識別物質的“光譜指紋” 星載高光譜產業前景可期——專訪我國星載高光譜成像技術主要開拓者劉銀年當前熱文

2023-04-24 10:45:34來源：上海證券報·中國證券網

劉銀年

上證報中國證券網訊（記者王文嫣）4月初，我國首顆具備業務化應用能力的生態環境綜合監測衛星（高分五號02星）正式交付。

【資料圖】

高分五號衛星對洞庭湖水質遙感監測應用

高光譜遙感技術作為空間技術的“皇冠”，是航天科技領域的尖端技術，已成為世界遙感領域的主要趨勢，而星載高光譜成像技術更是“皇冠上的明珠”。隨著高分五號02星的交付和應用，展示了我國領先世界的、最前沿的尖端技術，將進一步促進高光譜遙感技術在生態環境領域的綜合應用，讓“堂前燕”飛入“百姓家”。

近日，中國科學院上海技術物理研究所研究員、學術委員會副主任，中國遙感應用協會高光譜遙感技術與應用專業委員會主任劉銀年接受上海證券報記者專訪。作為我國星載高光譜成像技術的主要開拓者和推動者，劉銀年表示，高光譜遙感技術是國內外高度關注的前沿科技，在溫室氣體排放監測、保障糧食以及戰略性資源安全等方面大有可為。在全球航天科技逐步商業化的大背景下，我國高光譜遙感產業也在向商業化邁進。

星載高光譜成像技術探索肉眼看不到的世界

“對于絕大多數人而言，高光譜成像是一個聞所未聞的詞匯。”劉銀年表示，由于不同物質對太陽光的吸收和反射特性不同，導致太陽光經物質反射后的光線帶有其本質特征，反映了物質內在的原子分子結構及其微觀運動狀態，是物質的“光譜指紋”。

高光譜成像就是收集并識別這種物質光譜指紋的技術，是人類實現從“看到”到“識別”物質的得力“探針”。這些“探針”對不同光線波長的感知程度可細微到“納米”級，能夠幫助人類從一公里外看到米粒大小物體上的300多種顏色，而人眼能看到的顏色一般只有7種。

“為了更深入了解人類賴以生存的環境和資源，衛星上搭載了可見短波紅外高光譜相機，從更為廣闊的視角掃描地球。”劉銀年介紹說，高分五號02星高光譜相機在705Km軌道高度上飛行，每90分鐘左右從南極到北極繞地球一圈，一天繞地球近15圈，可以對地球上任何區域進行觀測。與國際上經典的高光譜相機Hyperion相比，該載荷幅寬提高8倍，光譜數增加超百個，信噪比提升近4倍。其綜合性能和主要技術指標都達到了國際領先水平。

2019年12月在遙感領域影響因子排第一的季刊《IEEE Geoscience and Remote Sensing magazine》上發表的題為《The Advanced Hyperspectral Imager: Aboard China"s GaoFen-5 Satellite》的論文，介紹了高分五號高光譜成像儀的技術突破與創新。該期刊主編Garrison教授在刊首專門介紹和評價了高分五號衛星高光譜載荷的研究成果：“這臺最頂尖的儀器通過集成多種新技術獲得了卓越的性能”，特別強調了“在環境監測、自然資源調查和油氣勘查中能夠發揮重大作用”。

此次，生態環境部宣布投入使用的高光譜觀測衛星，正是搭載了劉銀年團隊研制的寬譜寬幅可見短波紅外高光譜相機。2022年9月正式投入運行的我國首顆自主高光譜業務衛星（資源一號02E衛星）同樣搭載了上述神器。截至目前，我國已有4顆搭載該團隊研制的高光譜相機的衛星在軌組網運行，在礦物勘查、植被土壤調查、水體污染定量化分析檢測等方面發揮了類似于CT機的作用，有力支撐相關行業部門在第一時間開展污染源發現、成礦區識別、農作物健康及產量預測等工作。

