2007年空间地球科学与应用计划中推荐了NASA高光谱红外成像HyspIRI (Hyperspectral InfraRed Imager)任务：未来十年及以后的国家需求（十年调查），以研究多个领域的关键科学问题，特别是生态系统和自然灾害。HyspIRI由两个仪器组成，一个可见至短波红外VSWIR (Visible to Short-WavelengthInfraRed) 成像光谱仪和一个热红外TIR (Thermal Infrared) 多光谱成像仪，以及对数据进行快速下行和在轨处理的智能有效载荷模块IPM(Intelligent Payload Module)。VSWIR仪器将具有10nm连续波段，可覆盖380-2500nm光谱范围，30米空间分辨率和16天回访。TIR仪器将在4-13um范围有8个离散波段、60米空间分辨率和5天回访。借助这两台近地轨道仪器，HyspIRI将可以用来研究从生态系统功能和多样性到人类健康和城市化的广泛领域关键科学和应用问题。

 

1.      介绍

 

2007年，美国国家研究理事会（National Research Council）发布了空间地球科学与应用：未来十年及以后的国家需求（常被称为“十年调查”），回顾和总结了在社会挑战背景下地球系统科学的现状。“十年调查”建议NASA承担几个地球科学任务，包括拟解决具体科学问题和社会需求的高光谱红外成像仪HyspIRI任务。HyspIRI将由两个仪器组成：一个可见/近红外/短波红外VSWIR成像光谱仪和一个热红外TIR多光谱成像仪，以及对数据进行快速下行和在轨处理的智能有效载荷模块IPM。通过在近地轨道LEO运行，HyspIRI可以每隔5-16天以高空间分辨率(30-60米)覆盖全球(图1)。NASA与JPL和GSFC一起，由SSG科学研究组制定了一套科学和应用问题，以解决十年调查报告中概述的和科学界提出的问题。

 

2.      任务架构

 

2.1.VSWIR

    VSWIR仪器配置最初基于继承了月球矿物绘图仪M3（Moon Mineralogy Mapper)的Offner光谱仪设计。该仪器配置需要60米地面采样和19天回访。然而，与可持续陆地成像SLI（Sustainable Land Imaging）计划合作的最近评估表明，配有新探测器阵列的Dyson光谱仪设计方案可以显著改善VSWIR仪器的空间和时间分辨率。当最大太阳仰角≥20°时，该Dyson装置将具有30米的改进空间分辨率和16天回访（图1）。

VSWIR可以以≤10nm连续波段覆盖380到2510nm范围，且包含大于95%的光谱交叉轨道和大于95%的光谱瞬时视场角IFOV均匀性。绝对辐射度精度要求95%以上，通过每月对月球观测和周期性表面校正实验，结合IPM编写的基本算法分析进行维护。在600nm和2200nm的信噪比SNR分别为700：1和500：1。仪器设计也将使偏振灵敏度和散射光降低到最小，以改善沿海海洋观测。为了减少水域表面太阳闪光的影响，仪器将在后向散射方向指向4°。标定数据收集方案将以全空间和光谱分辨率在≤50米深度对陆地和沿海地带进行观测，并将数据传输到地面站。在开放海洋上，将以约1千米的空间分辨率进行平均。

2.2.TIR

    HyspIRI TIR仪器将继续先前传感器几十年来的测量传统，如高级星载热辐射计ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)和中分辨率成像光谱仪MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)。HyspIRI TIR仪器将有8个波段，一个4um中红外MIR， 7个7-13um的长波红外LWIR。几个TIR波段（图3）与ASTER和MODIS匹配（表2）。4um波段具有高达1200K的饱和极限，而更长波的波段将在400-500K达到饱和。

 

图1. HyspIRI计划的全球覆盖

（A）16天 VSWIR覆盖，VSWIR将以30米空间采样每16天对陆表和沿海进行测量。（B）5-天TIR覆盖，TIR将以60米空间采样每5天(白天和夜晚)对陆表和沿海进行测量。

 

