擦亮找矿“天眼”

    7月27日，国家“863”计划重点项目《宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究》通过终审。

　　该项目实现了哪些技术突破？这些技术在我国找矿快速突破中将发挥哪些作用？带着这些问题，记者采访了项目总负责人李志忠。

　　全球仅美国一颗民用高光谱卫星在轨运行

　　记者：请您介绍一下利用高光谱遥感技术进行地质矿产调查有哪些优势？

　　李志忠：卫星遥感矿产调查具有速度快、不受野外地形地貌和交通条件限制等优点。自20世纪70年代开始，空间遥感已发展成为国际上一种常规地质调查手段。

　　与全色和多光谱遥感相比，高光谱遥感的光谱分辨率得到大幅提高，提取的地物目标的属性信息也更多。因此，应用高光谱遥感技术，可获得近似连续的地物光谱信息，极大提高了对地表覆盖的识别能力，对地物要素分类识别方法灵活多样，也使得地物要素的定量或半定量分类识别成为可能。

　　进入21世纪后，利用卫星高光谱技术开展地质调查受到越来越多国家的重视。但是，直到目前，全球只有美国一颗民用高光谱卫星在轨运行，全球所有的民用卫星高光谱数据均由这颗卫星提供。但是，这颗卫星马上就要退役。而且，由于这颗卫星在轨运行时间很长，成像幅宽较窄，现在提供的数据存在着图像质量退化和信噪比严重下降的问题，影响了数据的深入应用。

　　记者：我国从什么时候开始的这项科研工作？

　　李志忠：中国地质调查局在科技部和国土资源部科技与国际合作司的大力支持下，于2009年2月牵头组织国内从事遥感技术研究与应用的20多家单位、400多位专家，启动了《宽幅高光谱小卫星载荷关键技术研究》项目，并被列入到国家“863”计划重点项目。

　　记者：是否可以这样理解，如果我们的这颗高光谱卫星发射后，中国就有可能成为取代美国、拥有全球唯一在轨运行高光谱卫星的国家了？

　　李志忠：基本是这样。目前，虽然澳大利亚、德国都有类似的课题在研究，澳大利亚甚至也成功研发出卫星，但由于各种原因还未发射。

　　适应我国找矿需要，对地观测宽度达60公里

　　记者：该项目的主要任务有哪些？

　　李志忠：概括地说，当初确定的任务主要包括三方面，一是研制高光谱卫星传感器样机，用于获取地物信息即地表地物的高光谱成像数据；二是建立高光谱成像数据处理的定量化模型；三是以地质矿产和油气探测为主，建立星地联系系统，将卫星获取的高光谱数据传输到地面数据库，开发地面数据库和相关配套软件，用于高光谱数据的接收、管理、处理和信息提取。

　　记者：这次研发的卫星，与目前唯一在轨运行的美国民用高光谱卫星相比有哪些突出优势？

　　李志忠：在卫星研制方面，我们突破了高光谱成像宽谱宽幅集成、在轨高精度定标、大规模高帧频短波红外探测器组件3项关键技术。研制出的原型样机，性能指标达到国际先进。

　　与美国民用高光谱卫星相比，最突出的优势体现在宽幅上。我们研制的这颗卫星对地探测宽度可达60公里，一轨数据可覆盖七到八幅1：5万的标准图幅。而美国的高光谱卫星一轨数据只能覆盖地面7.5公里的范围，要制作一张1：5万的图幅，至少得用三轨数据来进行拼接，拼接处的地物信息损失较为严重。

　　记者：这些技术对提高地质调查速度和质量有哪些帮助？

　　李志忠：高光谱成像宽谱原型样机的研制，充分考虑了我国地质找矿的实际需要，  并借鉴了国外高光谱卫星的应用经验。

　　首先，我国的重要成矿区带大部分都是近东西向展布，而美国民用高光谱卫星运行方向为南北向,且幅宽只有7.5公里,完成不了对成矿区带全覆盖的任务要求。通过高光谱成像宽谱宽幅集成技术和大规模高帧频短波红外探测器组件应用,可使我国的高光谱成像幅宽达到60公里, 大大提高了对地面的覆盖能力和地质调查速度。