攻克國際公認難題中國要有自己的星載高光譜相機

回憶過往的科研經歷，劉銀年對記者表示，由于星載高光譜成像技術涉及到多參數約束、多學科交叉、技術復雜度高等因素，是國際上公認的難題。再加上早年國內外光學、探測器、電子學等綜合技術基礎比較薄弱，將高光譜成像儀器發展到太空應用更是難上加難。

直到2000年，美國宣布成功發射了地球觀測衛星EO-1，搭載了世界上第一臺試驗型的星載高光譜成像儀Hyperion。雖然該衛星性能有限，但對于國內科研人員來說也是“一圖難求”。

當時指導劉銀年研究工作的中國科學院院士薛永祺堅定地表示，中國也要有自己的星載高光譜相機。從此，這也成為了劉銀年的追求目標。

懷著對遙感和光譜成像技術的巨大熱情，有著對我國高光譜成像技術不能落后于世界的心愿，抱著發展自主星載高光譜成像技術的決心，劉銀年主動帶領團隊挑起研究星載高光譜成像技術的重擔。

歷經10年艱苦攻關和日夜奮戰，劉銀年團隊率先突破國際上高光譜成像難以同時兼顧寬譜、寬幅、高光譜分辨率和高探測靈敏度的技術瓶頸，研制出國際首臺星載寬譜寬幅高光譜相機。2018年5月，該相機隨世界上第一顆大氣和陸地綜合高光譜觀測衛星“高分五號”發射升空。通過觀察對比圖，與國際上當前發展的星載高光譜相機的性能和效果比較，作為“門外漢”的記者也能直觀地感受到，我國寬譜寬幅高光譜相機成像所覆蓋的范圍更大、顯示出的光譜譜段數量更多、對地表的物體刻畫更為精細。

監測碳排放、保障糧食安全、找礦產樣樣行

去年9月，從俄羅斯向歐洲輸送天然氣的兩大管道“北溪-1”和“北溪-2”發生泄漏，造成規模最大的溫室氣體泄漏事件。在全球向綠色低碳轉型的大背景下，這一事件的發生無疑給人們敲響警鐘。劉銀年表示“從技術角度來看，高光譜遙感技術在這類事件發生早期就能起到重要作用。”國內相關機構利用該團隊研制的星載高光譜相機，第一時間對北溪甲烷泄露情況進行了精準有效的監測，加拿大專業公司對外宣布的監測結果據此做了修正。

北溪監測圖

在此之前，國際上數十家頂尖的科研機構利用該團隊的星載高光譜相機獲取的數據，實現了對相關地區二疊紀盆地甲烷排放點源及其羽流的精準監測，首次破解天基大范圍甲烷點源及排放量精準監測的國際性難題，并驗證了該相機是當前國際上天基甲烷點源排放監測精度最高的手段，為我國“雙碳”戰略提供有力的科技支撐，并入選了“2021年中國遙感領域十大事件”。

此外，星載高光譜技術在保障糧食安全和戰略性資源方面也大有可為。

高分五號衛星的高光譜遙感數據已成功用于內蒙古喀喇沁旗、敖漢旗及拜泉縣地區的黑土地土壤主要成分檢測。從技術上實現了對農田“耕、種、管、收”全流程高精準及時有效監測，大幅提升了土地利用效率和農產品品質與產量，并有效降低自然災害、病蟲害等風險損失，從而為國家保障糧食安全提供強大支撐。

黑土地示范區高光譜土壤有機質含量預測圖

同樣，高分五號高光譜遙感技術在全球找礦中的應用效果和潛力也很驚人，利用高光譜遙感科技“透過現象看本質”的特性，可實現對深藏在地下數十米乃至上千米的礦產資源進行分析勘察，可將原先需要5-10年才能達到3%-5%成功率的找礦能力提升到了只需要1-3個月就能100%成功找礦，已經為相關企業實現了數十億噸高品位優質礦點的探測，產生了巨大的經濟效益。中國自然資源航空物探遙感中心已經應用高分五號衛星數據獲取的地質體特征光譜，完成我國陸地面積高光譜礦物填圖，在國際上首次實現百萬平方公里以上礦物填圖的突破，入選了“2021年中國遙感領域十大事件”，為我國基礎原材料保障、新一輪找礦突破等國家戰略行動提供高質量支撐。

