学术 | 高分遥感在自然资源调查中的应用综述

本文所指的高分数据包括高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率以及高辐射分辨率遥感数据，但由于目前高辐射分辨率数据在自然资源调查中应用的报道较少，大多数还停留在对数据的分析处理等研究层面。因此，本文重点综述高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率遥感数据在自然资源调查中的应用。

空间分辨率（spatial resolution）是遥感影像单个像素所能描述的最小地物尺寸，反映的是卫星分辨目标的能力。一般而言，空间分辨率优于1m的光学成像卫星所获取的数据称为高空间分辨率遥感数据。卫星遥感数据空间分辨率的不断提高，使地物的大小、形状、空间特征及与其他地物的空间关系等在遥感图像上一览无余，可以和航空摄影相媲美。

时间分辨率（temporal resolution）是指重复观测同一地区所需要的时间，是评价遥感系统动态监测能力的重要指标。依据观测对象自然历史演变和社会生产过程的周期可分为5种类型：1、超短期的，如台风、地震、滑坡等，以分钟、小时计；2、短期的，如洪水、旱涝、森林火灾、作物长势等，以日计；3、中期的，如土地利用、作物估产等，一般以月或季度计；5、长期的，如自然保护、海岸变迁、沙化与绿化等，以年计；5、超长期的，如新构造运动、火山喷发等地质现象，可长达数10a以上。在实际应用中，需根据研究对象采用不同时间分辨率遥感数据。随着遥感动态监测时间分辨率的提高，遥感变化监测将突破对地物空间特征变化的研究而发展到对事物或现象演化过程的动态研究。目前中国发射的高分四号卫星时间分辨率可达min级，使获取目标区域的动态变化过程数据成为可能。

光谱分辨率（spectral resolution）是指传感器可以检测到的最小波段间隔，间隔越小，波段越多，光谱分辨率就越高。随着光谱分辨率的提高，地物的快速和精细识别越来越依赖高光谱信息，且由传统的图像分析转变为依赖高光谱信息对地物波谱进行定量分析和理解。目前高光谱遥感能够在可见光/近红外/短波红外波谱内（350~2500nm）获取数百幅电磁波段非常狭窄的遥感影像，因此高光谱遥感影像能够提供每个像元的完整且连续的光谱曲线，是在二维遥感基础上增加光谱维的独特三维遥感。通过对地物光谱特征的分析，可快速准确区分地物种类，并对地表物质成分进行定量分析，从而识别出更丰富、更精细的信息。高光谱技术的最大特点和优势是可以获得和重建像元光谱，从而依据光谱特征直接识别地物类型、成分及组成，反演地物物理和化学参量。目前应用效果较好的有澳大利亚Hy-Map、加拿大CASI等机载成像光谱仪，其光谱分辨率最高可达5nm。

辐射分辨率（radiometric resolution）是指遥感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分辨别能力，是各波段传感器接收辐射数据的动态范围，即最暗至最亮灰度值之间的分级数目——量化比特数，一般用位深表示。按照编码方式的不同，一般将位深≥10bit的遥感影像定义为高辐射分辨率影像。高辐射分辨率遥感影像能更精细地获得各类地物细节结构和光谱信息，增强影像的解译能力和可靠性，提高遥感分析的准确度。

1．高空间分辨率遥感数据

常用的高空间分辨率、高时间分辨率和高辐射分辨率遥感数据见表1，其中高分二号（GF-2）和WorldView-2是目前应用较广的国内外高空间分辨率遥感数据的代表。高分二号是2014年8月19日在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射的我国自主研制的首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星，幅宽达到45km，在亚米级分辨率国际卫星中幅宽达到国际先进水平，具备快速机动侧摆能力和较高的定位精度。WorldView-2是2009年10月16日由美国数字地球公司发射的，可提供0.5m空间分辨率的全色影像和8波段多光谱影像，在矿产探测、海岸/海洋监测等方面拥有广阔的应用前景。目前空间分辨率最高的商业对地观测卫星是美国数字地球公司的WorldView-4卫星，其全色波段空间分辨率达到0.3m。