这一配置可用来识别火灾、火山和其他热现象中的热点，辐射准确度和精度将分别为0.5K和0.2K，且所有波段量化为14 bits。仪器校正将使用一个在轨黑体和每次扫描镜旋转时产生的空间视角。HyspIRI TIR将具有60米空间分辨率，并在赤道有5天回访。 

2.3.智能载荷模块

智能载荷模块IPM是一种在轨处理系统概念，设计按照HysplIRI任务制定过程的要求，在时间关键或时间敏感条件时为用户提供服务（如灾难响应、干旱监测、以及地面现场实验和校正/验证活动）。HyspIRI的IPM概念利用了EO-1（Earth Observing 1)技术验证开发的在轨处理架构，具有两个Mongoose处理器，一个用于命令和数据处理（Command and Data Handling，C&DH），另一个用于科学数据处理。通过将仪器数据与C&DH分离，可能实现更大的灵活性，且不会损害卫星的健康和安全。IPM将构建灵活的配置，并利用最新的在轨处理技术的优势，包括空间用低功率多核处理器和现场可编程门阵列FPGA协处理器。这些处理器将提高计算性能的数据吞吐，并可以处理延迟需求。例如，IPM将接受高达1 gigabits每秒的数据传输速率，并通过数据处理流程（图4）进行1级处理、辐射校正、大气校正、几何校正、以及网络覆盖处理服务(Web Coverage Processing Service，WCPS)数据分类等步骤。

由于两个HyspIRI仪器将高速生成大数据集（表3），IPM将在关键时刻进行必需数据的传输。虽然直接广播技术已快速将数据传送至地面，但期望的直接下行速率依然被限制在每秒10 megabits 左右。IPM将利用这种直接下行链路减少用户预定数据的容量，从而地面用户可以近实时下载这些数据。使用地面和在轨软件，IPM可以确定哪些数据和什么时候下载。用户可以指定和优先考虑感兴趣的地理区域，可以与地面轨迹预报相结合，制定在轨产品生成和下行计划。利用在轨自动分析来搜索特定事件或有趣特征，如火山喷发或水华。这些事件的数据产品可以根据CPU资源、频带处理极限、以及下行带宽进行优先合并。EO-1（The Earth Observing One )已被用作在轨产品生成规划的试验台，并证明了可用于HyspIRI任务。

表1  HyspIRI任务拟解决的紧迫和特别的科学与应用问题

领域	科学问题	应用
陆地系统	• 生态——格局和空间分布	•农业应用（如缓解旱情、用水效率、供水）
	• 生态——功能、生理、季节活动，物候	•对自然/人为干扰的影响和反应
	• 野火——（景观变化/碳收支）	•野火管理（例如，特大火灾）
	• 表面组成和变化	•景观和景观变化对人类健康的影响
	• 生物多样性/物种分布	•保护措施
	• 表面能量平衡（例如，评估蒸散量）
水生系统	• 理解光学复杂的水域（如混浊、沿海、河口）	•水的可用性和质量（供人类消费或人类使用），例如预测（有害）藻华发生和程度的工具
	• 浅水底组成	•跟踪漏油和其他污染物
	• 内陆水生环境	•灾害评估（如洪水预报或干预）
	• 海洋生态学，珊瑚礁组成/范围	•恢复和缓解措施
	• 湿地范围	•保护措施
	• 淹没水生植被和物种鉴别/分布	•对自然/人为干扰的影响和反应
	• 地貌（海岸线变化）
	• 地下水排放
	• 洪水
	• 海洋颜色/海洋生物
生物地球化学	碳、水、氮、氧，气候反馈、碳储，以及对生态系统功能/物种种群的影响	•对缓解措施的影响 •对资源开采、城市化的影响 •对水质的影响（可用水）
气候地质学	•大气校正	•资源探测和提取
	•表面矿物组成	•地震破坏程度或预警
	•地质灾害，如地震和火山造成的危害	•对空气质量和人体健康的影响

 

图2.Offner和Dyson成像光谱仪设计比较，Dyson设计更加紧凑

 