甘肅柳園地區高分五號高光譜礦物信息分布圖

“我國淡水資源的水質形勢總體嚴峻，水質監測及化驗識別的傳統手段代價巨大，衛星高光譜遙感科技以范圍廣、速度快、成本低、精度高等優勢，可及時獲取水體污染的類型、程度、位置分布等信息。”劉銀年還向記者介紹，高分五號衛星可對水體進行百萬分比，甚至更低濃度的污染物含量識別，成為保障青山綠水的“火眼金睛”。

航天科技商業化、產業化提速諸多痛點仍需解決

通過以上案例，不難發現星載高光譜技術成果可應用于多種行業與生活場景，進一步提升生產水平以及生活質量。近年來，“高大上”的航空航天技術商業化、產業化和民用化不斷得到市場和資本的關注。

海外方面，“鋼鐵俠”埃隆馬斯克的美國太空探索技術公司（SpaceX公司）屢屢探索各類商業發射以及火箭回收，引發業內外廣泛關注。

在我國，各級部門和地方政府也相繼出臺了多項扶持商業航天行業發展的規劃政策。在政策的扶持紅利與資本預期的加持下，我國多個省市地區紛紛推動商業衛星發展，上百顆衛星已經升空，大大帶動了地方航天及遙感產業的發展和航天遙感數字產業的壯大。相關發射基地以及民營企業、產業資本也大力推進商業發射工作。

《2021中國的航天》白皮書指出：中國航天將緊緊抓住數字產業化、產業數字化發展機遇，推動空間應用與數字經濟發展深度融合。到2024年，中國航天產業規模將從2020年的1萬億元突破到2萬億元，商業航天正步入其發展的“黃金階段”。此外，隨著國家提出民用空間基礎設施、信息化產業、“雙碳”等方面的長遠規劃，對高性能一體化遙感監測手段的需求也呈現出爆發式的增長。

“雖然前景可期，目前行業的商業化、產業化進程仍處于非常早期的階段，存在一定的痛點急需解決。”劉銀年表示，目前國內對高光譜遙感的認識不夠，二是實際公開的市場應用案例不多，三是商業化、產業化模式還需要進一步論證。

劉銀年告訴記者，為響應國家“長三角一體化發展”戰略，加快科技成果轉化，促進商業航天和地方經濟發展，依托上海技物所的科研技術團隊，結合南通高科技產業轉型升級的需要而成立了南通智能感知研究院，正致力于高光譜遙感及應用的商業化和產業化推進。這家成立于2019年的年輕科研機構，從一開始就瞄準產業化發展之路，充分發揮專家團隊多年在紅外、高光譜等成像探測感知領域的技術優勢和航空航天有效載荷方面雄厚的研發積累，大力發展光機電核心組部件、規模化光電儀器研發和遙感大數據處理應用，補齊南通航天全產業鏈中的“載荷、數據”兩個重要環節，促進航天遙感產業中光譜類載荷及數據的規模化制造與獲取。

為了讓遙感更好地服務于國民經濟建設，劉銀年同時擔任了南通智能感知研究院院長兼首席科學家職務。據他介紹，南通感知院結合中科院上海技物所的技術團隊，已先后與國內十多家科研院所、知名企業在凸面閃耀光柵、斯特林制冷機、紅外探測器、紅外高光譜成像儀、遙感大數據處理等方面開展了四十多項技術研發、產品研制和技術服務合作，形成了近200項知識產權和5000余萬元的產值，為上述技術產業化發展邁出了關鍵一步。

為更好地降低成本、降低行業應用門檻，擴大高光譜技術應用范圍，為社會提供便捷和實時服務，劉銀年認為可以推出“共享衛星”創新發展模式，基于南通智能感知研究院產業研發平臺，充分發揮好中國遙感應用協會高光譜遙感技術與應用專業委員會的力量，在全國全球各行各業將高光譜對環境生態、資源農業、城市治理、應急減災等方面的突出應用優勢及時有效地推廣開來，實現高光譜應用的大普及、社會和經濟效益的大增幅、商業航天產業的大進步。

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