从天际到指尖我国高光谱亟待大规模普及应用——访上海技术物理研究所刘银年研究员
2018年5月9日，中国成功发射世界首颗陆地大气综合观测高分五号高光谱观测卫星，这一壮举不仅标志着我国空间光谱遥感技术进入了高定量化应用时代，更是开启了星载高光谱成像技术的新纪元。高光谱成像技术，如同“神奇慧眼”，让我们得以洞察自然界的神秘和细微之处，探索未曾触及的领域。
作为我国星载高光谱成像技术的主要开拓者和推动者，仪器信息网编辑有幸采访到上海技术物理研究所刘银年研究员，从高光谱成像技术的发展、地位、应用、前景等各方面做了深入交流。
简介：中国科学院上海技术物理研究所研究员，博士生导师，所学术委员会副主任，中国遥感应用协会高光谱遥感技术与应用专业委员会主任，中国宇航学会空间遥感专委会主任，全国优秀科技工作人员，国家级计划领军人才，是我国星载高光谱成像遥感载荷的主要开拓者，多个国家级项目的首席科学家、首席专家，先后主持了国家级重点项目10余项，带领团队率先突破了星载高光谱成像“两宽五高”的国际难题，建立了星载光谱成像载荷研发技术体系，研制出国际上首台星载宽谱宽幅高光谱相机，技术水平大幅领先国际在轨和在研的同类载荷，成功应用于我国高五、资源系列共5颗卫星，并发展了环境减灾系列共3颗卫星的大幅宽多光谱成像载荷，推动了行业的跨越式发展。发表论文百余篇、申请专利50余项，获国家省部级科技奖励9项。
高光谱成像作为一项重要的遥感技术，其发展历史可谓是循序渐进，逐步拓宽了人类观察和理解地球的视野。采访伊始，刘银年不仅给大家科普了高光谱从机载、星载、地物光谱仪，再到手持式高光谱的四个层级，还详细的介绍了不同类别的高光谱仪器的难易程度。“从发展形态趋势上来讲，高光谱‘两头比较难’，这所谓的‘两头’，一种原因是指距离地面几百公里之外的星载高光谱要看清地球表面的东西不容易；另一方面，专业手持仪器的小型化也不好做。”不仅如此，即便是相对来说还是比较容易的机载高光谱也因为无人机的姿态晃动而面临挑战。
在谈到我国高光谱成像技术所处地位时，刘银年介绍到，“中国在八九十年代已经研发出机载光谱仪，与国外基本上并驾齐驱；但对星载来说我们属于追赶者。虽然与美国相比，我们滞后了10多年。但是随着2018年高分五号卫星的成功发射，标志着我国星载高光谱迎来了新的发展机遇，现在我们已领先于欧美了；不过，地物光谱仪现阶段还是国外品牌占据更多主导地位。”
对于我国高光谱技术的进展，刘银年老师特别强调，我们的祖国近些年高光谱成像领域最大的突破就是高分五号卫星搭载的星载高光谱相机的问世，这一里程碑式的成就不仅使我国率先破解了星载高光谱成像“两宽五高”的重大难题，更标志着我国在高光谱成像技术上取得了前所未有的重大突破。
说起具体这些年的进展，刘银年分享到，“一方面，我们成功破解了望远镜的信号收集能力难题。同时，光谱仪也实现了纳米级的高精度分光，能够将太阳全反射波段分成几百种颜色，这是光谱仪技术的一大突破；另一方面，“我们成功研发出宽谱窄带纳米级的光电转换芯片，实现了高光谱专用探测器的突破。不仅如此，在数据处理方面，我们发展了大气阔线全视场定标技术，并在星载仪器里面内置了基准光源，通过相互标校的方法提高了光谱定标精度。这一突破确保了光谱指纹的准确性，避免了不同光谱之间的混淆，使得数据更精准，达到了世界最好的水平。”
高光谱应用已经迎来行业到商业的规模化发展机遇”从星载、机载，到商品化的仪器，再到科研及工业实际应用，高光谱成像技术的产业化进程如何？对此，刘银年精确指出，“高光谱跟过去相比，在应用方面有了长足的发展。”