图3.与Landsat 7和8相比，HyspIRI的波长范围和波段位置

 

3.      HyspIRI团队拓展

 

HyspIRI任务概念团队积极参与了科学和应用团队，从而为潜在的全球任务做好准备，能常规性地为各种科学与应用需求提供高质量VSWIR光谱和多波段热数据集。支持这一团队发展的最重要活动包括分别从2009年和2008开始举办的HyspIRI年度研讨会和HyespIRI科学与应用讨论会，涉及到方案现状、技术创新、科学问题、应用验证、以及团队拓展。

 

表2 HyspIRI TIR仪器光谱波段特征 

波段	波长(um)	带宽(um)	标定辐射和温度(W/m2/sr)			与其他TIR任务相同部分
			最小	最大
1	3.98	0.08	14(400K)	9600(1200K)	MODIS band 22
2	7.35	0.32	0.34(200K)	110(500K)	MODIS band 28
3	8.28	0.34	0.45(200K)	100(500K)	ASTER band 10
4	8.63	0.35	0.57(200K)	94(560K)	ASTER band11, MODIS band29
5	9.07	0.36	0.68(200K)	86(500K)	ASTER band12
6	10.53	0.54	0.89(200K)	71(500K)	ASTER band13
7	11.33	0.54	1.1(200K)	58(500K)	ASTER band14, MODIS band31
8	12.05	0.52	1.2 (200K)	48 (500k)	MODIS band32

 

表3 HyspIRI VSWIR和TIR仪器任务参数与现有和提出的ISS仪器（VSWIR-Dyson和ECOSTRESS）比较

参数	HyspIRI VSWIR	VSWIR-Dyson	HyspIRI-TIR	ECOSTRESS
轨道高度	626千米(LEO)	400千米	626千米（LEO）	400千米
地面空间分辨率	30米	30米	60米	38×69米
地表覆盖	全球（<16天重访）	±52°纬度，回访周期不定	全球（<5天重访）	±52°纬度，随重访周期
覆盖时间	10:30 AM和10:30 PM	全天时	10:30 AM和10:30 PM	全天时
光谱波段	连续(10nm), 380-2500nm	连续(10nm), 380-2500nm	8	5
平均数据下行	300Mb/秒	9.1Mb/秒	24Mb/秒	3Mb/秒
幅宽	185千米	30千米	51.596 千米	51.384 千米
任务持续时间（目标）	3年（5年）	0.5年（2年）	3年（5年）	0.5年（1年）
在轨校正	在轨校正，每月月球和周期性校正	替代、自动目标和伪不变量的辐射校正；大气光谱；表面目标空间	空间和内部黑体	2个内部黑体

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.      科学问题和应用

 

通过独立或联合使用VSWIR和TIR仪器，HyspIRI任务具备解决前所未有多样性科学与应用问题的能力。这些主题总结在表1和4中。

 

4.1. 陆地生态系统

4.1.1. 冠层生物化学

   冠层生物化学控制了光吸收和光合作用的基本过程，是包含了碳、水和营养物质的生物地球化学循环的重要组成部分。成像光谱仪已证明具备测量叶片光合色素（包括叶绿素a和b、类胡萝卜

素，包括叶黄素和花青素）的独特能力。水吸收具有近红外和短波红外特征，可用于获取叶子和冠层含水量。因其在植物营养和营养循环中的重要性，许多研究集中在测量叶面的氮含量。热红外成像也可能有助于测量8到14微米范围内的纤维素、半纤维素、角质和其他生物化学物质。

 

