013年2月23日16時(shí)4個(gè)時(shí)相獲取的天宮一號(hào)高光譜熱紅外數(shù)據(jù)對(duì)北京市二環(huán)內(nèi)區(qū)域進(jìn)行地表溫度反演,并進(jìn)行了城市熱島效應(yīng)研究［18］。經(jīng)驗(yàn)證,溫度反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間的均方根誤差為2.72 K,說明天宮一號(hào)高光譜熱紅外譜段數(shù)據(jù)反演的地表溫度具有較高的精度,能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用城市熱環(huán)境研究的需求。

4 林業(yè)中的應(yīng)用

高光譜遙感技術(shù)具有豐富的光譜信息優(yōu)勢(shì),為科學(xué)和快速進(jìn)行森林資源管理提供了新的技術(shù)手段。國(guó)內(nèi)相關(guān)應(yīng)用單位利用天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)在森林精細(xì)分類、森林覆蓋變化、生物量反演和荒漠化評(píng)價(jià)等方面開展了大量應(yīng)用工作。促進(jìn)了我國(guó)自主遙感器在林業(yè)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的應(yīng)用,為我國(guó)后續(xù)資源環(huán)境衛(wèi)星和林業(yè)行業(yè)衛(wèi)星的參數(shù)設(shè)置和應(yīng)用提供參考［19］。

4.1 森林精細(xì)分類

對(duì)低分辨率遙感數(shù)據(jù)難以區(qū)分的森林樹種,天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)能細(xì)分出樹種的不同亞種和不同生長(zhǎng)周期［20］。

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所范應(yīng)龍等選取云南省寧蒗彝族自治縣區(qū)域作為研究區(qū),對(duì)2012年3月獲取的天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,并利用樣本對(duì)分類精度進(jìn)行驗(yàn)證［20］,分類結(jié)果如圖3所示。研究區(qū)被分為云、陰影、裸地、荒山荒地、居民建設(shè)用地、水體、礦點(diǎn)、農(nóng)田、云南松、核桃、梨樹、榿樹、刺青、車桑子、櫟樹和桉樹,其中櫟樹按不同生長(zhǎng)周期分為櫟樹和萌生櫟,桉樹按亞種分為藍(lán)桉和史密斯桉樹,總體分類精度為82.17%［20］。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：天宮一號(hào)為中國(guó)林業(yè)遙感應(yīng)用提供了寶貴的數(shù)據(jù),在提取森林資源分布信息,反映植被分布情況等方面有重要意義。

4.2 森林覆蓋變化監(jiān)測(cè)

森林在生長(zhǎng)演替過程中,由于不斷地受到人為或自然因素的干擾,森林覆蓋面積及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,往往會(huì)引起地物反射光譜特性的改變。

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所龐勇等利用2008年、2010年的 Landsat ETM+數(shù)據(jù)與2012年天宮一號(hào)高光譜可見近紅外數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)了云南省西雙版納局部林區(qū)的森林覆蓋變化,分析森林減少和恢復(fù)情況［21］。經(jīng)過與地面實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)比較,監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確客觀地反映了森林分布與變化情況,尤其較好地反映了近期發(fā)生的森林?jǐn)_動(dòng),包括森林采伐導(dǎo)致的森林減少和再造林引起的森林增加等。

4.3 植被量估測(cè)

區(qū)域植被量估測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的過程,傳統(tǒng)方法難以對(duì)大范圍的植被量進(jìn)行估測(cè),利用高光譜遙感技術(shù)可以大大提高估測(cè)的效率和精度。

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所吳俊君等利用2012年4月獲取的天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)開展了內(nèi)蒙古蘇尼特右旗部分地區(qū)的荒漠化地區(qū)稀疏植被參量估測(cè)［22］,結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),通過土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋度和生物量進(jìn)行反演,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了指數(shù)與覆蓋度、生物量之間的線性回歸模型,最大相關(guān)系數(shù)可到 0.8［22］。

結(jié)果表明：天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)豐富的光譜信息能有效地反映地表植被的真實(shí)情況,具有較好的植被量估測(cè)潛力。

4.4 荒漠化監(jiān)測(cè)

荒漠化不僅對(duì)于我國(guó)西北乃北方地區(qū)的氣候造成直接影響,同時(shí)也是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的極大障礙,開展荒漠化監(jiān)測(cè)對(duì)科學(xué)制訂荒漠化區(qū)域開發(fā)和保護(hù)措施有指導(dǎo)意義。

中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所劉良云等以內(nèi)蒙古錫林浩特蘇尼特右旗南部為研究區(qū),利用2012年7月獲取的天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù),通過計(jì)算植被指數(shù)對(duì)荒漠化地區(qū)的稀疏植被覆蓋度進(jìn)行了估測(cè)［23］,結(jié)果如圖4所示。圖中,紅色區(qū)域表示植被覆蓋度高,藍(lán)色和綠色區(qū)域的植被覆蓋度較低,黃色區(qū)域的植被覆蓋度介于兩者之間。

劉良云等采用非監(jiān)督分類的方法對(duì)2012年4月獲取的天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)青海柴達(dá)木盆地附近地類進(jìn)行荒漠化分類,經(jīng)過分類后處理、分類重編碼,最終合并為重度鹽堿地、中度鹽堿地、輕度鹽堿地、沼澤地、沙地、灘地六類［23］。該分布結(jié)果對(duì)科學(xué)制訂荒漠化區(qū)域開發(fā)和保護(hù)措施有指導(dǎo)意義。

