充分利用卫星在轨资源　实现星地系统同步研发——国家863计划重点项目“宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究”成果

2015-10-21

卫星遥感矿产调查具有速度快、不受野外地形地貌和交通条件限制等优点。自20世纪70年代开始，空间遥感已发展成为国际上一种常规地质调查手段。与全色和多光谱遥感相比，高光谱遥感的光谱分辨率得到大幅提高，提取的地物目标的属性信息也更多。因此，应用高光谱遥感技术，可获得近似连续的地物光谱信息，极大地提高了对地表覆盖的识别能力，对地物要素分类识别方法灵活多样，也使得地物要素的定量或半定量分类识别成为可能。

进入21世纪后，利用卫星高光谱技术开展地质调查受到越来越多国家的重视。但是，直到目前，全球只有美国一颗民用高光谱卫星在轨运行，全球所有的民用卫星高光谱数据均由这颗卫星提供。然而这颗卫星马上就要退役。而且由于这颗卫星在轨运行时间很长，成像幅宽较窄，现在提供的数据存在着图像质量退化和信噪比严重下降的问题，影响了数据的深入应用。中国地质调查局在国家科技和国土资源主管部门的大力支持下，于2009年2月牵头组织国内从事遥感技术研究与应用的二十多家单位、四百多位专家，启动了“宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究”项目，并被列入到国家863计划重点项目。

一、项目总体目标及主要任务

“宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究”项目的总体目标是围绕我国高分辨率对地观测系统发展对高光谱探测技术的迫切需求，结合矿产资源和能源探测、城市环境监测等应用需求，开展宽幅高光谱成像仪载荷研制与数据处理相关技术研究，进行高光谱成像数据地质应用系统建设与典型应用示范，突破宽幅高光谱载荷集成、数据定量化处理与应用等相关关键技术，完成宽幅高光谱成像仪原型样机研制，建立星载高光谱遥感定量处理与应用模型，研发星载高光谱成像数据地质应用示范系统。

项目任务包括三方面：一是研制高光谱卫星传感器样机，用于获取地物信息即地表地物的高光谱成像数据；二是建立高光谱成像数据处理的定量化模型；三是以地质矿产和油气探测为主，建立星地联系系统，将卫星获取的高光谱数据传输到地面数据库，开发地面数据库和相关配套软件，用于高光谱数据的接收、管理、处理和信息提取。

二、主要成果

项目攻克了13项重大关键技术，取得了5项重大技术创新，建成了具有国际领先水平的国土资源高光谱遥感卫星和地面应用系统，其6个分系统和17个子系统涵盖了矿产和油气探测的主要领域。此项成果打破了美国在民用高光谱卫星领域的垄断地位，探测宽度达到60公里，比美国的7.5公里提高了52.5公里，一轨数据可覆盖7～8幅1:5万标准图幅。在东天山、鄂尔多斯和东部发达地区进行的矿产和高能耗建筑探测示范应用结果表明，该系统基本实现了遥感数据在矿产、油气资源调查评价中的定量化分析，在鄂尔多斯油气探测试验中油气靶区复合率达到80%以上。项目发表论文54篇（其中EI16检索，SCI17检索），培养硕士、博士66人，形成高光谱地质应用人才梯队，使我国高光谱卫星地质应用达到了国际先进水平。相关研究成果被评为中国地质调查局2011年十大地质调查工作进展。　　

1．卫星研制方面

突破了高光谱成像宽谱宽幅集成、在轨高精度定标、大规模高帧频短波红外探测器组件三项关键技术。研制出原型样机，通过了力学摸底试验，性能指标达到国际先进。提出一种视场分离放大技术，克服了离轴三反望远镜在沿轨方向视场小的不足，实现了高光谱相机小F数大视场的观测，有效改善了相机的整体信噪比。提出多狭缝改进型OFFNER光谱分光成像，有效扩大了光谱成像的平场度；实现了大规模探测器同焦面无缝拼接。大幅改善了相机的几何和光谱特性，实现了宽幅宽谱高光谱成像技术。首次研制出蓝紫波段增强的反射膜，有效改善了400～500纳米范围的探测灵敏度。首次在国内研制出基于斯特林制冷机制冷的大规模高帧频短波红外探测器组件，其规模达到了2000×500，帧频达到了230fr/s。

地质调查过程中，需要从较大的空间范围来理解地质构造、成矿地质体等地质找矿线索，因此需要获取大范围无拼接的高光谱数据进行解译，该项目研制的高光谱成像仪的“宽幅”（可达到60公里宽）的特点可保障无拼接的大范围高光谱数据获取的需求。其次，在高光谱数据地质解译过程中，首先需要实现数据的定标处理，将成像光谱仪的数值转换为地质解译有意义的地物幅亮度数据。现有的大多数卫星数据定标都需要有地面定标场的定标数据进行配合，但受限于地面数据的获取，有些无地面定标数据的高光谱数据的高精度定标工作则很困难，而该项目实现了在轨高精度定标，能够在轨获取数据采集时的定标信息，传输给数据处理人员进行相应数据定标处理，从而保障了所有高光谱数据均有高精度的定标数据实现高光谱数据定标。此外，无论是岩性信息提取还是矿物信息提取，在整个地物的电磁波谱中信息反应最集中的谱段都在短波红外范围（即2000～2500纳米），该项目研制的成像光谱仪主要面向地质矿产应用，因此特别重视短波红外谱段的探测，通过基于斯特林制冷机制冷的大规模高帧频短波红外探测器组件，能够有效地保障地物短波红外谱段的信息探测和提取。最后，该项目研制的成像光谱仪还研制出蓝紫波段增强的反射膜，有效改善了400～500纳米范围的探测灵敏度，新近研究显示该谱段信息在岩性识别和油气探测中可以发挥巨大作用，项目组将在此方面开展前瞻性的试验工作。