“尤其是对我国而言，有几个重要的标志：随着高分五号的成功发射，我国已连续发射了多颗高光谱卫星，极大地丰富了高光谱数据资源，改变了曾经星载高光谱“一图难求”的局面。这一突破不仅为矿产资源勘探提供了高效的数据支持，还在温室气体监测等领域发挥了及其重要的作用；另外，我国高光谱技术还在国际上首次突破了甲烷点源排放监测的难题，这对于应对全球气候平均状态随时间的变化具备极其重大意义。不仅如此，土壤中氮、磷、钾、有机质的含量以及水中微克量级的污染也都有效的破解了。”
不过，刘银年同时也指出，“尽管取得了一些突破成果，但高光谱成像技术的应用目前还是区域性的、局部的，尚未达到大规模
应用阶段。但随着航天商业化的推进和高光谱技术自身的发展，高光谱的规模化应用也迎来了新的机遇。”对于未来的发展，刘银年表示，“科技是不停地改进革新的，高光谱也一样，这是一个技术发展的根本所在。从组部件、仪器的创新，到计算光学的发展，再到规模化的应用普及，都是未来高光谱技术发展的重要方向。”
“高光谱的发展是我们的使命！”采访中，刘银年也展望了高光谱未来的应用场景：“从卫星到地面天空的一体化，再到无处不在的手机终端，高光谱成像技术将逐渐融入我们的日常生活，这是很值得期待的。”
人工智能助力高光谱数据作用进一步放大”万物普照之下，只要有光的地方就有光谱。同时，随技术的发展，人工智能也演变为越来越有用且无处不在的工具。刘银年说，“A与高光谱成像技术的结合是必然的趋势，可以说是珠联璧合，不可分割的。”
刘银年强调，高光谱技术的研发从未离开过人工智能，其举例说，“在我的职业生涯中，我一直深刻体会到A与高光谱成像技术之间的紧密联系。虽然在刚参加工作时，没想到是人工智能，但实际上，我们从始至终在高光谱成像技术的研究和应用过程中运用着人工智能的思维和方法，只是与现在用AI的程度不一样而已。”
那么，鉴于当前人工智能的发展形态趋势，将给科学仪器行业带来哪些影响或者变革呢？对此，刘银年给大家伙儿一起来分享了其基于多年研究工作的理解，“从仪器本身来讲，为实现大规模推广，在精密仪器制作的完整过程中不得不采用智能化和数字化手段来提高仪器的好用性；从数据应用层面分析，高光谱数据本身就是一种天然的大数据，具有多重维度的精细信息，很适合用于训练人工智能模型。不仅如此，利用人工智能技术，我们大家可以更好地利用高光谱数据来解决一些复杂问题，可以说人工智能把高光谱这种数据的作用进一步放大。”
而探讨到高光谱和人工智能如何更好地结合才能赋能产业的发展时，刘银年分析到，“从技术角度看，高光谱目前发展形态趋势良好，再要逐步的发展可能涉及技术、人才、市场等多方面的因素，多方需求相互牵引，一旦以上因素能相互结合，市场应用打开，未来发展定会超出我们想象。希望仪器信息网这个产业平台，汇聚各方资源，促进高光谱和AI的深层次地融合，逐步推动市场发展。”
据悉，刘银年在甲烷点源排放探测、智能载荷以及遥感处理与应用等多个领域都取得了显著的研究进展。谈到当前的在研项目和未来的计划时，刘银年提到了即时遥感方向。他强调AI在此过程中的重要性，希望能够通过实时监测和预测，更好地服务国家和社会；在光谱波段方面，他们团队从太阳光波段拓展到了中长波热红外波段，最近进一步拓展到甚长波红外波段，刘银年说，“这将使我们也可以观察到更低温度的区域，如地球的南极、北极以及青藏高原等，这对气候生态的研究具备极其重大意义”；不仅如此，针对当前的双碳热点，他们在植被固碳的光谱分析方面做了很多探索性的工作。特别值得一提的是，这些年刘银年还一直做产业推广及数字化相关工作，他相信，高光谱成像技术将在更多领域发挥及其重要的作用，希望能够通过系统的数字化提升整体工作效率。