识别物质的“光谱指纹” 星载高光谱产业前景可期——专访我国星载高光谱成像技术主要开拓者刘银年
刘银年
上证报中国证券网讯（记者 王文嫣）4月初，我国首颗具备业务化应用能力的生态环境综合监测卫星（高分五号02星）正式交付。
高光谱遥感技术作为空间技术的“皇冠”，是航天科技领域的尖端技术，已成为世界遥感领域的主要趋势，而星载高光谱成像技术更是“皇冠上的明珠”。随着高分五号02星的交付和应用，展示了我国领先世界的、最前沿的尖端技术，将进一步促进高光谱遥感技术在生态环境领域的综合应用，让“堂前燕”飞入“百姓家”。
近日，中国科学院上海技术物理研究所研究员、学术委员会副主任，中国遥感应用协会高光谱遥感技术与应用专业委员会主任刘银年接受上海证券报记者专访。作为我国星载高光谱成像技术的主要开拓者和推动者，刘银年表示，高光谱遥感技术是国内外高度关注的前沿科技，在温室气体排放监测、保障粮食以及战略性资源安全等方面大有可为。在全球航天科技逐步商业化的大背景下，我国高光谱遥感产业也在向商业化迈进。
星载高光谱成像技术 探索肉眼看不到的世界
“对于绝大多数人而言，高光谱成像是一个闻所未闻的词汇。”刘银年表示，由于不同物质对太阳光的吸收和反射特性不同，导致太阳光经物质反射后的光线带有其本质特征，反映了物质内在的原子分子结构及其微观运动状态，是物质的“光谱指纹”。
高光谱成像就是收集并识别这种物质光谱指纹的技术，是人类实现从“看到”到“识别”物质的得力“探针”。这些“探针”对不同光线波长的感知程度可细微到“纳米”级，能够帮助人类从一公里外看到米粒大小物体上的300多种颜色，而人眼能看到的颜色一般只有7种。
德国EnMAP高光谱卫星团队比较了典型机载与星载高光谱
传感器的空间分辨率与谱段数量指标，高分五号位居榜首
（来源：https://doi.org/10.48440/enmap.2022.001）
“为了更深入了解人类赖以生存的环境和资源，卫星上搭载了可见短波红外高光谱相机，从更为广阔的视角扫描地球。”刘银年介绍说，高分五号02星高光谱相机在705Km轨道高度上飞行，每90分钟左右从南极到北极绕地球一圈，一天绕地球近15圈，可以对地球上任何区域进行观测。与国际上经典的高光谱相机Hyperion相比，该载荷幅宽提高8倍，光谱数增加超百个，信噪比提升近4倍。其综合性能和主要技术指标都达到了国际领先水平。
2019年12月在遥感领域影响因子排第一的季刊《IEEE Geoscience and Remote Sensing magazine》上发表的题为《The Advanced Hyperspectral Imager: Aboard China's GaoFen-5 Satellite》的论文，介绍了高分五号高光谱成像仪的技术突破与创新。该期刊主编Garrison教授在刊首专门介绍和评价了高分五号卫星高光谱载荷的研究成果：“这台最顶尖的仪器通过集成多种新技术获得了卓越的性能”，特别强调了“在环境监测、自然资源调查和油气勘查中能够发挥重大作用”。
此次，生态环境部宣布投入使用的高光谱观测卫星，正是搭载了刘银年团队研制的宽谱宽幅可见短波红外高光谱相机。2022年9月正式投入运行的我国首颗自主高光谱业务卫星（资源一号02E卫星）同样搭载了上述神器。截至目前，我国已有4颗搭载该团队研制的高光谱相机的卫星在轨组网运行，在矿物勘查、植被土壤调查、水体污染定量化分析检测等方面发挥了类似于CT机的作用，有力支撑相关行业部门在第一时间开展污染源发现、成矿区识别、农作物健康及产量预测等工作。
攻克国际公认难题 中国要有自己的星载高光谱相机