表4 十年调查报告HyspIRI任务概念和科学问题

类型	问题
VSWIR仪器问题	1) 生态系统和多样性分布的全球空间格局是什么，如何区分生态系统在组成或生物多样性上的不同？
	2) 陆地和水生生态系统、功能群落和诊断物种的季节特征和周期是什么？这些如何被气候变化，土地利用和干扰所改变？
	3) 自然和人为导致的环境变化是如何改变/扰乱维持地球生物生存的生物地球化学循环的？ 这些变化如何影响生态系统的组成和健康，地球系统其他部分的反馈是什么？
	4) 受干扰环境是如何变化的？这些变化如何影响支持地球生命的生态系统过程？
	5) 生态系统构成和功能的变化如何影响人类健康、资源利用和资源管理？
	6) 地表土壤/岩石、雪/冰和浅水层的组成是什么？
TIR仪器问题	1) 我们如何通过探测瞬态热现象来帮助预测和减轻地震和火山危害？
	2) 全球生物量燃烧对陆地生物圈和大气层的影响是什么？这种影响如何随着时间的推移而变化？
	3) 全球淡水供应消费使用如何应对气候和需求的变化，其对水资源可持续管理的影响是什么？
	4) 城市化如何影响地方、区域和全球的环境？ 我们是否可以表征这种影响，以帮助减轻其对人类健康和福祉的影响？
	5) 地球暴露表层的组成和温度是什么？ 这些因素是如何随时间而变化并影响土地利用和居住状况的？
联合仪器问题	1) 由局部和区域热气候、土地利用变化和其他因素引起的内陆、沿海和开放海洋水生生态系统的变化是怎样的？
	2) 火灾和植被组成如何耦合？
	3) 火山会通过地面温度、气体和气溶胶排放速率、火山口的温度和组成、植被覆盖的健康程度等方面的变化来显示即将爆发吗？
	4) 不同气候条件下，生态系统中的物种、功能类型和生物多样性组成如何影响能源、水和生物地球化学循环？
	5) 暴露地球表面的组成是什么？它对人为和非人为驱动因素的反应如何？
	6) 人类环境和传染病的模式如何响应主要环境变化，特别是对城市增长和变化以及城市化相关因素的影响？

 

4.1.2. 格局和空间分布

   HyspIRI VSWIR全球30米像素覆盖可以识别植物功能类型、评估物种多样性、以及区分陆地植物物种和群落。以前工作已证明成像光谱数据在绘制栖息地入侵物种详细图式方面的独特能力。监测入侵物种对理解生态系统服务和功能的可持续性至关重要，在一项关于入侵树木的研究中，Asner等利用高光谱成像绘制了夏威夷低地森林的五种入侵物种，显著改变了三维森林结构，并永久改变了其功能——尽管所有物种属于同一阔叶林功能类型。HyspIRI任务有潜力揭示更多改变物种分布和生态系统功能的例子。 

4.1.3. 功能、生理、季节性活动和多样性

   虽然广泛的物候形态已被很好理解，但与潜在生理状态/变化相关的更微妙植被活动模式并没有很好刻画。HyspIRI VSWIR的独特光谱能力和16天重访可以促进叶物候过程研究，例如利用光化学反射指数PRI（Photochemical Reflectance Index)来评估光合作用和光利用效率之间的季节性关系，研究碳固。

通过测量植被生物物理和生物化学性质，HyspIRI可以同时估计表面温度和与表面性质（例如，反照率、叶面积指数、叶衰老和死亡率、色素生物化学、湿和干叶物质）及能量平衡参数相关的植物生物化学特性，改善植物生理功能测量。这些信息用来改善农业，如作物选择、用水策略和缓解干旱。最新研究证明成像光谱可以反映光合能力。 

4.1.4. 生物多样性估计、植物物种和群落鉴别

成像光谱已经在广泛的生态系统物种绘图上显示出极大成功，例如，混杂硬木森林、多样热带雨林、山区雨林、混交硬叶植物群落、热带稀树草原、灌木丛和半干旱灌木草原。此外，研究表明阔叶植物物种在热红外区（7到14微米）有明显反射，可用来改进物种分布制图。成像光谱还可以通过热带森林的广泛物种研究冠层生物化学多样性、物种多样性和光谱多样性之间的直接联系。 