　　其次，从高光谱数据中提取矿物信息，识别物质成分的前提条件是高光谱数据的成像质量，特别是在对油气区微渗漏探测所获取的光谱信息较弱的情况下，要求高光谱成像数据必须具有较高的信噪比和定标精度。本次研制的高光谱成像宽谱原型样机，采用国际先进的视场分离放大技术和在轨高精度定标技术，有效改善了相机的整体信噪比和数据的定标精度，保证了地面应用的需求。

　　第三，无论是岩性信息提取还是矿物信息提取，在整个地物的电磁波谱中信息反应最集中的谱段都在短波红外范围（即2000纳米至2500纳米左右）。本项目研制的成像光谱仪，主要面向地质矿产应用，因此特别重视短波红外谱段的探测。通过基于斯特林制冷机制冷的大规模高帧频短波红外探测器组件，能够有效地保障地物短波红外谱段的信息探测和提取。

　　最后，本项目研制的成像光谱仪还首次研制出蓝紫波段增强的反射膜，有效改善了400～500纳米范围的探测灵敏度。最新研究显示，该谱段信息在岩性识别和油气探测中可以发挥巨大作用。我们将在这方面开展前瞻性的试验工作。

　　自主研制我国首套高光谱地质应用系统

　　记者：地面系统是如何构成的呢？

　　李志忠：地面系统可称为国土资源高光谱遥感卫星地质应用系统，为国内首套将高光谱数据存储、管理和地质、环境信息提取与应用于一体化的具有自主知识产权的专业应用软件系统。该系统由高光谱数据接入、数据处理与管理、用户服务与信息发布、业务运行管理、典型地物波谱服务、典型地质应用等6个分系统组成，下设17个子系统，涵盖了矿产和油气探测主要领域。

　　其中，高光谱数据接入分系统是星载高光谱数据从地面接收站到地质应用示范系统的数据入口，将数据转存到系统数据库中；提取相应的元数据并更新，抽取快视图像信息并进行快视播放。数据处理与管理分系统，可实现高光谱数据的快速处理，生成基础影像产品；实现海量高光谱数据的统一存储，屏蔽由于各种硬件设备不同引起的差异。利用用户服务与信息发布分系统，可实现对高光谱产品数据的快速检索查询、以及产品图像在数字地球上的显示，针对用户感兴趣的产品数据提供分发功能。

　　记者：这一系统目前的运行情况怎样？

　　李志忠：从2010年10月开始，课题组在汪大明、党福星和杨日红三位年轻博士的带领下，在航遥中心机房开展了地质应用示范系统的集成工作。目前系统运行状态良好，为国内多家单位遥感找矿信息提取提供了技术支持。

　　记者：在该项目实施过程中，开展了哪些示范应用？

　　李志忠：我们成功研制了高光谱星载传感器系统原型样机1套、仿真软件系统2套，地质应用系统6个分系统6套应用软件，分别在6个地区开展了矿产、油气和环境等典型应用示范，取得了显著的应用效果。

　　我们与长庆油田研究院、延长石油集团、核工业地质研究院等多家单位开展了野外应用试验。在东天山试验区，使用模拟星载高光谱数据针对富铝白云母、蛇纹石、绿帘石、方解石以及绿泥石+蛇纹石五种典型蚀变矿物（组合）开展了蚀变矿物识别研究，识别精度采用与机载填图结果对比和实地野外查证点对比两种方法，分析得出蚀变矿物识别精度为85%，优于合同规定的80%。在鄂尔多斯，获取了整个盆地试验区Hyperion航天高光谱遥感数据，进行油气微渗漏信息提取，并基于航天高光谱遥感圈定了油气综合异常区，进行了机载高光谱测量对比试验，与油气化探信息进行对比验证了高光谱数据探测油气的准确性。目前，延长油田已将圈定的异常区作为重点靶区，并已开展相关野外工作。