1 引言
上一篇博客（https://blog.csdn.net/zhebushibiaoshifu/article/details/113918917）详细介绍了基于Landsat 7 ETM+影像的单窗算法地表温度（LST）反演过程。作为赫赫有名的多光谱遥感图像数据源，Landsat为多光谱遥感的应用做出了巨大的贡献。而与多光谱数据相比，高光谱数据往往可以在地表参数反演等方面获得更高的精度。为此，接下来准备基于Hyperion这一同样名声显著的高光谱数据加以多种地表参数的反演操作，完成一篇新的博客。而在此之前，有必要先介绍一下目前全球主要星载高光谱遥感数据或相关平台的一些知识。同时在本文最后，也引入了自己对于国内外高光谱遥感发展的一些思考。
2 全球主要星载高光谱数据介绍
2.1 EOS AM-1 MODIS
EOS AM-1卫星，即“大名鼎鼎”的Terra卫星，于1999年12月18日发射，是美国对地观测系统（Earth Observation System，EOS）计划中的第一星，亦是计划中第一颗装载有著名的MODIS传感器的卫星。其由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、日本国际贸易及工业部（Ministry of International Trade and Industry，MITI）与加拿大空间局（Canadian Space Agency，CSA）、多伦多大学（University of Toronto）等共同研制，标志着第一台星载成像光谱仪成功实现在轨运行。
EOS AM-1卫星于太阳同步轨道运行，轨道高度705 km，其过境时间为各地区地方时的上午10:30左右，因此又称为“上午星”；EOS AM-1卫星搭载云与地球辐射能量系统测量仪（Clouds and the Earth's Radiant Energy System，CERES）、中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS，由于其数据实时通过X波段向全世界广播，实行全球免费接收政策，因此是全球最为著名的传感器之一）、多角度成像光谱仪（Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer，MISR），以及先进星载热辐射与反射测量仪（Advanced Spaceborn Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER，由日本MITI提供）、对流层污染测量仪（Measurements Of Pollution In The Troposphere，MOPITT，由加拿大提供）等五种载荷[1]。
针对不同波段，MODIS具有250 m、500 m与1000 m等三种不同的空间分辨率，共具有36个波段；波谱范围为400 nm至14000 nm，从而实现由可见光至热红外的全光谱覆盖；影像幅宽为2330 km。2002年05月04日，Aqua卫星发射升空，其同样搭载有MODIS传感器，进一步拓宽这一高光谱传感器的应用领域。
2.2 MightySat-2.1 FTHSI
MightySat-2.1卫星是美国空军Phillips实验室（后其已与Armstrong等其它美国空军实验室合并为美国空军研究实验室，即Air Force Research Laboratory，AFRL）的第一颗MightySat Ⅱ卫星，于2000年07月19日在美国范登堡空军基地发射升空。
其轨道高度为547 km，搭载有试验成像仪——傅里叶超光谱成像仪（Fourier-Transform Hyperspectral Imager，FTHSI）。这一传感器的覆盖波段范围为450 nm至1050 nm，共分为145个波段[2]（亦有部分资料或文献显示波段数为256个或512个[3]）。
其中，FTHSI这一试验成像仪是MightySat-2.1卫星所搭载的十种试验载荷仪器之一。
2.3 EO-1 Hyperion
地球观测卫星-1（Earth Observing-1，EO-1）是美国国家航空航天局新千年计划（New Millennium Program，NMP）地球探测部分中第一颗对地观测卫星，其目的即为在21世纪接替Landsat-7卫星，于2000年11月发射升空。除此之外，NMP目前还包括深空探测（Deep Space，DS）、空间技术（Space Technology，ST）两个太空研究部分任务。
