童庆禧院士：《锲而不舍 执着追求》--《高光谱遥感科学丛书》总序
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文章转载自微信公众号研究在线，编辑：李雨彤，版权归原作者及刊载媒体所有。
锲而不舍 执着追求
《高光谱遥感科学丛书》总序
童庆禧
人们观察缤纷世界主要依靠电磁波对眼睛的刺激,这就产生了两个主要的要素:一是物体的尺度和形状,二是物体的颜色。物体的尺度和形状反映了物体在空间上的展布,物体的颜色则反映了它们与电磁波相互作用所表现出来的基本光谱特性。这两个主要的要素是人们研究周围一切事物,包括宏观和微观事物的基本依据,也是遥感的出发点。当然,这里指的是可见光范畴内,对遥感而言,还包括由物体发出或与之相互作用所形成的,而我们眼睛看不见的紫外线、红外线、太赫兹波和微波,甚至无线电波等特征辐射信息。
高光谱遥感技术诞生、成长,并迅速发展成为一个极具生命力和前景的科学技术门类,是遥感科技发展的一个缩影。遥感,作为一门新兴的交叉科学技术的代名词,最早出现于20世纪60年代初期。早期的航空或卫星对地观测时,地物的影像和光谱是分开进行的,技术的进步,特别是探测器技术、成像技术和记录、存储、处理技术的发展,为影像和光谱的一体化获取提供了可能。初期的彩色摄影以及多光谱和高光谱技术的出现就体现了这一发展中的不同阶段。遥感光谱分辨率的提高亦有助于对地物属性的精确识别和分类,大大提升了人们对客观世界的认知水平。
囿于经济和技术发展水平,我国的遥感技术整体上处于后发地位,我国的第一颗传输型遥感卫星直到20世纪90年代最后一年才得以发射升空。得益于我国遥感界频繁深入的对外交往,特别是20世纪80年代初期国家遥感中心成立之际的“请进来、派出去”方针,让我们准确地把握住了国际遥感技术的发展,尤其是高光谱遥感技术的兴起和发展态势,也抓住了我国高光谱遥感技术的发展时机。高光谱遥感技术是我国在遥感技术领域能与国际发展前沿同步且为数不多的遥感技术领域之一。
我国高光谱遥感技术发展的一个重要推动力是当年国家独特的需求。20世纪80年代中期,中国正大步走在改革开放的道路上,为了解决国家发展所急需的资金,特别是外汇问题,国家发起了黄金找矿的攻关热潮,这一重大任务当然责无旁贷地落到了地质部门身上,地矿、冶金、核工业等部门以及武警黄金部队的科技人员群情激奋、捷报频传。作为国家科学研究主力军的中国科学院也同样以自己雄厚的科研力量和高技术队伍积极投身于这一伟大的事业,依据黄金成矿过程中蚀变矿化现象的光谱吸收特性研制成像光谱仪的建议被提上日程。在中国科学院的组织和支持下,一个包括技术和应用专家在内的科研攻关团队组建起来,当时参加的有上海技术物理研究所的匡定波、薛永祺,安徽光学精密机械研究所的章立民,长春光学精密机械与物理研究所的叶宗怀等人,我有幸与这一批优秀的专家共谋高光谱遥感技术的发展之路。从我国当年科技水平和黄金找矿的急需出发,以国内自主研制成熟的硫化铅器件为基础研发了针对黄金成矿蚀变带和矿化带矿物光谱吸收的短波红外多波段扫描成像仪。这一仪器虽然空间分辨率和信噪比都不算高,如飞行在3000m 高度时地面分辨率仅有6m,但其光谱波段选择适当,完全有效地针对了蚀变矿物在2.0~2.5μm波段的吸收带,具有较高的光谱分辨率,故定名为红外细分光谱扫描仪(FIMS)。这是我国高光谱成像技术发展的最初成果,也是我国高光谱遥感技术发展及其实用性迈出的第一步,在短短3年的攻关时间内共研制了两种型号。此外,中国科学院引进、设计、改装的“奖状”形遥感飞机的投入使用更使这一技术如虎添翼。两年多的遥感实践,识别出多处黄金成矿蚀变带和矿化带,圈定了一些找矿靶区,验证并获得了一定的“科研预测储量”。初期高光谱仪器的研制以及在黄金找矿实践中的成功应用和技术突破,使我国的高光谱遥感及应用技术发展有了一个较高的起点。
我国高光谱遥感技术的发展是国家和中国科学院大力支持的结果。以王大珩院士为代表的老一辈科学家对这一技术的发展给予了充分的肯定、支持、指导和鼓励。国家科技攻关计划的实施为我国高光谱遥感技术的发展注入了巨大的活力,提供了经费支持。在国家“七五”科技攻关计划支持下,上海技术物理研究所的薛永祺院士和王建宇院士团队研制完成了具有国际先进水平的72波段模块化机载成像光谱仪(MAIS)。在国家863计划支持下,推帚式高光谱成像仪(PHI)和实用型模块化成像光谱仪(OMIS)等先进高光谱设备相继研制成功。依托这些先进的仪器设备和一批执着于高光谱遥感应用的研究人员,特别是当年中国科学院遥感与数字地球研究所和上海技术物理研究所科研人员的紧密合作,我国的高光谱遥感技术走在了国际前沿之列,在地质和油气资源探查,生态环境研究,农业、海洋以及城市遥感等方面均取得了一系列重要成果,如江西鄱阳湖湿地植被和常州水稻品种的精细分类、日本各种蔬菜的鉴别和提取、新疆柯坪县和吐鲁番地区的地层区分、澳大利亚城市能源的消耗分析以及2008年北京奥运会举办前对“熊猫环岛”购物中心屋顶材质的区分等成果都已成为我国高光谱遥感应用的经典之作,在国内和国际上产生了很大的影响。在与美国、澳大利亚、日本、马来西亚等国的合作中,我国的高光谱遥感技术一直处于主导地位并享有很高的国际声誉,如澳大利亚国家电视台曾两度报道我国遥感科技人员及遥感飞机与澳大利亚的合作情况,当时的工作地区———北领地首府达尔文市的地方报纸甚至用“中国高技术赢得了达尔文”这样的说法报道了中澳合作的研究成果;马来西亚科技部部长还亲自率团来华商谈技术引进及合作;在与日本的长期合作中,也不断获得日本大量的研究费用和设备支持。
