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天宫一号高光谱成像仪成果介绍
庄晓琼 | 12-10-31| 访问次数: | 【 【打印】【关闭】

 2011年9月29日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射天宫一号目标飞行器,利用目标飞行器的实验支持能力,载人航天工程空间应用系统开展了地球环境监测实验。由我所(负责承担高光谱成像仪的短波红外和指向反射镜两部分设备)和长春光机所共同研制的高光谱成像仪在实验中获得大量宝贵的数据,这些数据广泛应用于国土资源、林业、农业、油气、矿产、海洋、城市热岛、大气环境探测、材料科学等领域的研究。

天宫一号目标飞行器搭载的高光谱成像仪是目前我国空间分辨率和光谱综合指标最高的空间光谱成像仪。与国际同类产品相比,在地物分类、波段范围等多方面已接近或达到相同水平。在已经完成的地球环境监测一系列实验中,高光谱成像仪取得了以下成果:

1.  森林防火方面

目前我国使用的其它卫星对较大面积的火场非常敏感,但对燃烧初期、面积较小(如6000平方米以下)的森林火灾通常较难探测到,高光谱成像仪短波红外探测设备为探究较小面积森林火情信息做了系列实验。利用覆盖北京市某区高光谱短波红外数据,对同步试验的火场在其波段的光谱反映进行分析。分析结果表明:正在燃烧中的小火可在天宫一号高光谱短波红外数据的中波范围内(约2.1um)检测出来;即短波红外数据具有探测面积小于其空间分辨率的火的能力。

注:F表示起火点

图1北京某区火场位置示意图

 

2.  油气探测方面

此次实验采用高光谱成像仪短波红外数据,提取粘土矿物蚀变、二价铁离子蚀变、烃类蚀变异常等烃类微渗漏信息,最终通过综合分析确定潜在油气藏区域。例如,利用青海祁连山地区的光谱数据,查明该地区有较大的油气探测能力。

图2青海祁连山地区铁离子富集指数三维效果图

 

3.  水文生态监测方面

利用获取的喜马拉雅山脉中国边界地区高光谱成像仪短波红外波段数据,制备了该地区雪粒径图。雪粒径是引起积雪反照率变化的重要参数之一,雪粒径的反演对于积雪反照率计算进而估算全球能量平衡有重要意义;雪粒径又是许多积雪模型和气候模型的重要输入因子。

图3喜马拉雅山脉中国边界地区雪粒径分类图

 

4.  地质勘查领域方面

高光谱遥感技术通过识别多种地质作用过程中形成的矿物分布,为地质分析、资源勘查提供物质成分信息支撑。目前高光谱遥感使用的光谱段主要为可见近红外/短波红外,可识别OH-、SO42-、CO32-、Fe3+等矿物种类,甚至可半定量估算其含量以及某些矿物晶格中的类质同像替换。与国际同类产品相比,天宫一号高光谱数据识别效果同Hyperion数据相当。

图4甘肃北山天宫一号高光谱数据矿物分布图

以上列举的是部分成果,该成像仪在林业荒漠化、城市土地利用监测、湖泊滩涂识别、海洋监测等方面也取得了成果。

图5 获取的高光谱数据进行南海珊瑚礁监测

图6 北京通州区北部图像和土地利用监测结果

 

高光谱成像仪是国际上首次采用相移速度补偿技术实现航天高分辨率短波红外高光谱成像,设备在研制过程中提出多个创新点和多项新技术。短波红外探测设备空间分辨率为20米,共有73个波段,光谱分辨率达到23nm,该设备具有波段多、波段宽度窄、光谱分辨率高、数据量大、图谱合一等特点。指向反射镜设备在国内首次采用轻量化的SiC材料,并使用无应力支撑技术,设计的双轴承组既能满足高精度的要求,又可以航天长寿命的可靠性要求。

上海技术物理研究所负责承担此次任务的是第二研究室的科研人员,项目组开始承担任务时的平均年龄约25岁,历经6年时间完成此项任务。这是一只年轻的队伍,虽然经验不足,但年轻人所特有的拼搏精神和不怕困难迎难而上的斗志又是这个项目组的宝贵财富。在任务研制的各个阶段,课题组遇到过各种各样的问题,经历了多个归零,但大家从未放弃,坚持不懈的努力,始终谨记航天精神,把成功完成任务作为自己的最终目标。参加研制的青年科研人员也在工作中得到提高,逐渐成长为项目组中的骨干力量。

天宫一号高光谱成像仪截止7月26日已在轨运行近7000小时,获得大量有价值遥感数据,经初步处理后,已分别向国土资源部航遥中心、国家海洋局国家卫星海洋应用中心、中国林业科学研究院、以及中科院遥感所、对地观测与数字地球科学中心、青藏高原研究所、寒区旱区环境与工程研究所等用户单位提供数据约2TB,为各类用户开展地质调查、矿产和油气资源勘查、水文生态监测以及环境污染监测分析提供了支撑服务。今后,高光谱成像仪还将继续着它的使命,为我国地球环境监测工作提供更多宝贵的数据。

注:文中涉及的图片和数据分析成果摘自《中国载人航天工程网》。

供稿:庄晓琼 (第二研究室)

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