回忆过往的科研经历，刘银年对记者表示，由于星载高光谱成像技术涉及到多参数约束、多学科交叉、技术复杂度高等因素，是国际上公认的难题。再加上早年国内外光学、探测器、电子学等综合技术基础比较薄弱，将高光谱成像仪器发展到太空应用更是难上加难。
直到2000年，美国宣布成功发射了地球观测卫星EO-1，搭载了世界上第一台试验型的星载高光谱成像仪Hyperion。虽然该卫星性能有限，但对于国内科研人员来说也是“一图难求”。
当时指导刘银年研究工作的中国科学院院士薛永祺坚定地表示，中国也要有自己的星载高光谱相机。从此，这也成为了刘银年的追求目标。
怀着对遥感和光谱成像技术的巨大热情，有着对我国高光谱成像技术不能落后于世界的心愿，抱着发展自主星载高光谱成像技术的决心，刘银年主动带领团队挑起研究星载高光谱成像技术的重担。
历经10年艰苦攻关和日夜奋战，刘银年团队率先突破国际上高光谱成像难以同时兼顾宽谱、宽幅、高光谱分辨率和高探测灵敏度的技术瓶颈，研制出国际首台星载宽谱宽幅高光谱相机。2018年5月，该相机随世界上第一颗大气和陆地综合高光谱观测卫星“高分五号”发射升空。通过观察对比图，与国际上当前发展的星载高光谱相机的性能和效果比较，作为“门外汉”的记者也能直观地感受到，我国宽谱宽幅高光谱相机成像所覆盖的范围更大、显示出的光谱谱段数量更多、对地表的物体刻画更为精细。
监测碳排放、保障粮食安全、找矿产样样行
去年9月，从俄罗斯向欧洲输送天然气的两大管道“北溪-1”和“北溪-2”发生泄漏，造成规模最大的温室气体泄漏事件。在全球向绿色低碳转型的大背景下，这一事件的发生无疑给人们敲响警钟。刘银年表示“从技术角度来看，高光谱遥感技术在这类事件发生早期就能起到重要作用。”国内相关机构利用该团队研制的星载高光谱相机，第一时间对北溪甲烷泄露情况进行了精准有效的监测，加拿大专业公司对外宣布的监测结果据此做了修正。
基于高分五号02星的“北溪”2号天然气管道泄漏遥感监测
（生态环境部卫星环境应用中心、南京大学国际地球系统科学研究所、中国资源卫星应用中心、中国科学院上海技术物理研究所）
在此之前，国际上数十家顶尖的科研机构利用该团队的星载高光谱相机获取的数据，实现了对相关地区二叠纪盆地甲烷排放点源及其羽流的精准监测，首次破解天基大范围甲烷点源及排放量精准监测的国际性难题，并验证了该相机是当前国际上天基甲烷点源排放监测精度最高的手段，为我国“双碳”战略提供有力的科技支撑，并入选了“2021年中国遥感领域十大事件”。
此外，星载高光谱技术在保障粮食安全和战略性资源方面也大有可为。
黑土地示范区高光谱土壤水分指数
（自然资源部国土卫星遥感应用中心）
黑土地示范区高光谱土壤有机质含量预测图
（农业农村部农业资源与农业区划研究所）
高分五号卫星的高光谱遥感数据已成功用于内蒙古喀喇沁旗、敖汉旗及拜泉县地区的黑土地土壤主要成分检测。从技术上实现了对农田“耕、种、管、收”全流程高精准及时有效监测，大幅提升了土地利用效率和农产品品质与产量，并有效降低自然灾害、病虫害等风险损失，从而为国家保障粮食安全提供强大支撑。
甘肃柳园地区高分五号高光谱矿物信息分布图
（中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心）
同样，高分五号高光谱遥感技术在全球找矿中的应用效果和潜力也很惊人，利用高光谱遥感科技“透过现象看本质”的特性，可实现对深藏在地下数十米乃至上千米的矿产资源进行分析勘察，可将原先需要5-10年才能达到3%-5%成功率的找矿能力提升到了只需要1-3个月就能100%成功找矿，已经为相关企业实现了数十亿吨高品位优质矿点的探测，产生了巨大的经济效益。中国自然资源航空物探遥感中心已经应用高分五号卫星数据获取的地质体特征光谱，完成我国陆地面积高光谱矿物填图，在国际上首次实现百万平方公里以上矿物填图的突破，入选了“2021年中国遥感领域十大事件”，为我国基础原材料保障、新一轮找矿突破等国家战略行动提供高质量支撑。