进入21世纪以来,中国高光谱遥感的发展更是迅猛,“环境卫星”上的可见近红外成像光谱仪,“神舟”“天宫”以及探月工程的高光谱遥感载荷,“高分五号”(GF-5)卫星可见短波红外高光谱相机等的各项高光谱设备的研制与发展,将中国高光谱遥感技术推到一个个新的阶段。经过几代人的不懈努力,中国高光谱遥感技术从起步到蓬勃发展、从探索研究到创新发展并深入应用,始终和国际前沿保持同步。目前我国拥有全球最多的高光谱遥感卫星及航天飞行器、最普遍的地面高光谱遥感设备以及最为广泛的高光谱遥感应用队伍。我国高光谱遥感技术应用领域已涵盖地球科学的各个方面,成为地质制图、植被调查、海洋遥感、农业遥感、大气监测等领域的有效研究手段。我国高光谱遥感科技人员还致力于将高光谱遥感技术延伸到人们日常生活的应用方面,如水质监测、农作物和食品中有害残留物的检测以及某些文物的研究和鉴别等。当今的中国俨然已处于全球高光谱遥感技术发展与应用研究的中心地位。
然而,纵观中国乃至世界的高光谱遥感技术及其应用水平,与传统光学遥感(包括摄影测量和多光谱)相比,甚至与20世纪同步发展的成像雷达遥感相比,我国的高光谱遥感技术成熟度,特别是应用范围的广度和应用层次的深度方面还都存在明显不足。其原因主要表现在以下三个方面。
一是“技术瓶颈”之限。相信“眼见为实”是人们与生俱来的认知方式,当前民用光学遥感卫星的分辨率已突破0.5m,从遥感图像中,人们可以清晰地看到物体的形状和尺度,譬如人们很容易分辨出一辆小汽车。就传统而言,人们根据先验知识就能判断许多物体的类别和属性。高光谱成像则受限于探测器的技术瓶颈,当前民用卫星载荷的空间分辨率仍难突破10m,在此分辨率以内,物质混杂,难以直接提取物体的纯光谱特性,这往往有悖于人们的传统认知习惯。随着技术的进步,借助于芯片技术和光刻技术的发展,这一技术瓶颈总会有突破之日,那时有望实现空间维和光谱维的统一性和同一性。
二是“无源之水”之困。从高光谱遥感技术诞生以来,主要的数据获取方式是依靠有人航空飞机平台,世界上第一颗实用的高光谱遥感器是2000年美国发射的“新千年第一星”EO-1Hyperion高光谱遥感卫星上的高光谱遥感载荷,目前在轨的高光谱遥感卫星鉴于其地面覆盖范围的限制尚难形成数据的全球性和高频度获取能力。航空,包括无人机遥感覆盖范围小,只适合小规模的应用场合;航天,在轨卫星少且空间分辨率低、重访周期长。航空航天这种高成本、低频度获取数据的能力是高光谱遥感应用需求的重要限制条件和普及应用的瓶颈所在,即“无源之水”,这是高光谱遥感技术和应用发展的最大困境之一。
三是“曲高和寡”之忧。高光谱遥感在应用模型方面,过于依靠地面反射率数据。然而从航天或航空高光谱遥感数据到地面反射率数据,需要经历从原始数据到表观反射率,再到地面真实反射率转换的复杂过程,涉及遥感器定标、大气校正等,特别是大气校正有时候还需要同步观测数据,这种处理的复杂性使高光谱遥感显得“曲高和寡”。其空间分辨率低,使得它不可能像高空间分辨率遥感一样,让大众以“看图识字”的方式来解读所获取的影像数据。因此,很多应用部门虽有需求,但高光谱遥感技术的复杂性令其望而却步,这极大地阻碍了高光谱遥感的应用拓展。
“高光谱遥感科学丛书”(共6册)瞄准国际前沿和技术难点,围绕高光谱遥感领域的关键技术瓶颈,分别从信息获取、信息处理、目标检测、混合光谱分解、岩矿高光谱遥感、植被高光谱遥感六个方面系统地介绍和阐述了高光谱遥感技术的最新研究成果及其应用前沿。本丛书代表我国目前在高光谱遥感科学领域的最高水平,是全面系统反映我国高光谱遥感科学研究成果和发展动向的专业性论著。本丛书的出版必将对我国高光谱遥感科学的研究发展及推广应用以至对整个遥感科技的发展产生影响,有望成为我国遥感研究领域的经典著作。
十分可喜的是,本丛书的作者们都是多年从事高光谱遥感技术研发及应用的专家和科研人员,他们是我国高光谱遥感发展的亲历者、伴随者和见证者,也正是由于他们锲而不舍、追求卓越的不懈努力,我国高光谱遥感技术才能一直处于国际前沿水平。非宁静无以致远,在本丛书的编写和出版过程中,参与的专家和作者们心无旁骛的自我沉静、自我总结、自我提炼以及自我提升的态度,将会是他们今后长期的精神财富。这一批年轻的专家和作者一定会在历练中得到新的成长,为我国乃至世界高光谱遥感科学的发展做出更大的贡献。我相信他们,更祝贺他们!
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