4.1.5. 植物功能类型和植物性状策略

目前用于理解生态系统功能（光合作用、蒸腾作用、呼吸作用）的范式是根据植物功能类型PFTs(plant functional types），可以利用遥感来研究。许多PFT特征（认为可以表示相似功能）可以利用光谱进行独特检测，尤其是生长形式（草、草本植物、灌木和树）、叶片寿命（落叶vs常绿）以及系统发育（被子植物vs裸子植物）。然而，这些属性仅与生态系统功能部分相关。在过去15年，生态学家已积累了广泛的植物特征数据库（其中部分是通过使用成像光谱技术得到的），更好地评估PFT属性和植物功能之间的联系。 

4.1.6. 干扰响应

生态干扰（例如由极端天气、火灾、森林抚育间伐或顶梢枯死、牧场退化、昆虫和病原体爆发、以及入侵物种引起的干扰）会影响植被生化和生理过程，从而对整个生态系统产生级联效应。这些干扰通常涉及植被功能和组成的长期变化，VSWIR仪器将产生能够促进干扰应用的全谱信号，应用实例包括干旱、害虫群袭和恢复监测。 

4.2.水生生态系统

4.2.1. 海洋颜色和光学性质

  HyspIRI的VSWIR仪器将有助于促进对海洋颜色和光学性质的研究，这将建立在先前对水光学性质的研究上，包括叶绿素浓度、浮游植物功能类型和物种、悬浮沉积物和有色可溶有机物质。HyspIRI还可以改善对污染和水质的监测，包括颗粒相关的生物地球化学组成和进入海洋的地下水排放。利用WSWIR仪器的连续光谱覆盖和30米空间分辨率，HyspIRI任务将成为即将开展的卫星任务的有力补充，如气溶胶、云和海洋生态系统探测卫星PACE，PACE具有较粗糙的空间分辨率（1千米），更高的时间分辨率（1至2天全球覆盖）。HyspIRI也可以与“沿海和空气污染监测地球静止卫星” GEO-CAPE（GEOstationary Coastal and Air Pollution Events）任务互补观测，该任务将在地球静止轨道上每隔0.5到3小时以250-375米的分辨率测量海洋颜色。 

4.2.2. 湿地环境

  HyspIRI的VSWIR仪器在研究湿地方面具有巨大潜力，从湿地范围到湿地覆盖分类和物种分布，再到水文过程来。成像光谱已被用于评估植被功能类型，绘制河口湿地和红木环境，以及包括入侵物种的物种分布。HyspIRI可以建立在湿地生化和生物物理参数研究基础上，以及利用TIR和VSWIR产品对水文和水文气象过程的研究。

 

图4. IPM数据处理图，其中轨道高光谱成像仪实时或接近实时执行在轨处理

 

4.2.3. 水面特征和藻华

HyspIRI也可用于改进水面特征研究。具有粗糙分辨率的多光谱数据已经被用来定位和研究马尾藻、束毛藻、浒苔，以及能产生毒素的短凯伦藻的聚集体。具有更精细分辨率的高光谱成像已证明了区分浮游植物物种类型和马尾藻生物量估计的潜力。利用高光谱数据对光学活性藻华色素的鉴别也表明了HyspIRI VSWIR仪器的潜在作用。

4.2.4. 测深

浅水测深对沿海航运、环境治理和变化监测至关重要，长期以来，遥感是估算浅水深度的有力工具，多光谱传感器可获得清水约20米深的较精确信息。已经开发高光谱反演算法，精度随光谱分辨率增加而提高。最近工作表明，使用Hyperion可探测清水环境约30米深，显示出HyspIRI在该应用的巨大潜力。 

4.2.5. 浅水生态系统及其特征

卫星遥感是（唯一）能对珊瑚礁和其他浅底栖系统进行全球性研究的工具，如海草栖息地。通过反复的全球覆盖，HyspIRI有潜力显著提升对浅水底栖生物过程的理解，十年调查报告专门建议HyspIRI来研究珊瑚礁。 

