中国科学院老科学技术工作者协会

简 报

﹝2024﹞ 第六十六期（总第1026期）

中国科学院老科协办公室 2024年5月16日

中国科学院老科协空天院遥感数字地球分会举办

“高光谱激光雷达——三维空间与光谱信息一体化研究”

学术沙龙活动

2024年5月10日中国科学院老科协空天院遥感数字地球分会承办了“高光谱激光雷达——三维空间与光谱信息一体化研究”学术沙龙活动。主办方为中国科学院老科技工作者协会，支持方为中国科协创新战略研究院和中国老学科技术工作者协会。中国科学院老科协顾问何远光和副理事长赵震声研究员以及中国科学院地质与地球物理所、中国科学院国家天文台、中国科学院过程工程所、中国科学院老科协电子所分会以及空天信息创新研究院的23位专家学者出席了沙龙活动。会议由中国科学院原遥感所副所长田国良研究员主持，中国科学院空天信息创新研究院研究员，博士生导师，长期从事遥感基础理论与应用研究的牛铮研究员作题为“高光谱激光雷达——空间与光谱信息一体化的新型遥感探测”的主旨报告。

田国良在致辞中简述了中国科学院遥感所（现整合后为中国科学院空天信息创新研究院）在遥感技术与应用研究方面的发展情况。指出从多光谱到高光谱遥感，从被动到主动遥感，再到主、被动遥感结合，从二维到三维探测、航空到航天遥感、定性到定量应用、从单一应用到综合应用，不断推动技术创新。激光雷达技术作为一种重要的对地观测新技术手段，通过主动式激光遥感探测结合全球定位系统等其他的技术，可以实现对地表目标的高精度三维空间的信息获取，在测绘、城市三维建模和森林管理等诸多领域有广泛的应用前景。而高光谱激光雷达技术结合了激光雷达高精度测距和高光谱成像技术优势，可实现对地物目标全天时、多光谱、高分辨率的监测，已成为国内外遥感技术发展的热点，开展高光谱激光雷达成像技术研究，将成为未来遥感技术发展的趋势。中国科学院空天信息创新研究院牛铮研究员带领的团队长期从事遥感基础理论研究，针对高光谱激光雷达系统的特点和应用需求，开展相关实验，进行了深入的研究，特别在新型主动光学传感器辐射效应产生机制及相应校正算法研究方面取得了重要进展。在ISPRS、TGRS等遥感顶刊上发表了十余篇SCI论文，其中一篇文章被列为TGRS封面文章，出版了专著《植被高光谱激光雷达基础应用》，并培养多名优秀研究生，形成了该领域开展创新研究的优势团队。

随后牛铮研究员围绕高光谱激光雷达的仪器研制、研究现状以及服务场景等多个方面做学术报告。报告从分析遥感电磁波特性入手，分析了开展高光谱激光雷达研究的必要性和前沿性。报告指出，传统激光雷达和被动光学遥感有各自的优缺点，激光雷达具有很强的垂直空间信息获取能力，而被动光学遥感则具有对目标物丰富光谱信息的探测能力，单独使用其中一种数据源难以满足植被结构参数和生化组分的一体化高精度探测需求。因此，如何获取具有丰富光谱信息的三维点云数据成为了研究热点。高光谱激光雷达结合了传统激光雷达和被动光学遥感二者的优势，数据获取不受光照条件、地物背景、冠层结构等因素的干扰，且可以探测目标物不同垂直空间位置处的高光谱数据。

报告分析了传统生成具有光谱信息的点云数据的几大类方法：将激光雷达数据与被动遥感光谱影像进行融合；观测平台上搭载多个激光探测器；基于多/高光谱影像利用多视图几何方法进行点云重建。然而，以上几种方法存在数据采集费时费力、数据融合和数据配准困难等问题。高光谱激光雷达基于“白光”脉冲发展而来，可以覆盖可见光、近红外甚至短波红外光谱范围；通过主动发射宽谱段激光脉冲并探测目标后向散射回波信号的方式，能够观测目标空间结构和光谱信息，从而为全方位地获取目标的几何特征、距离信息、物质成分和光谱等属性提供了一种全天候的遥感探测手段。相比于其他光谱点云的获取方法，可以实现更高效、更精准的光谱三维点云获取，在复杂地表目标物特征探测过程中具有极强的科学价值和应用潜力。

