欧盟利用超光谱成像技术扩展哥白尼地球观测计划

2023年6月，欧盟委员会和欧洲航天局授予Kuva Space 500万欧元的商业合同，指定其为哥白尼计划高光谱数据服务的唯一提供商。

哥白尼计划是欧盟（EU）的一项地球观测和环境监测计划。其主要目标是为环境和安全目的提供准确、及时和可靠的信息。它利用地球观测卫星（如哨兵星座）、地面传感器和现场数据收集来支持广泛的应用，包括气候监测、农业、林业、城市规划、灾害管理和海洋监测。

支持人工智能的立方体卫星星座

Kuva Space的100颗立方体卫星星座旨在以可见光到近红外（VIS-NIR，450-950纳米）和可见光到短波红外（VIS-SWIR，450-2500纳米）波长提供地球上任何位置的高光谱图像。极地太阳同步星座的第一颗卫星Hyperfield将于2024年发射。Hyperfield的有效载荷基于新型压电驱动法布里-珀罗干涉仪（PFPI），其中FPI充当可调谐带通滤波器。它由两个半透明反射镜组成，中间有一个间隙，由三个压电致动器在一个封闭的电容反馈回路中控制。反射镜基板至少有10毫米厚，以获得良好的平面度和足够的反射镜质量。这种设计提供了更高的光学吞吐量，并使该公司能够灵活地通过软件以不同的图像采集模式获取数据。

预计凭借Kuva Space星座及其基于人工智能的自动处理链，EO数据将以合理的价格在全球范围内及时、稳健地提供。Kuva Space的图像处理架构可在15分钟内确定并在一小时内提供每个图像像素内经过辐射、几何和大气校准后的原始数据的测量表面反射率值。将以GeoTIFF格式提供地理参照的大气顶部辐射率（L1B）、正射数据（L1C）、大气底部反射率（L2A）等高光谱图像产品，以及水和陆地生化指数（如Chl-a、归一化植被指数差异）等地球物理参数，以及生产云层分类图等精确分析产品所需的其他产品。

Kuva Space的处理工具是通过深度学习和人工智能（AI）驱动开发的，以实现欧洲空间局所要求的高精度数据产品和强大的辐射测量、几何和光谱一致性。人工智能驱动的机器学习方法，如地理正射工具，可在山区场景（如喜马拉雅山、阿尔卑斯山）中实现亚像素精度，延迟时间短，计算成本低，每个图像场景的地理定位不超过四秒。

Hyperfield第二代卫星的3D模型

哥白尼计划的目标

哥白尼计划旨在向研究人员和服务商免费提供“哨兵”数据，以便开发用于监测全国和田间作物生产和耕作的工具，从而预测季节性产量，并通过精心的收获规划防止饥荒。尽管“哨兵”及其开源数据计划取得了巨大成功，但其季节性产量预测仍存在一些缺陷和不准确性，原因是光谱分辨率低，以及由于云层覆盖和每周重访造成的时间序列不规则和稀疏。因此，从多光谱分辨率中提取的植被指数不足以识别水果、蔬菜、坚果、苗圃植物或观赏作物等次要作物，也不足以区分地块内部的变化。

Kuva Space于2023年11月发射了Hyperfield-1号微型卫星，并计划于2024年发射四颗第二代微型卫星。这将标志着Kuva Space计划中的星座进入初始阶段，目标是到2030年最终部署多达100颗卫星，每天测量地球上任何目标的物质成分，提高社会应对气候、安全和安保挑战的能力。

高光谱数据所包含的丰富生化信息可更好地测量和估算植被特性，以评估作物生长阶段和健康状况。它还能识别内部像素的变化，强制检测代表性不足的作物种类，并根据农业实践区分地块。

Hyperfield可以提供精确的反照率（反射率）测量数据，并根据光谱信息确定永久冻土成分（如冰、有机物和矿物含量）的特征，从而改进对北极地区海面和陆地冰面的监测。此外，Hyperfield数据还有可能推动气候变化指标的测量以及甲烷和二氧化碳等大气污染物的监测。通过提供相关信息，支持在生物量测量、生物多样性绘图以及森林和城市地区的准确变化检测方面取得进展，Hyperfield将改善哥白尼服务对与健康有关的环境现象的响应。

Kuva Space的另一个目标是支持哥白尼安全和安保服务，对冲突地区和危险事件进行近实时观测，监测其影响和恢复过程，提供与这些活动有关的光谱信息。为了实现这一目标，Kuva Space还打算向哥白尼提供任务分配能力，以确保向灾害管理、安全和防御以及气候变化服务提供数据。特别是，Hyperfield的独特成像技术将实现四种采集模式：优化扫描、在偏离天底点观测中收集立体图像、通过微动生成增强分辨率图像以及长时间“凝视”一个特定点。通过延长“凝视”模式下的整合时间，信噪比可显著提高几百个百分点，数据质量也可得到提高，从而满足安全要求。

此外，该公司还寻求发展其卫星对卫星和卫星对物联网的移动通信，以通过安全的应用程序接口（API）向操作平台加速向终端用户实时交付分析产品。探测和重新发现可疑船只就是一个很好的例子，说明这种能力对安全服务至关重要。海洋监视服务根据船只的自动识别系统（AIS）和射频信息（RFI）对船只进行监控和跟踪。

犯罪船只、隐形船只或暗船往往会关闭自动识别系统，不发射射频信号。在安全操作系统中，没有这些信号就会产生警报。利用高光谱技术，可以根据这些船只的光谱特征对其进行探测，然后在这些船只靠近港口停泊并必须打开AIS系统时自动重新发现并跟踪它们。卫星上的自动处理功能可通过安全通道向手机或操作平台提供近乎实时的船只位置坐标。

在未来五年内，欧洲航天局将通过几个全球使用案例对Hyperfield数据的质量进行评估，以确保卫星数据满足哥白尼的技术、操作和安全要求。评估成功后，Kuva Space公司将获得一份商业合同，长期为哥白尼计划提供高光谱数据。