4.2.6. 干扰响应（漏油、洪水）

HyspIRI可以改进干扰区域测绘，监测影响并量化离散事件（如石油泄漏和洪水）和长时间干扰（如入侵物种的进入和扩散）所影响水生生态系统的恢复。Kokaly等人利用在短波红外成像光谱数据可测的油气吸收信息绘制了深水地平线（Deep Water Horizon）石油泄漏后巴拉塔里亚湾（Barataria Bay）的油污染程度，Khanna等人跟踪了溢油后盐沼植被的恢复情况。入侵物种的范围和影响也可通过VSWIR和成像光谱的水生生态系统物种分类和绘图来进行评估。

4.3.地表构成和变化

地球裸露地表反射和发射的能量有助于识别岩石、矿物和土壤，这些裸露岩石和土壤的组成可通过分析反射率和发射率测量结果来获得。此外，热量测量可提供白天和夜间的温度，用于绘制温度分布和提取热惯量等信息。埋藏的高温热源（熔盐管、煤层地下火、高温岩石等）将在地球表面形成热点，可用于理解深度和势流特征。HyspIRI TIR数据将用于绘制温度异常，提取热廓线，通过信息模型数值推导热源深度。这些测量将为矿物和碳氢化合物资源调查提供新的研究和应用机会，如十年调查报告和最近工作中所倡议的。HyspIRI VSWIR和TIR数据的综合信息可以极大提高区分和识别地表材料的能力，包括岩石、土壤和植被。

4.4. 极端事件、自然灾害和人类健康

4.4.1. 火山和地震

 

图5. 对2014年美国加利福尼亚州King火利用MODIS-ASTER（MASTER）模拟器成像，空间分辨率与HyspIRI类似。 RGB =4um、2.1um、1.6um。 通过使用4um波段（红色）可以清楚地区分活跃的火线。

 

TIR可以检测即将发生地质事件的前兆，包括瞬态的热现象。例如，温度变化和二氧化硫（可能还有其他气体）丰度通常要先于火山爆发和其他地震活动发生。SO₂排放和/或温度的特征变化可用于跟踪火山口喷发或岩浆上涌、熔岩湖和火山口环形山。熔岩流的预测依赖于积液率和温度，这可由HyspIRI VSWIR和TIR协同工作获得。

4.4.2. 野火

野火是确定植被生态系统碳通量和排放的一个越来越重要的过程，随着气候的变化，消防制度也可能发生改变。VSWIR和TIR传感器为增强全球火灾过程理解提供了互补能力。将多光谱TIR和VSWIR数据相结合，可以提高对火灾、植被和相关微量气体排放之间耦合关系的理解。

活动火源可根据其发射辐射进行表征（图5），HyspIRI可以改进空间分辨率、灵敏度和饱和度。高灵敏度TIR波段可以测量更小的，与土地使用相关的火灾，这些火灾难以被粗糙分辨率的传感器探测到。4um波段具有较低的灵敏度，但有1200K的饱和阈值，比其他卫星传感器的饱和阈值高2-3倍，从而可以表征大型的热火。4um波段可用于计算火的辐射功率，这又可比以前更精细的空间分辨率来估计碳排放。VSWIR成像光谱仪数据具有从较大较冷火焰中区分较小较热火的能力，从短波、中红外和热红外通道的组合可以获取火焰温度。成像光谱可用于绘制火灾对植被和土壤影响的复杂图像，为测量火灾的严重程度提供改进了方法。结合VSWIR和TIR数据可以进一步改善对火灾严重程度的估计，成像光谱对监测火灾后植被恢复也有重要贡献。

4.4.3. 干旱和水利用

鉴于人口增长和气候变化的趋势，在全球范围内精确监测地球淡水资源将变得越来越重要。将地表温度和VSWIR叶面积指数LAI（Leaf Area Index）估计相结合，是对估计蒸发量和可用水量有价值的指标，遥感在旱情方面已被证明非常有价值。根系土壤中的水分不足可在植被胁迫和冠层温度上反映出来，而土壤表层的缺水将导致土壤成分迅速升温。通过经常重访（5-16天）和高空间分辨率，HyspIRI仪器可在人类管理的空间尺度和植被生长的时间尺度上对用水消耗进行准确估计。该信息还可以支持监测灌溉取水、估计含水层枯竭、评估灌溉系统性能，规划保护濒危物种的河流改道等应用。