EO-1卫星轨道参数与Landsat-7较为近似，以期实现两颗卫星图像每天具有1至4景的重叠，从而进行二者的对比。EO-1已于2017年02月停止服役。
EO-1搭载了三种传感器，分别为高光谱成像光谱仪（Hyperion）、高级陆地成像仪（Advanced Land Imager，ALI）与线性标准成像光谱仪阵列大气校正器（the Linear Etalon Imaging Spectrometer Array Atmospheric Corrector，LAC）。一般地，传统的陆地资源卫星只能提供为数不多的多光谱波段，并不能很好满足日常实际研究、运用的需要；而借助具有242个波段、光谱范围为356至2578 nm的EO-1 Hyperion传感器，可获得更具价值的高光谱数据[4]。
EO-1遥感影像命名格式如下：
EO1SPPPRRRYYYYDDDXXXML_GGG_VV
其中，EO1为EO-1卫星代号，S为所用传感器代号（H为Hyperion传感器，A为ALI传感器），PPP为成像时目标所处全球参考系统（Worldwide Reference System，WRS）的轨道（Path），RRR为成像时目标所处WRS的行（Row），YYYY为成像年份，DDD为成像当日在该年份的天数，XXX分别为Hyperion、ALI与AC三种传感器的开关状态（1为开启，0为关闭），M为指向模式【（N为天底模式（Nadir），P为点在轨道模式（Pointed Within Path/Row），K为点不在轨道模式（Pointed Outside Path/Row）】，L为图像长度【F为全景（Full Scene），P为局部景（Partial Scene），Q为次级局部景（Second Partial Scene），S为样例（Swatch）】，GGG为影像地面接收站，VV为影像版本编号。
一般地，遥感卫星传感器主要有两大类型：摆扫式（Whisk Broom Scanners）与推扫式（Push Broom Scanners）；Hyperion属于后者。其242个波段分为可见光近红外波段（V-NIR）与短波红外波段（SWIR）；其中，1至70波段属于V-NIR通道，71至242波段属于SWIR通道。两个波段之间具有20个波段的波长数值相互重叠，其分别用两套不同的敏感元件收集各自信号。
Hyperion产品波段信息如表1所示。
一般地，辐射校正包括辐射定标、大气校正和太阳及地形校正，用来消除辐射误差；而上述“辐射校正”包括正射校正，即使用地形数据的几何校正，不包括大气校正。
Hyperion产品分为两级，Level 0与Level 1。前者为原始数据，其仅用来生产Level 1产品。Level 1产品则可以继续分为L1A、L1B、L1R、L1Gs与L1Gst（L1T）等。其中，L1B产品与L1R产品分别由美国TRW与USGS处理生成。上述两种产品与L1A产品的最大不同在于，前二者纠正了V-NIR波段与SWIR波段的空间错位问题。
Hyperion产品图像数据的空间分辨率为30米。
2.4 PROBA-1 CHRIS
PROBA系列卫星计划又称“星上自主项目”，是欧洲航天局（European Space Agency，ESA）“通用支持技术计划”（General Support Technology Plan，GSTP）的技术演示卫星；其多为小型、低成本卫星，用来验证其平台适合小型科研和应用任务，包括PROBA-1至PROBA-3与PROBA-V四颗卫星。其中，PROBA-1由比利时设计、建造，并于2001年10月22日发射。
PROBA-1卫星为太阳同步轨道，轨道高度615 km；其搭载了紧凑式高分辨率成像分光计（Compact High Resolution Imaging Spectrometer，CHRIS）、辐射测量传感器（Radiation Measurement Sensor，SRME）、碎片评估器（Debris Measurement Sensor，DEBIE）等载荷。其中，CHRIS成像光谱范围为400 nm至1050 nm，光谱分辨率为5 nm至12 nm，具有17 m或34 m的空间分辨率，幅宽14 km。