报告介绍在设备研制方面，芬兰大地测量研究所、武汉大学、英国爱丁堡大学、中国科学院空天信息创新研究院、天津大学等多个国内外研究机构相继开展了高光谱激光雷达载荷的研制工作。不同于传统的激光雷达仪器，高光谱激光雷达通过接收高光谱激光来探测研究目标的结构和生化特征，因此对仪器的设计具有较高的要求。高光谱激光雷达通常由扫描平台、超连续谱脉冲激光光源、固定于所述扫描平台的同轴发射接收系统、多通道全波形测量装置、全波形信号处理单元、控制中心等组成。例如：接收信号的强度除了受目标自身特性和激光发射能量分布的影响外，还会受到接收光学系统结构设计的影响。

报告指出，针对高光谱激光雷达系统的特点和应用需求，需要相应的数据处理技术来提取高光谱激光雷达回波信号中包含的目标物属性。高光谱激光雷达发射并接收宽谱段激光束能够通过小的间隙穿透树冠，该过程完整记录了传输路径上激光脉冲响应的波形数据，可提供植被各垂直层面的距离与光谱分布，使得更精确和详细的生理和生化信息的垂直空间分布可以从校准后的回波波形数据中揭示出来。因此，需要针对目标特征信息定量提取技术的需求，开展对全波形高光谱激光雷达数据处理关键技术的分析和研究，比如：距离效应校正、入射角效应校正、边缘效应校正、脉冲延迟效应校正、脉冲回波波形分解等。

最后，报告认为高光谱激光雷达的应用前景十分广阔。高光谱激光雷达可以用来对森林、植被、农作物的分类、病虫害监测，可以同步实现对植被结构、生化组分的三维立体表达、实现对植被属性的“层析” 和“CT”透视。同时，高光谱激光雷达的其他应用场景还包括：分层分类、养分三维分布等信息增量、森林碳储量调查、森林多样性调查、作物胁迫早期预警、植被覆盖下的岩石属性、岩石结构探测、洞穴环境探测、水下矿物探测、海底沉积物的分析和分类、建筑物的结构监测以及安全方面等等。

与会专家围绕牛铮研究员的报告展开了热烈讨论。魏成阶研究员说今天听了牛铮博士的报告，受到很大的鼓舞和启发，他解决了遥感应用当中的几个很关键的技术问题 ：一是在应用上把遥感信息系统的技术提到了新的高度；二是将三维空间和光谱的信息进行一体化的探测与获取；三是主、被动遥感的信息进行同时的获取，这是一大突破；四是将二维平面和三维的空间数据，特别是将彩色的和立体的复合，信息同步获取，并且有具体的点位，这在工程选址、灾害评估、岩石探测、植被病虫害方面应用前景广阔；五是研制了世界第一台高光谱32通道的高光谱激光雷达，这是一大突破。

周上益、林世昌、屠乃琪、赵震声等几位专家在发言中除一致肯定牛铮团队取得的成绩外，同时指出目前的激光雷达探测仪获取的信息是点状的，而不能成像，这是它最大的缺陷，因此急需要解决高光谱激光雷达成像这个问题，否则会影响应用的广度和高度。

赵震声研究员提出要明确高光谱的定义。同时提出可否用提高激光雷达脉冲发射的频率来解决激光雷达成像的问题？何远光顾问提出CT的X光可以立体成像，医学上有立体成像的心脏及其他各种器官，为什么激光雷达不能成像？可否仿照CT原理解决成像问题。

牛铮研究员对与会专家的支持和讨论表示感谢，针对各项意见给与了积极回复，并表示将充分吸收和考虑专家建议。牛铮研究员强调指出，与各位专家的交流拓展了视野、开阔了思路，希望与专家建立多种沟通渠道，开展密切合作，进一步完善当前的高光谱激光雷达研究，推动相关领域全面发展。

最后，中国科学院老科协顾问何远光和副理事长赵震声研究员做了总结发言，对会议成果表示充分肯定。

（中国科学院老科协空天院遥感数字地球分会供稿）