4.4.4. 人类的健康威胁和城市化

目前，全球人口50%以上居住在城市，预计到2050年这一数字将升至66%。城市地区虽然只占地球表面一小部分，但在用水、碳排放、空气污染和废弃物方面都有重要的生态学意义。遥感对控制能量交换、微量气体、城市水文生物物理性质的深入理解具有重要作用。其中，对不透水率、植被和城市温度（城市热岛效应UHI（Urban Heat Island Effect）的进一步绘图特别重要。借助VSWIR的增强光谱能力和TIR多个通道，HyspIRI对不透水率、城市绿化覆盖、地面反照率、发射率和LST等方面有很大改进潜力。由于城市地区高度多样化，许多宽波段系统无法区分表面组成，因此VSWIR光谱显的特别重要。考虑到巨大光谱多样性，VSWIR光谱提供了更精确的覆盖手段。借助多个热谱段、频繁重访和夜视功能，HyspIRI仪器将为主要城市UHI提供前所未有的时间和空间测量。

4.4.5.疾病传播

HyspIRI TIR可以每五天提供全球热红外数据，将成为对影响生命周期许多因素进行量化的关键。VSWIR信息可用于栖息地确认、叶面积指数估计、土地覆盖分类、与作物病原菌爆发相关的其他因素研究，以及蚊子等疾病传染的媒介。在获取土壤水分和类别、温度（水、空气、地面）、地表特征、群落组成、生态系统分布和物候的进一步信息后，可以绘制传播媒介的分布，在本地区先前工作的基础上预测疾病的出现、程度和潜在影响。

 

5.      HyspIRI筹备：降低风险与技术验证

 

5.1. 机载HyspIRI

过去三年里NASA支持并进行了年际飞行活动，演示了HyspIRI数据在重要科学和应用研究的独特作用。这些活动涉及两个仪器：机载可见/红外成像光谱仪AVIRIS和MODIS/ASTER 机载模拟器MASTER。由NASA ER-2研究机搭载，以20千米高度在美国西部不同区域飞行（图6）。定期收集这些数据集合，可以得到季节性覆盖，这些仪器将共同模拟HyspIRI。NASA于2013年便资助了14个提案，支持三年参与这些活动。之外，一个与HyspIRI相关的空间和地球科学研究ROSES征集活动于2015年4月闭幕，名为“HyspIRIPreparatory AirborneVolcanoand Coral Reef Campaign ”。此呼吁要求对火山和珊瑚礁研究进行提案， 2016年由ER-2号通过AVIRIS和MASTER仪器，到夏威夷群岛进行单次航行活动。火山和珊瑚礁的研究与十年调查报告提出的HypsIRI任务密切相关。

 

图6.（A）2013年AVIRIS和MASTER作为HyspIRI活动一部分在加利福尼亚地区飞行，（1）南加州，（2）圣巴巴拉，（3）约塞米蒂，（4）旧金山湾区，（5） 太浩湖，（6）Soda Straw。（B）镶嵌图

 

5.2. HyspIRI热红外辐射计原型（PHYTIR）

NASA地球科学技术办公室仪器培育计划负责开发了一个称为PHyTIR的HyspIRI TIR仪器的实验室原型，是HyspIRI降低风险活动的一部分。 PHyTIR目标是验证HyspIRI TIR仪器的关键组成部分， PHyTIR由一个推扫，8和12.5μm 8谱段多带滤波辐射计组成。 然而，8个波段中只有3个占用，且从波段读取数据的电子设备仅适用于实验室，数据会被记录在实验室计算机上，而不是空间用数据系统。 然而，PHyTIR表明HyspIRI-TIR测量要求可以满足，且这项活动使所需技术成熟度达到了5/6级TRL。