2.5 ADEOS-2 GLI
高级地球观测卫星（Advanced Earth Observing Satellite，ADEOS，又称环境观测技术卫星）2号（ADEOS-2），是日本于本世纪初期，对其地球地球观测平台技术卫星（ ADEOS）的进一步发展。这一卫星于2002年12月14日成功发射升空。
ADEOS-2卫星为太阳同步轨道（Sun-Synchronous Subrecurrent），轨道高度为803 km；其搭载有高性能微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer，AMSR）、全球成像器（Global Imager，GLI），以及由日本环境省（Ministry of the Environment）委托研制的改进型大气边缘红外分光计（Improved Limb Atmospheric Spectrometer-II，ILAS-II）、美国国家航空航天局下属喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制的海上风观测装置（SeaWinds）、法国空间研究中心（Centre National d'Etudes Spatiales，CNES）研制的地面反射光测定装置（Polarization and Directionality of the Earth’s Reflectance，POLDER）等五种载荷[5]。其主要任务包括执行各类观测任务，例如对异常的天气条件与逐步扩大的臭氧层空洞加以实时大范围监测，从而了解全球环境变化的情况与驱动因素。
ADEOS-2卫星的GLI传感器共包括34个波段，波段覆盖范围为380 nm至11950 nm，空间分辨率具有250 m与1000 m两种，幅宽可达1600 km。
2.6 环境一号 HJ-1A卫星
“环境一号”卫星系统（环境与灾害监测预报小卫星星座，HJ-1）是由中国国务院批准立项、专门用于环境和灾害监测的对地观测系统，由两颗光学卫星（HJ-1A卫星与HJ-1B卫星）及一颗雷达卫星（HJ-1C卫星）组成，拥有光学、红外、高光谱（部分网络资料亦将HJ-1A卫星视作超光谱卫星，但结合其具体参数，个人认为这里还是写作高光谱卫星合适）与微波等多种探测手段，具有大范围、全天候、全天时、动态的环境和灾害监测能力，初步满足我国大范围、多目标、多专题、定量化的环境遥感业务化运行的实际需要，在国家环境监测发展中具有里程碑意义，大大缓解我国对地观测数据的紧缺局面，提高中国环境生态变化、自然灾害发生和发展过程监测的能力，标志着中国环境监测进入卫星应用的时代。
其中，具有高光谱成像能力的HJ-1A卫星于2008年09月06日在太原卫星发射中心与HJ-1B卫星 “一箭双星”成功发射；HJ-1C卫星则于2012年11月19日在太原卫星发射中心发射。
HJ-1A卫星搭载了电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）相机和高光谱成像仪（Hyper Spectral Imager，HSI，亦有译作超光谱成像仪），轨道高度为649.093 km，重复周期为31天。HIS具有115个波段，覆盖450 nm至950 nm波段范围，空间分辨率为100 m。
2.7 珠海一号 OHS高光谱卫星
珠海一号卫星星座（指发射入轨、正常工作的卫星集合）是由我国珠海欧比特宇航科技股份有限公司发射并运营的商业遥感微纳卫星星座，由34颗卫星共同组成，包括视频卫星（OVS-1视频卫星2颗与OVS-2视频卫星10颗）、高光谱卫星（OHS高光谱卫星10颗）、雷达卫星（OSS雷达卫星2颗）、高分光学卫星（OUS高分光学卫星2颗）与红外卫星（OIS红外卫星8颗）。
其中，OHS（Orbita HyperSpectral）高光谱卫星于2018年04月26日，在酒泉卫星发射中心首次发射，由长征十一号固体运载火箭以“一箭五星”方式送入太空，5颗卫星包括4颗OHS高光谱卫星（OHS-01/02/03/04）与1颗OVS-2视频卫星；这是珠海一号02组卫星，其与在轨的2颗珠海一号01组视频卫星（于2017年06月15日发射）形成组网；2019年09月19日，再一次在酒泉卫星发射中心利用长征十一号运载火箭，采取“一箭五星”方式成功将珠海一号03组5颗卫星发射升空。珠海一号03组卫星同样包括4颗OHS高光谱卫星与1颗视频卫星。