5 災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

相比業(yè)務(wù)衛(wèi)星只能按照固定的軌道及重訪周期繞地飛行,天宮一號(hào)可按需進(jìn)行側(cè)擺和變軌觀測(cè)［1］,更加靈活地獲取數(shù)據(jù),在對(duì)突發(fā)災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)觀測(cè)中具有突出的優(yōu)勢(shì)。天宮一號(hào)地面系統(tǒng)針對(duì)應(yīng)急災(zāi)害迅速啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案,及時(shí)調(diào)整觀測(cè)計(jì)劃,針對(duì)受災(zāi)區(qū)獲取并處理生成有效的影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品,為應(yīng)急救災(zāi)和災(zāi)后評(píng)估提供有效的決策支持信息。

5.1 火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)

2013年10月17日開始,澳大利亞新南威爾士州遭受了當(dāng)?shù)貧v史上最嚴(yán)重的森林火災(zāi),造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［24］。中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心(以下簡(jiǎn)稱：空間應(yīng)用中心)充分發(fā)揮天宮一號(hào)高光譜成像儀的優(yōu)勢(shì),自2013年10月25日起持續(xù)一周開展了澳大利亞新南維爾士州森林大火應(yīng)急監(jiān)測(cè),判別火災(zāi)點(diǎn)區(qū)域范圍1次,確認(rèn)重大火災(zāi)隱患點(diǎn)2處。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖中紅色、黃色和白色線條分別為2013年10月20日、10月24日及10月27日三個(gè)時(shí)期大火燃燒的范圍,大火處于不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)。在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中,利用高光譜短波紅外及熱紅外譜段數(shù)據(jù)判別火災(zāi)點(diǎn)區(qū)域范圍1次,確認(rèn)重大火災(zāi)隱患點(diǎn)2處,為火災(zāi)點(diǎn)的確認(rèn)和定位發(fā)揮了重要作用［25-26］。

5.2 水災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)

2013年10月上旬,受臺(tái)風(fēng)“菲特”影響,浙江余姚市遭受近60年來最嚴(yán)重水災(zāi)。10月11日天宮一號(hào)高光譜成像儀獲取到該區(qū)域高光譜熱紅外譜段影像,經(jīng)過民政部國(guó)家減災(zāi)中心分析解譯發(fā)現(xiàn),余姚主城區(qū)淹沒范圍超過55%,城市內(nèi)澇嚴(yán)重,大部分街道被淹沒。其他區(qū)域如東江、中江、西江、姚江低洼區(qū),以及勝歸山公園周邊地區(qū)也受災(zāi)嚴(yán)重。通過對(duì)余姚水災(zāi)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理,為洪水災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)與災(zāi)情評(píng)估提供了有效支持［27］。

5.3 地震應(yīng)急監(jiān)測(cè)

2014年8月3日,云南魯?shù)榈貐^(qū)遭受了嚴(yán)重的地震災(zāi)害,震級(jí)達(dá)到6.5級(jí),震源深度為12 km,造成了六百多人死亡,大量房屋倒塌。8月17日,云南永善縣發(fā)生了5.0級(jí)地震,造成了20人受傷,民房、交通等基礎(chǔ)設(shè)施不同程度受到損害［28］。地震發(fā)生后,空間應(yīng)用中心迅速啟動(dòng)了針對(duì)突發(fā)災(zāi)害事件的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案,及時(shí)獲取了云南魯?shù)?、永善附近的高質(zhì)量高光譜數(shù)據(jù)［27］。空間應(yīng)用中心快速接收、處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品后,向民政部國(guó)家減災(zāi)中心、中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所等單位,提供了觀測(cè)數(shù)據(jù)及震區(qū)高光譜歷史存檔數(shù)據(jù)。用戶單位根據(jù)天宮一號(hào)高光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)品開展了地震災(zāi)害分析與評(píng)估,解譯了山體滑坡分布、公路受損情況等,為有關(guān)部門開展震后救援提供參考依據(jù)。

6 總結(jié)

天宮一號(hào)搭載的高光譜成像儀是我國(guó)首臺(tái)航天高分辨率高光譜成像儀,在軌期間獲取了大量有價(jià)值遙感數(shù)據(jù),已在國(guó)土資源調(diào)查、土地變化監(jiān)測(cè)、林業(yè)應(yīng)用和應(yīng)急災(zāi)害監(jiān)測(cè)等陸地應(yīng)用方面的取得了顯著成果,為我國(guó)地球環(huán)境監(jiān)測(cè)工作提供了寶貴的數(shù)據(jù)。目前天宮一號(hào)高光譜成像儀的存

檔數(shù)據(jù)仍然具有很高的科研及應(yīng)用價(jià)值。天宮一號(hào)高光譜成像儀將為國(guó)產(chǎn)高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用和后續(xù)同類型載荷的研發(fā)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考作用。

致謝：感謝載人航天工程提供天宮一號(hào)高光譜成像儀數(shù)據(jù)產(chǎn)品。數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站“載人航天空間應(yīng)用數(shù)據(jù)推廣服務(wù)平臺(tái)”（http：//www.msadc.cn）。