高分五号卫星对洞庭湖水质遥感监测应用（生态环境部卫星环境应用中心）
“我国淡水资源的水质形势总体严峻，水质监测及化验识别的传统手段代价巨大，卫星高光谱遥感科技以范围广、速度快、成本低、精度高等优势，可及时获取水体污染的类型、程度、位置分布等信息。”刘银年还向记者介绍，高分五号卫星可对水体进行百万分比，甚至更低浓度的污染物含量识别，成为保障青山绿水的“火眼金睛”。
航天科技商业化、产业化提速 诸多痛点仍需解决
通过以上案例，不难发现星载高光谱技术成果可应用于多种行业与生活场景，进一步提升生产水平以及生活质量。近年来，“高大上”的航空航天技术商业化、产业化和民用化不断得到市场和资本的关注。
海外方面，“钢铁侠”埃隆马斯克的美国太空探索技术公司（SpaceX公司）屡屡探索各类商业发射以及火箭回收，引发业内外广泛关注。
在我国，各级部门和地方政府也相继出台了多项扶持商业航天行业发展的规划政策。在政策的扶持红利与资本预期的加持下，我国多个省市地区纷纷推动商业卫星发展，上百颗卫星已经升空，大大带动了地方航天及遥感产业的发展和航天遥感数字产业的壮大。相关发射基地以及民营企业、产业资本也大力推进商业发射工作。
《2021中国的航天》白皮书指出：中国航天将紧紧抓住数字产业化、产业数字化发展机遇，推动空间应用与数字经济发展深度融合。到2024年，中国航天产业规模将从2020年的1万亿元突破到2万亿元，商业航天正步入其发展的“黄金阶段”。此外，随着国家提出民用空间基础设施、信息化产业、“双碳”等方面的长远规划，对高性能一体化遥感监测手段的需求也呈现出爆发式的增长。
“虽然前景可期，目前行业的商业化、产业化进程仍处于非常早期的阶段，存在一定的痛点急需解决。”刘银年表示，目前国内对高光谱遥感的认识不够，二是实际公开的市场应用案例不多，三是商业化、产业化模式还需要进一步论证。
刘银年告诉记者，为响应国家“长三角一体化发展”战略，加快科技成果转化，促进商业航天和地方经济发展，依托上海技物所的科研技术团队，结合南通高科技产业转型升级的需要而成立了南通智能感知研究院，正致力于高光谱遥感及应用的商业化和产业化推进。这家成立于2019年的年轻科研机构，从一开始就瞄准产业化发展之路，充分发挥专家团队多年在红外、高光谱等成像探测感知领域的技术优势和航空航天有效载荷方面雄厚的研发积累，大力发展光机电核心组部件、规模化光电仪器研发和遥感大数据处理应用，补齐南通航天全产业链中的“载荷、数据”两个重要环节，促进航天遥感产业中光谱类载荷及数据的规模化制造与获取。
为了让遥感更好地服务于国民经济建设，刘银年同时担任了南通智能感知研究院院长兼首席科学家职务。据他介绍，南通感知院结合中科院上海技物所的技术团队，已先后与国内十多家科研院所、知名企业在凸面闪耀光栅、斯特林制冷机、红外探测器、红外高光谱成像仪、遥感大数据处理等方面开展了四十多项技术研发、产品研制和技术服务合作，形成了近200项知识产权和5000余万元的产值，为上述技术产业化发展迈出了关键一步。
为更好地降低成本、降低行业应用门槛，扩大高光谱技术应用范围，为社会提供便捷和实时服务，刘银年认为可以推出“共享卫星”创新发展模式，基于南通智能感知研究院产业研发平台，充分发挥好中国遥感应用协会高光谱遥感技术与应用专业委员会的力量，在全国全球各行各业将高光谱对环境生态、资源农业、城市治理、应急减灾等方面的突出应用优势及时有效地推广开来，实现高光谱应用的大普及、社会和经济效益的大增幅、商业航天产业的大进步。