OHS高光谱卫星搭载多个OHS互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）传感器，空间分辨率为10 m，成像范围为150 km*2500 km，在400 nm至1000 nm波段范围内共有256个谱段，其中可任选32个作为最终产品中的波段信息。在10颗OHS高光谱卫星全部发射升空后，可实现2天的空间分辨率，对特定区域甚至可达1天内重访。目前，这一由中国首家民营上市公司建设并运营的高光谱卫星星座数据已达世界一流水平，具备对植被、水体、海洋等地物进行精准定量分析能力，已在军民融合、自然资源监测、环保监测、海洋监测、农作物面积统计及估产、城市规划等领域得到示范应用，受到部队、政府、行业等诸多用户好评。
2.8 高分五号 可见短波红外高光谱相机
2018年05月09日，高分五号卫星（Gaofen-5，GF-5）在我国太原卫星发射中心由长征四号丙运载火箭搭载，成功发射。
高分五号卫星是我国“高分辨率对地观测系统重大专项”（即《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中确定的16个重大专项之一）中7颗民用卫星内唯一一颗高光谱卫星，也是这一重大科技专项中搭载载荷最多、光谱分辨率最高的卫星，同时是世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星。
其设计为太阳同步轨道，轨道高度约705km；搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪（Environmental Trace Gases Monitoring Instrument，EMI）、大气主要温室气体监测仪（Greenhouse Gases Monitoring Instrument，GMI）、大气多角度偏振探测仪（Directional Polarimetric Camera，DPC）、大气环境红外甚高分辨率探测仪（Atmospheric Infrared Ultra-spectral Sounder，AIUS）、可见短波红外高光谱相机（Advanced Hyperspectral Imager，AHSI）与全谱段光谱成像仪（Visual and Infrared Multspectral Sensor，VIMS）等共6台载荷，可对大气气溶胶、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷等气体物质，以及水华、水质、核电厂温排水、陆地植被、秸秆焚烧、城市热岛等多个地表环境要素进行实时监测。
其中，AHSI共具有330个波段，光谱范围覆盖400 nm至2500 nm波长区域，包括150个V-NIR波段（光谱分辨率为5 nm）与180个SWIR波段（光谱分辨率为10 nm）；空间分辨率为30 m。目前，高分五号已经停止服役。
2.9 ISS DESIS
由德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）与美国特利丹公司（Teledyne）运营的地球传感成像光谱仪（DESIS）于2018年07月通过SpaceX Falcon 9火箭发射升空后，抵达国际空间站（International Space Station，ISS），并在ISS Teledyne的“地球传感多用户系统”（MUSES）平台内运行。
DESIS传感器具有235个波长通道，波长覆盖范围为400 nm至1000 nm，具有30 m的空间分辨率。DESIS扩大人类对农业、生物多样性、地质、水生态系统的认识，并检测地球表面的自然或人为变化。
2.10 HysIS HysIS
高光谱成像（Hyper Spectral Imaging Spectrometer，HysIS）卫星是印度空间组织（Indian Space Research Organisation，ISRO）于2018年11月29日发射的地球高光谱观测卫星。
