珠海一號高光譜衛星數據及應用概況

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

隨著成像光譜技術的出現，高光譜遙感已經成為國際遙感技術研究的熱門課題和光學遙感的最主要手段[1]。高光譜遙感技術作為對地觀測技術的重大突破[2]，其發展潛力巨大。高光譜遙感( Hyperspectral Remote Sensing)是指用很窄且通常連續的光譜通道對地物遙感成像的技術。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）數量級，通常具有波段多的特點，光譜通道多達數十甚至數百個，且各光譜通道間往往是波長連續的[3]。高光譜遙感數據最主要的特點是將傳統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光譜信息，從而實現依據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單波段、多光譜遙感在波段數、波段范圍、精細信息表達等方面的局限性，以較窄的波段區間、較多的波段數量提供遙感信息，能夠從光譜空間中對地物予以細分和鑒別，在資源、環境、城市、生態等領域得到了廣泛應用。然而，現階段全世界高光譜衛星較少，高光譜數據缺少，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，利用高光譜數據在各行業推廣應用就更難以全面開展。從高光譜遙感技術誕生以來, 數據獲取一直是高光譜遙感發展的瓶頸[4]。

珠海一號高光譜衛星（OrbitaHyperSpectral,簡稱OHS）是珠海一號衛星星座的第2組衛星，于2018年4月26日在酒泉衛星發射中心通過長征十一號運載火箭以“一箭五星”方式成功發射并已正常使用（見圖1）。按計劃后續將繼續發射6顆高光譜衛星，到時10顆高光譜衛星組網成星座，可以縮短重訪周期，提高動態觀測效率，實現地表環境監測的快速響應。本文介紹了珠海一號高光譜衛星參數、數據產品及數據處理流程，分析了該衛星在自然資源調查、生態環境監測、海洋監測、農業生產等方面的主要應用，以此展望珠海一號高光譜衛星的應用前景。

圖1 珠海一號星座高光譜衛星

二、珠海一號高光譜衛星簡介

珠海一號高光譜衛星（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/鍍膜變化率相關），波長范圍400～1000nm，由于受壓縮和存儲限制，波段數設計傳輸32個（可以上注指令，重新選擇其他波段進行下傳）；衛星體積約600mm×600mm×800mm，重量為71kg，在軌壽命5年。單顆高光譜衛星每天可繞地球約15.16軌，每軌單次數據采集時間不超過8min。目前，單星重訪周期為6天，4顆衛星重訪周期縮短為2天。

衛星載荷為基于漸變濾光片的鍍膜型高光譜探測器，光線經過連續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），即可實現不同的光譜波段組合的光譜成像。衛星主要性能指標見表1。

表1 珠海一號高光譜衛星主要技術指標

珠海一號高光譜衛星星座具備獨特優勢：衛星體積小，星上存儲大，成本低；空間分辨率最高,幅寬大，星座規模多，重訪周期短。通過建設國內首家自主運營高光譜衛星星座，可解決我國在高光譜數據上的缺乏問題，開展高光譜遙感數據在農林牧草、生態環境等相關領域的應用研究。

三、珠海一號高光譜衛星數據產品

依據國家標準GB-T 32453-2015《衛星對地觀測數據產品分類分級規則》，珠海一號高光譜遙感衛星數據產品進行了分級，數據處理流程詳見圖2。

圖2 衛星數據預處理及產品示意圖

L0級產品，衛星執行拍攝指令、獲取地球表面數據后，通過衛星接收站向地面傳輸數據；接收到的原始數據為碼流形式，對原始碼流進行解壓、解擾、解密等操作后，生成0級產品數據。

L1A級標準產品，0級產品推送到數據中心，進行輻射校正、傳感器校正、定軌定姿和模型構建等處理后，生成標準L1A級產品提供給用戶使用。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，方便進行絕對輻射定標，將無量綱的DN值轉換成有量綱的遙感器入瞳輻射亮度值，該產品經過系統性的幾何定標，提供RPC文件。

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

L2級系統幾何校正產品，在標準產品的基礎上，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品，故影像帶有了相應的投影信息。該產品附帶RPC模型參數文件。

L3級幾何精校正產品，在系統幾何糾正產品或標準產品的基礎上，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參數誤差，將產品投影到地球橢球面上的幾何產品。

L4級高程（正射）校正產品，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參數文件,但影像帶有地理編碼。

