高光谱成像：任务准备的新兴工具
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高光谱成像：任务准备的新兴工具
Erin Eckles 2018年5月15日 星期二
对于那些肩负保护国家安全重任的人来说，如今任务准备的挑战始于更多、更好的情报。高光谱遥感正是这些新兴情报来源之一。与多光谱遥感类似，高光谱遥感使我们能够“看见”超出人眼所能感知的少数颜色之外的世界。但多光谱传感器通常只感应少数几个宽波长波段，例如蓝、绿、红和近红外波段，而高光谱传感器则捕获数百个非常窄的波段，提供了无与伦比的细节层次。
这种更高的光谱细节水平让分析人员能够发现和解释我们有时称之为“不可见”的事物。每个物体或材料——无论是固体、液体还是气体——都以独特的方式反射或发射电磁能。高光谱遥感使人们能够利用这些独特的光谱特征，来获取通过其他方式难以或无法获得的有价值情报。
回答重要问题
通过利用材料特有的光谱特征，高光谱数据可用于回答重要问题，例如：
- 场景中是否存在特定材料（检测）？ 例如，管道运营商希望知道天然气管道沿线是否存在甲烷，以指示泄漏。检测通常依赖于特征匹配技术，例如基于已知参考光谱进行光谱匹配滤波。
- 场景中存在哪些材料及其位置（分类）？ 一个应用可能是绘制土壤类型图，以确定一个区域的可通行性，或定位受扰动的土壤作为施工活动的指示。分类通常依赖于“拟合”方法，即我们获取一个测量光谱，然后寻找与之相似的参考光谱数据的组合。
- 存在多少该材料（量化）？ 量化通常与检测和分类结合进行。在甲烷泄漏的例子中，用户不仅想知道甲烷是否存在，还会受益于了解其排放量。另一个例子是测量水体中的叶绿素含量可以指示藻类的数量，从而为了解水质提供依据。
高光谱遥感的这些用途——检测、分类和量化——可以满足商业、民用、国防部和情报界的众多需求。应用广泛且多样，其中包括：
- 自然资源识别和环境影响评估
- 石油和采矿业的勘探与修复
- 监测发电厂和其他工业设施的温室气体排放
- 水质测量和源头监测（包括冰川）
- 测量大气中的温度和湿度分布以支持天气建模
- 检测、跟踪和监视感兴趣的目标及非法活动，例如毒品制造
- 评估农作物的季节进展和作物胁迫状况
拓展应用领域
在过去的十年中，随着地基、空基和天基传感器的成熟以及处理能力的提升，高光谱成像已经实现了从实验性能力到业务化能力的跨越。作为商业和定制高光谱处理与解译软件以及高光谱传感器的供应商，NV5看到了两大发展趋势。
首先，我们认为搭载高光谱有效载荷的低成本小卫星星座将变得司空见惯。一些商业企业正计划在未来几年内发射高光谱小卫星。最终，这些系统也将包括星上处理能力，以便为需要者提供及时的结果。
其次，随着此类系统广泛可用，我们预计高光谱衍生的分析将呈现爆炸式增长，这将使用户能够从数据中获取更有价值的信息。例如，基于机器学习的分析可以比现在更快地检测到水质恶化或由病虫害引起的作物损害的开始。
支持主动式任务准备
多情报（multi-INT）分析——将来自不同传感源的收集数据融合在一起以提取新层次的情报——代表了实现更全面、更有效的态势感知的重要途径。凭借其材料检测和识别能力，高光谱成像可以在未来的多情报产品中发挥重要作用。
设想一个搭载广域动目标成像（WAMI）传感器和信号情报（SIGINT）传感器的机载平台，用于检测和跟踪疑似袭击者的手机信号。SIGINT 传感器定位手机信号，交叉提示给 WAMI 传感器，后者随后开始跟踪该信号在区域内的移动。当疑似袭击者在沿途地点停留时，高光谱系统被队列触发，针对每个地点的一系列“感兴趣目标”列表进行扫描。这种类型的多情报能力不仅强大，而且是拯救生命的。
作为多情报解决方案的一部分或独立使用，高光谱成像都有能力提供新层次的情报，以支持主动式任务准备。而作为全面弹性方法的一部分，任务准备将帮助我们应对机动性强且能力日益增强的对手所带来的挑战。