HysIS卫星在太阳同步轨道运行，轨道高度为636 km，其可对地表可见光、近红外与短波红外区域加以探测；其搭载了超光谱成像光谱仪（HysIS，主载荷与卫星同名），在可见光-近红外区域（400 nm至950 nm）具有70个波段，而在短波红外区域（900 nm至2500 nm）具有256个波段。其空间分辨率为30 m，影像幅宽为30 km。
2.11 PRISMA PRISMA
高光谱先驱及应用任务（PRISMA）卫星于2019年03月21日，由意大利航天局（Agenzia Spaziale Italiana，ASI）在法属圭亚那库鲁航天中心发射升空；其升空凸显出意大利提供一站式空间系统的能力[6]。其任务主要为自然资源监测与主要环境过程研究。同时，PRISMA还将在自然灾害预防、人道主义援助等方面发挥作用。
PRISMA卫星轨道为太阳同步轨道，轨道高度为620 km。这一卫星搭载了一台高光谱成像仪（即PRISMA HSI，主载荷与卫星同名）与一台中等分辨率全色相机（PAN，空间分辨率为5 m）。其中，PRISM传感器具有239个波段通道，波段成像范围为400 nm至2500 nm，光谱分辨率低于12 nm，空间分辨率为30 m，影像幅宽为30 km。
值得一提的是，PRISMA卫星原计划于2018年发射，但因为一些原因，最终发射日期为2019年。
3 高光谱卫星纵向对比
将上述高光谱卫星及其对应传感器、分辨率等参数加以汇总、对比，如表2所示。其中，由于不同高光谱传感器在不同波段对应光谱分辨率变化较大，因此表2未单独列出光谱分辨率。此外，其中还增添了由于相关信息较为缺少，而未在本文第2部分提及的EnMAP HSI、ALOS-3 HISUI资料。
由上述第2部分内容与表2可以看到，在高光谱卫星的基本参数层面，随着时代发展，成功升空的高光谱卫星数量逐渐增多，且在空间分辨率、波段范围与幅宽等方面不断取得突破；尤其是空间分辨率与波段数两个参数，整体发展、进步趋势最为良好。MODIS通过其较高的时间分辨率、较大的图像面积与波段范围，成为21世纪初至今观测地球重要的遥感信息来源之一；但其波段数量并不算充足。EO-1 Hyperion较之MODIS具有更多的波段数量，在21世纪初期便提供了高空间分辨率、多波段数的高光谱数据，极大方便相关科研人员开展研究工作，因此可以看到，基于Hyperion高光谱数据的预处理、反演模型建立等文献十分丰富；但其在图像覆盖范围方面存在一定劣势——图像幅宽仅7.7 km左右，整体呈现细长形态，相对不利于大面积、大尺度区域的高光谱遥感研究。随后，欧盟与中国等陆续发射多种高光谱卫星，并在光谱分辨率、波段数与幅宽等方面具有较之Hyperion同样或更加优秀的性能，尤其是在空间分辨率方面具有较大提升；可以通过较高空间分辨率、时间分辨率的观测方式对较大面积的研究区域加以实时观测。
在高光谱卫星的功能与作用方面，可以看到随着时间推移、相关科学技术进步，升空的高光谱卫星逐渐承担了更多观测任务——由一开始更多仅仅针对地表影像获取的高光谱发射目的，到我国商用卫星星座珠海一号对农业数据、水利建设的支持，再到目前我国高分五号对地表与大气协同观测、对地表环境要素实时监测的应用范围，可以看到高光谱遥感在环境、地表参数反演、农业、水利等各行各业的价值愈发明显，其数据支持、长期观测的遥感功能逐步在各项利于人类发展的工作中大显身手。
在高光谱卫星载荷方面，可以看到随着时代与科技的发展，越来越多不同原理、不同针对内容、不同波段的传感器随同搭载于高光谱卫星中，实现由单一的高光谱传感器观测向可见光、热红外、微波等多波段结合观测方向发展，进一步提升了对高光谱数据的挖掘能力。
在高光谱卫星研制与发射地区方面，可以看到在高光谱卫星研制初期，美国在相关技术、数量与性能方面遥遥领先；但随着时间的推移，欧盟、中国、印度、日本与部分欧洲独立国家等高光谱技术发展逐步加速，由原有“一超”局面逐步转变为“多强”局面。尤其是高分五号的升空，标志着我国高光谱技术的又一发展新阶段。
在高光谱卫星载荷的国家合作方面，可以看到美国、日本早期高光谱卫星载荷往往是多个国家共同合作研发，如美国EOS AM-1卫星、日本ADEOS-2卫星等，都具有不同国家或地区所研发的不同传感器；而随着时间的推移，这些国家更多开始发射由本国全部自主研制的高光谱卫星载荷；而对于中国，无论是稍早的HJ-1A卫星，还是最近的GF-5卫星，其不同传感器往往均具有我国自主知识产权。由此亦可以看到我国高光谱卫星发展后劲之大。
