編者導讀
在2016年度中國遙感領域10大事件評選中，「遙感技術首次輔助城市黑臭水體整治工作取得實效」名列榜首。而這與高光譜遙感技術有很密切的聯繫。
那麼，高光譜遙感技術到底是怎麼回事兒？
在電影《地雷戰》中有一個情景：民兵埋地雷的時候，用樹枝進行掩蓋，讓埋藏地雷的地方看起來和周圍一樣；還有的乾脆把鞋脫了，輕輕地壓一個鞋印，以迷惑敵人。但是在今天，這種偽裝就一點用也沒有了，高光譜遙感技術能將一個個地雷精確地找到。
1.光譜：物體獨一的身份證
遙感可以概括為藉助光、熱、無線電波等電磁能量來探測地物特性的科學。在20世紀60年代之前，人類對地球和宇宙的觀測還主要以可見光為主。
人們日常生活中所見的光，是由多種顏色構成的複色光，通過稜鏡等分光後顯現的是單色光。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，由於物質組成、結構等不同，都有不同的光譜特徵。這些獨特的光譜特性，類似於人類指紋的功能，是遙感科學中用以識別和分析不同物體特徵的一種重要的「身份證」。
高光譜遙感實際上是一種簡稱，它的全稱叫「高光譜解析度遙感」。它不像多光譜遙感中根據顏色的差異來分辨目標，而是根據譜段光譜曲線的形態來分析目標是什麼。光譜分析是人類藉助光認知世界的重要方式。如果說肉眼光學成像能看到物質的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質的成分信息。
據中國科學院遙感與數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範圍內連續光譜成像，不僅光譜探測範圍超過了肉眼的感知，還能連續記錄數百個光譜波段。因此，用肉眼甚至普通的光學遙感不能識別的地面物體，這項技術都能夠更好地分辨出其內在的物理、化學特性，甚至是物質的分子和原子結構。
如果說彩色合成遙感圖像主要是根據顏色和形態的差異來分辨地面物體，那麼高光譜遙感則是根據光譜曲線的形態來識別地面物體。它利用成像光譜儀在連續的幾十個甚至幾百個光譜通道獲取地物輻射信息，在取得地物空間圖像同時，每個像元都能夠得到一條包含地物診斷性光譜特徵的連續光譜曲線。張兵舉例說：「在數百公裡高度運行的高光譜衛星，不僅能觀測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如何。」
高光譜遙感的出現，是遙感領域的一場革命，使本來在寬波段遙感中不可探測的物質，在高光譜遙感中能被探測。
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輕易發現的呢？因為土壤被挖開後再回填回去，土壤的結構、水分都改變了，高光譜遙感技術就是根據這種細微的土質變化，發現了地雷的藏身處。在阿富汗戰爭期間，美軍利用高光譜遙感儀器，可以探測出塔利班武裝晚上經常走的道路。高光譜遙感技術還可以發現隱蔽的哨所、坦克，偽裝起來的軍事設施。
當前，農業生產管理存在作物營養和病蟲害等農情信息大面積監測不及時、監測水平以定性為主、監測精度無法實現定量的精準變量肥水藥管理等難題。高光譜遙感技術可以對任何一種農作物的品種、類型、種植面積等情況進行調查，甚至可以對農作物的葉綠素、氮磷鉀含量進行分析，為相關決策提供科學依據。中國科學院遙感與數字地球研究所黃文江帶領的植被定量遙感研究團隊，開展的即是這一工作。
高光譜遙感技術還可以為地質學家提供幫助。以前，地質學家野外考察時，背著包、拿著羅盤，需要花很大氣力把採集到的礦物標本一一背回來進行研究。而自從有了高光譜儀器，他們只要到一個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，從野外回來後根據光譜曲線進行分析，可以知道這個地方礦物分布種類以及區域。
近年來，成像光譜技術也逐漸滲透進了各種非傳統遙感行業，比如在醫學、生物、刑偵、考古、文物保護等領域開展了廣泛的探索性應用。2006年中科院成功研製了國內首套擺掃式地面成像光譜儀，並與故宮博物院等單位合作在古畫、唐卡、壁畫、墨書等文物的識別和鑑別方面取得了開創性成果。光譜分析技術與智慧型手機的融合誕生了面向普通民眾的高光譜應用，藉助於嵌入到智慧型手機裡的光譜儀，人們能夠隨時隨地用手機快速檢測果蔬農藥殘留和食品品質安全等信息。
3.水質監測領域大有可為
當前，全國城市黑臭水體的篩查、治理過程監督和整治效果評價，都迫切需要遙感大範圍動態監測提供科技支撐，但黑臭水體遙感監測的有關研究幾乎為空白。高光譜遙感技術可以對不同汙染程度和不同汙染來源的黑臭水體進行區分。
中國科學院遙感與數字地球研究所水環境遙感研究團隊在北京等城市開展了十餘次黑臭水體野外實驗，積累了141個黑臭採樣點的實測遙感反射率等數據。基於黑臭水體和一般水體的反射率細微的光譜差異，發展了決策分類樹，可以區分一般水體、三種類型的輕度黑臭水體和七種類型的重度黑臭水體。並發展了基於純度算法的多光譜遙感識別算法，可以識別一種類型的重度黑臭水體，識別精度約90%。基於這一方法，作為參研單位之一，進行了13個城市黑臭水體遙感篩查與實地驗證。
利用高光譜數據對內陸水質開展水華和水生高等植物的識別，從而對水質分布情況進行監測，也是高光譜遙感的重要應用。由於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據很難精確識別水華和水草，只有高光譜遙感數據才能夠捕捉複雜多變的水華、水草和水體細緻的光譜差異，從而對水華和水草進行精確識別。水環境遙感研究團隊利用高光譜遙感技術等構建了水體葉綠素a濃度、總懸浮物濃度、水色FU值等9種水質參數、19個反演模型。其中，針對渾濁水體的懸浮物濃度精度提高了19.7%；研發了國內首個在國家級和省級環保部門業務化運行的內陸水環境遙感系統，為環保部衛星環境應用中心等部門開展水環境遙感應用提供了有力支撐。
延伸閱讀
我國高光譜遙感技術
與國際基本同步
高光譜遙感技術起源於20世紀80年代，已形成了一個頗具特色的前沿領域。我國高光譜遙感的起步和發展基本與國際同步，在開創初期，中科院童慶禧院士和薛永祺院士為此做出了重大貢獻。
1989年，中科院研製了我國第一臺模塊化航空成像光譜儀，並在20世紀90年代又陸續研發了推帚式成像光譜儀、新型模塊化成像光譜儀、輕型高穩定度幹涉成像光譜儀等。2002年「神舟三號」搭載了我國第一臺航天成像光譜儀，此後我國發射的「嫦娥1號」探月衛星、環境與減災小衛星(HJ-1)星座、風雲氣象衛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展一直處於國際前列，中科院自主研發的高光譜圖像處理與分析通用軟體系統（HIPAS）被國際同行評為國際六大頂尖高光譜圖像處理軟體之一，並在高光譜遙感應用方面實現了向美、日、澳等發達國家的技術輸出，成果在國際上產生了重大影響。
目前，高光譜遙感技術和應用在中國科學院逐漸形成了一個成熟的研究方向和學科領域，具有一支從技術發展到應用研究的專業科研隊伍。其中，以遙感與數字地球研究所張兵、張立福研究員和童慶禧院士為突出貢獻者的「高光譜遙感研究集體」獲得了2016年度中國科學院傑出科技成就獎。（姚娣）