2．地面系统的构成及功能

地面系统可称为国土资源高光谱遥感卫星地面应用系统，由6个分系统和17个子系统组成，涵盖了矿产和油气探测主要领域，主要包括以下几部分。

系统硬件支撑环境。系统具有120T的盘阵存储空间、12台客户端图形工作站和1台含6个刀片节点的刀片服务器。6台IBM服务器中两台部署Linux RedHat 5.4操作系统，四台服务器安装windows server2008 64bit操作系统，服务器通过网络与客户端图形工作站连接，达到了国际先进水平。

高光谱数据接入分系统。这一系统实现的功能主要有二点，一是星载高光谱数据从地面接收站到地质应用示范系统的数据入口，将数据转存到系统数据库中；二是提取相应的元数据并更新，抽取快视图像信息并进行快视播放。

数据处理与管理分系统。可实现高光谱数据的快速处理，生成基础影像产品；实现海量高光谱数据的统一存储，屏蔽由于各种硬件设备不同引起的差异；允许用户定义各种策略，实现数据的优化存储，提高海量数据存取效率。

用户服务与信息发布分系统。利用这一系统，可实现对高光谱产品数据的快速检索查询以及产品图像在数字地球上的显示，对用户感兴趣的产品数据提供分发功能。该软件设计为B/S架构。服务器端运行Web服务器上，提供地图服务、数据检索等服务并与后台数据库和存储系统进行通信。

地质应用示范系统集成（业务运行管理分系统）。因数据处理、存储、管理等软件需要进行流程化、业务化、自动化的运行，所以这一系统以软件插件的方式进行集成。其中，系统流程控制软件负责接收用户发送的各种流程控制命令，完成系统内各种软件插件的启动、暂停、继续、取消等功能；任务管理软件是用户查看系统中的任务信息、监控任务执行状态、了解系统资源负载状况以及对任务进行各种管理操作的集中交互平台。

典型地物波谱服务分系统。将野外采集的岩矿波谱及配套参数建库，进行波谱特征提取并建立波谱特征库，通过不同波谱特征条件组合方式形成典型岩矿波谱知识库；通过服务分系统将波谱、特征库、知识库向用户发布，支持矿产和能源探测。

典型地质应用分系统。支持三类典型地质应用，包括矿产资源高光谱遥感探测子系统软件、油气高光谱遥感探测子系统软件和热红外高光谱遥感应用软件。

三、成果应用情况

从2010年10月开始，汪大明、党福星和杨日红三位年轻博士带领研究人员在航遥中心机房开展了地质应用示范系统的集成工作。10月中旬首先对硬件设备进行了操作系统的部署工作，并对设备网络等进行了测试。从11月初开始在航遥中心机房进行陆续的系统软件部署和集成工作，11月22日完成软件部署。目前系统运行状态良好，为国内多家单位遥感找矿信息提取提供了技术支持。

项目实施过程，项目组与长庆油田研究院、延长石油集团、核工业地质研究院等多家单位开展了野外应用试验。在东天山试验区，使用模拟星载高光谱数据针对富铝白云母、蛇纹石、绿帘石、方解石以及绿泥石+蛇纹石五种典型蚀变矿物（组合）开展了蚀变矿物识别研究，识别精度采用与机载填图结果对比和实地野外查证点对比两种方法，分析得出蚀变矿物识别精度为85%，优于合同规定的80%。在鄂尔多斯，获取了整个盆地试验区Hyperion航天高光谱遥感数据，进行了油气微渗漏信息提取，并基于航天高光谱遥感圈定了油气综合异常区，进行了机载高光谱测量对比试验，与油气化探信息进行对比，验证了高光谱数据探测油气的准确性。目前，延长油田已将圈定的异常区作为重点靶区，并已开展相关野外工作。

项目突破了宽幅高光谱成像、在轨高精度定标、大规模高帧频短波红外探测器组件等多项重大关键技术，成功研制出基于凸面光栅分光的星载宽幅高光谱成像仪原型样机，研发了具有自主知识产权的星载高光谱成像全链路仿真、处理与评价系统，并构建了我国首套国土资源高光谱遥感卫星地面应用处理示范系统。通过多个试验区的示范，取得了显著的应用效果。

项目成果为我国星载高光谱成像数据定量化应用与推广打下了坚实的基础，并已应用于我国正在实施的国家科技重大专项高分辨率对地观测系统中。成果将在矿产资源与能源探测和快速圈定勘查区中发挥重要作用，还可在环境监测、防灾减灾、深空探测等领域产生显著的经济和社会效益。宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究的成功使我国站在了世界高光谱遥感技术发展的前沿，将在我国矿产资源与能源保障、国民经济建设等各个领域发挥重要作用。

创新成果