当然，在另一方面，高光谱卫星即使在目前依然具有一定局限。尽管随着时间的推移，高光谱遥感技术不断得到发展，但其空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率与影像幅宽等重要参数之间具有矛盾特性，即上述参数往往不可以同时明显提升，而是受到辐射能量等相关因素影响，相互制约。例如我们所熟知的，在提升空间分辨率同时，由于像元所代表实际大小变小，因此瞬时成像时所对应的瞬时视场角（IFOV）亦随之变小；视场角变小，进入传感器端口光线即变少，亦即进入的能量变小；而由于噪声依然存在，为使得信噪比不会因过小而导致无法正常成像，则必须加宽光谱波段所对应长度，从而间接降低光谱分辨率。再比如，有时为了提高成像的信噪比，需要适当提高探测器凝视时间；而这样无形中降低了卫星的时间分辨率。可以看到，尽管是技术十分前沿的高分五号，其同样具有上述这些难点。因此，如何解决上述这些问题——其中由于部分问题是能量平衡等不可改变的理论事实导致，因此亦可以说如何避免这些问题发生，个人认为或许可作为高光谱今后发展的研究方向之一。
4 高光谱卫星横向对比
结合前述内容与表2，对国内、外高光谱遥感相关技术加以对比。
在高光谱卫星数据时间范围方面，可以看到，美国、欧盟等西方国家在高光谱技术发展与卫星升空等方面开始较早，如美国MODIS数据与Hyperion数据均在21世纪初期得以获取，在技术累积与数据累积方面具有一定优势。在我专业前期定量遥感课程中个人就有所体会——若需要获取较长时间序列信息或较早的高光谱遥感数据，往往需借助西方国家、尤其是美国的相关遥感资源。随后，日本的高光谱技术快速发展，紧随美国与欧洲国家，成功发射高光谱卫星，其数据时序较之中国稍早些。而中国的高光谱卫星普遍发射较晚，多数集中于2010年后期；若需获取较早时期的数据，尤其是21世纪前的数据，往往还需要借助西方国家高光谱数据。
在高光谱卫星参数方面，可以看到以MODIS与Hyperion数据为代表的美国早期高光谱遥感数据已具有一定较好的空间分辨率、时间分辨率、光谱波段数等属性，我国早期高光谱遥感卫星尽管发射时间晚于上述国外数据，但其部分属性较之国外数据提升相对或许并不明显。例如，2000年发射升空的EO-1卫星Hyperion数据已具有30 m级的空间分辨率，而八年后升空的HJ-A卫星空间分辨率亦仅有100 m。当然，这里亦需要明确，在上述不考虑其它性能情况下仅对某单一参数加以对比并不合适。
但是，可明显看到我国高光谱卫星技术发展速度惊人。通过21世纪前十年的技术积累，我国航天事业飞速发展，进一步带动高光谱卫星的技术前行。珠海一号OHS高光谱卫星具有较之MODIS与Hyperion十分优越的空间分辨率与图像幅宽等属性；高分五号则在波段数、波段范围方面进一步提升，并通过其它载荷，实现对地表与大气环境的实时、高精度监测，进一步拓宽了我国高光谱应用范围。同样，也可看到印度亦作为一个发展中国家，于21世纪以来在航天事业的快速发展。
此外，如上段所述，我国高光谱卫星往往选择借助其他载荷，提升对高光谱数据的挖掘能力，从而由其中获取更多地物信息。例如，环境一号卫星系统将光学遥感与微波遥感结合，珠海一号卫星系统借助可见光、红外与微波结合方式探测地物等。
而在高光谱卫星数据交互方面，我国目前高光谱卫星数据在公开共享领域或许整体不如西方国家，尤其是美国数据开放。通过简单的账号注册，即可较为方便的下载大量MODIS、Hyperion等数据；而对于我国多数高光谱卫星数据，其获取具有一定要求与限制，从而使得利用中国高光谱数据的研究依然不是很多。当然，其中一方面原因是因为我国高光谱卫星多数距离发射日期不远，由于国家安全等原因不便公开。相信随着我国高光谱技术进一步发展，越来越多的国产数据将在全球应用领域发挥更大作用。
在高光谱卫星技术发展方面，综合相关文献[7]可以获知：20世纪80年代初期，美国率先在成像光谱技术领域取得重大突破；高光谱技术则在随后的30多年中不断发展。中国高光谱卫星研究起步稍晚，因此在前期发展过程中相对具有一定滞后；但随着国家科学技术实力进一步提升，我国高光谱研究发展获得巨大突破，并不断取得令世界瞩目的成就。
参考文献
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