5.3. 空间站ECOsystem空间热辐射计实验（ECOSTRESS）

2014年，NASA地球探险（Earth Ventures）计划选中了一项升级PHyTIR辐射计的提案，并用于ECOSTRESS任务。ECOSTRESS任务重点是回答与水利用和植物动力学相关的关键问题，包括：（1）陆地生物圈如何响应水资源利用的变化？ （2）昼夜植被水分胁迫变化如何影响全球碳循环？ （3）通过对农业用水的先进监测和对干旱估计的改进，是否可以减少农业脆弱性？该任务促进了PHyTIR的成功设计、组装和测试，从根本上将PHyTIR升级为8到12.5um有五个波段，并为其开发了太空飞行电子设备。 ECOSTRESS将部署在国际空间站（ISS），空间分辨率为38 m（轨道）×69 m（交轨）。与HyspIRI TIR仪器计划相比，ECOSTRESS改进了空间分辨率，具有独特的全天覆盖时间，可以在一天不同时段获取数据（表3）。 ECOSTRESS原计划在2017年发射，任务期限为一年，但如果仪器能继续按计划运行，可能会延长。

ECOSTRESS任务的核心产品包括地表温度LST(Land Surface Temperature）和发射率、蒸散量ET (Evapotranspiration）、蒸发胁迫指数ESI (Evaporative Stress Index）、水利用效率WUE (Water Use Efficiency）。采用多种方法获得ET产品，包括大气-陆地交换反演模型ALEXI (Atmospheric-Land Exchange Inverse）ET和Priestly-Taylor-Jet推进实验室ET产品（PT-JPL）。

5.4. 建议的VSWIR-Dyson和ISS任务 作为ISS任务提出的技术演示部分，JPL开发了VSWIR-Dyson光谱仪（380-2510nm范围、≤10nm采样、半高宽（FWHM）≤12nm）（表3）。 VSWIR-Dyson利用了便携式远程成像光谱仪PRISM可见近红外VNIR Dyson的成功设计。从根本上讲，以适中成本和较短期限在ISS上部署这种高信噪比SNR（signal-to-noise）光学快速成像光谱仪，可以实现30米空间采样，此外，与ECOSTRESS一起，VSWIR-Dyson可以对大部分地球表面产生HyspIRI的早期科学。

为了利用VSWIR-Dyson开发，正探索实现该仪器ISS任务的可行性，包括以下目标：（1）降低风险并验证VSWIR-Dyson成像光谱仪架构，支持未来SLI可选项、HyspIRI和其他NASA计划;（2）提供Landsat波段，以30米空间分辨率在轨卷积成像光谱测量; （3）以30米空间分辨率验证轻度失真、低杂散光、高SNR的VSWIR-Dyson（380-2510nm）成像光谱仪; （4）在轨验证≥4×倍光谱无损压缩和云筛选; （5）与Landsat和其他多光谱仪器进行交叉校正; （6）着手解决HyspIRI VSWIR和VSWIR + TIR科学与应用目标（表1,4）。

6.      结论

HyspIRI的真正价值在于可以为许多重要社会科学问题和应用做出重大贡献（表格1、4）。 通过VSWIR连续光谱测量和TIR 8个波段，以及IPM的直播功能，HyspIRI能够对水生和陆地生态系统变化进行短 期全球测绘，并可解决与土地利用和城市化、公共卫生、水利用和需求等相关的社会问题，以及有潜力支持对火山、地震和野火等环境灾害的响应。

继续推进并实现HyspIRI VSWIR，TIR和IPM技术目标，减少成本和降低与HyspIRI任务计划相关的风险。由HyspIRI降低风险的仪器PHyTIR所衍生的ECOSTRESS将安装在国际空间站上，是HyspIRI计划和任务概念应用的一个关键验证。

 

文献来源: Christine M. Lee, Morgan L. Cable, Simon J. Hook, et al., An introduction to the NASA Hyperspectral InfraRed Imager (HyspIRI) mission and preparatory activities. Remote Sensing of Environment, 2015, 167, 6-19.