L5級標準鑲嵌影像產品，對L4級產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品。

用戶可以在歐比特的遙感數據服務平臺（http://www.obtdata.com）下載免費樣例數據或申購框選所需地區影像數據的L1A級標準數據，需注冊賬號后登錄賬號進行下載。

四、珠海一號高光譜衛星應用前景

珠海一號高光譜衛星利用衛星規模多的優勢實現對地表覆蓋和監測服務，其數據可以廣泛應用在自然資源調查、生態環境監測、城市建設管理、農業生產、災害預報與災情評估、海洋環境調查等領域。

1.農業生產應用

農業遙感是以高光譜數據為核心，綜合反演農作物理化參數，在作物種植面積估算、作物識別、作物長勢監測和農業災害監測預警、作物產量估算等方面發揮重要作用。

作物識別主要是利用不同作物獨特的波譜反射特征，結合抽樣訓練、光譜信息提取和分類技術進行處理，此外，不同區域、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律進行不同作物類型的識別，從而進行作物種植分布統計。農作物生長周期監測根據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。農作物長勢監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的變化得出長勢的定量化分析數據。作物產量估算利用作物長勢監測數據和估產模型對作物進行遙感估產，利用遙感影像處理方法計算出種植面積，最后估算總產量。珠海一號高光譜影像農作物識別如圖3所示。

圖3 珠海一號高光譜農作物識別

作物由于感染病蟲害或因污染等變化會產生“藍移”現象，這為高光譜遙感的應用提供了理論基礎。通過高光譜衛星影像計算的作物病蟲害遙感監測指數與地面實測病蟲害受災程度建立回歸統計模型，獲得區域尺度反演的農作物病蟲害受災程度，并監測農作物病蟲害發生面積。結合時間序列數據分析技術和氣象數值預測技術可對農作物病蟲害監測進行預警。

2.自然資源調查

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，高光譜數據能夠更為全面、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。采用高光譜有關數據及其生成的植被指數，經圖像處理和定量分析，可以對全球各地區的植被和土地狀況進行分類，監測土地沙漠化、森林砍伐、城市化等環境變化進程（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、草原等生態方面，高光譜遙感應用于植被參數反演主要包括：生化組分參數反演，如葉綠素、類胡蘿卜素以及氮素等；生物物理參數反演，如葉面積指數（LAI）；植被與環境相互作用因素反演，如光合有效輻射（FPAR）。應用遙感技術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率、凋落物分解速度及營養成分有效性；根據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測主要通過測定植物生活力,如葉綠素含量,植物體內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.生態環境監測

在內陸水環境方面，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。結合地面實測的采樣點，適用于對湖庫水理化參數的分布進行科學的制圖。通過分析生態要素狀況、變化趨勢、空間分布特征，從而監控區域的生態環境狀況與動態變化，并在此基礎上實現對監測湖庫富營養化程度的評價（如圖5所示）及對發展趨勢進行預測預報，對監測湖庫水污染災害發生進行評估。

圖5 珠海市湖庫型水源地富營養化遙感監測專題圖

（1）葉綠素a遙感監測

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濃度的相關性，且這兩波段的波長比較接近，受懸浮物和黃色物質的影響相似，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。高光譜遙感數據在700～850nm范圍內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）藍藻水華遙感監測

在含有藍藻水華的內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附近反射谷的發射率比值，可以有效提取藍藻水華分布。

4.海洋環境調查

利用高光譜衛星遙感技術，可以對海表參數進行精確反演，結合環境評估模型，對海洋生態環境進行科學評估。

（1）近海水質遙感監測

基于衛星的近海水質遙感監測，連續動態監測近海海域水環境要素。通過收集近海水質歷史資料、采集現場水質與光譜數據，構建基于不同季節的近海海域尤其是一二類水體復合區衛星遙感反演模型，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（MCI）。監測結果詳見圖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，提取出地物光譜曲線，可以對該地區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）區間反射率明顯低于海水，甚薄油膜在該范圍內反射率高于海水，薄油膜在520～910nm（b4-b30）范圍內波段的反射率比水體略低。

五、結束語

珠海一號高光譜衛星是目前我國空間分辨率最高、衛星規模最多的高光譜衛星星座，它的發射提升了我國高光譜遙感信息獲取能力，實現了對地綜合觀測，為各行各業各部門提供所需了的高光譜遙感數據。