2．高时间分辨率遥感数据

高时间分辨率传感器具备大区域、高频次的快速监测能力。其强实时性的特点使遥感科学者可以借鉴视频图像处理技术，精确提取目标变化信息，实现高频次遥感时间序列分析应用。由表1可知，在自然资源调查应用中，目前应用较多的，且时间分辨率最高的当属我国发射的能够对目标区域长期“凝视”的距离地面约3.6万km的地球同步卫星，即高分四号卫星。

3．高光谱分辨率遥感数据

高光谱成像仪分为机载和星载高光谱仪（表2）。机载高光谱成像仪是高光谱遥感的起步，第一台机载成像仪是20世纪80年代美国研制的AIS-1，其在矿物填图、植被生化特征信息提取等方面取得了应用。经过20世纪90年代的发展，在国际上陆续有机载高光谱成像光谱仪研制成功并获得广泛的应用。到20世纪90年代后期，高光谱遥感在解决了诸如高光谱成像信息的定标和定量问题、图像-光谱变换和光谱信息提取、光谱匹配和光谱识别等一系列基本问题后，逐渐转向于机载和星载高光谱遥感系统相结合的阶段。目前能够获取的民用星载高光谱数据不是很多，我国用得较多的有Hyperion，CHRIS、环境一号A（HJ-1A）及天宫一号数据等。

需要指出的是我国2018年5月9日发射的世界首颗对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星——高分五号，其波段覆盖可见光—短波红外，光谱分辨率高达0.5nm。可实现对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物和岩矿类别的高质量探测。

随着计算机技术、遥感技术以及人工智能的飞速发展，海量遥感数据将在自然资源调查应用中大有作为。但机遇与挑战并存，高分遥感数据怎样更全面精准地服务于自然资源调查将面临更大的挑战。另外，由于卫星遥感技术宏观、高效、不受国界限制，高分遥感技术也能为全球资源、能源、环境等工作提供信息服务，甚至在外星探索中也具有无法替代的优势。还需要指出的是，高分遥感数据之间不是孤立的，需要协同应用，才能促进高分遥感的发展。

1．高空间分辨率遥感

随着我国高分辨率对地观测系统重大专项的部署和实施，高分遥感技术将得到有力的持续推进，也将进一步夯实高分遥感数据在自然资源调查中的应用。但目前高空间分辨率卫星谱段的设置主要为蓝光、绿光、红光以及近红外波段，缺少可用于地质矿产等调查的短波红外波段。因此在提高遥感数据空间分辨率的同时，设计、发射和利用适合自然资源调查的多波段多光谱卫星非常重要。

2．高时间分辨率遥感

随着遥感数据时间分辨率和空间分辨率的同步提升，遥感数据时空融合技术将大大发展，序列图像分析方法也将逐渐成为新的研究热点，为建立特定对象变化自动识别的模型提供基础资源，促进遥感技术人工智能的发展。

3．高光谱分辨率遥感

目前高光谱数据处理及其在自然资源领域的应用方法日趋成熟，而数据获取难度和高成本是制约该技术广泛应用的主要瓶颈。从高光谱遥感技术的发展水平和应用现状来看，未来高光谱遥感一方面需要提高空间分辨率至m级水平；另一方面，在扩大遥感传感器的光谱覆盖范围的同时需要注意提高信噪比。随着高光谱遥感地质应用的不断扩展和日益深入，基于高光谱数据的矿物精细识别、地质环境信息反演以及行星地质探测方面也将大有潜力。

4．高辐射分辨率遥感

目前高辐射分辨率遥感数据的应用较局限，大多集中在数据分析处理等研究层面，以提高影像数据信息保真度等目标为主。随着遥感技术的进步及实际应用需求的提升，高辐射分辨率遥感影像和其他高分遥感数据协同应用，将在识别目标地物细节信息、动态监测重要目标等方面具有极其重要的应用价值。