高光譜在遙感技術(shù)的應(yīng)用高光譜在遙感技術(shù)的應(yīng)用高光譜在遙感技術(shù)的應(yīng)用xxx公司高光譜在遙感技術(shù)的應(yīng)用文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度高光譜在遙感技術(shù)的應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)（HyperspectralRemoteSensing）的興起是20世紀(jì)80年代遙感技術(shù)發(fā)展的主要成就之一.作為當(dāng)前遙感的前沿技術(shù)，高光譜遙感在光譜分辨率上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。，隨著高光譜遙感技術(shù)的日趨成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛。本文主要闡述高光譜遙感的特點(diǎn)和主要應(yīng)用。1高光譜遙感孫釗在《高光譜遙感的應(yīng)用》中提到，高光譜遙感是在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，利用成像光譜儀獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。[1]高光譜遙感具有較高的光譜分辨率，通常達(dá)到10～2λ數(shù)量級(jí)。[2]高光譜遙感特點(diǎn)綜合多篇關(guān)于高光譜的期刊文章，總結(jié)高光譜具有如下特點(diǎn)：（1）波段多，波段寬度窄。成像光譜儀在可見光和近紅外光譜區(qū)內(nèi)有數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)波段。[3]與傳統(tǒng)的遙感相比，高光譜分辨率的成像光譜儀為每一個(gè)成像象元提供很窄的(一般<10nm)成像波段，波段數(shù)與多光譜遙感相比大大增多，在可見光和近紅外波段可達(dá)幾十到幾百個(gè)，且在某個(gè)光譜區(qū)間是連續(xù)分布的，這不只是簡(jiǎn)單的數(shù)量的增加，而是有關(guān)地物光譜空間信息量的增加。[4]（2）光譜響應(yīng)范圍廣，光譜分辨率高。成像光譜儀響應(yīng)的電磁波長從可見光延伸到近紅外，甚至到中紅外。[5]成像光譜儀采樣的間隔小，光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)，一般為10nm左右。精細(xì)的光譜分辨率反映了地物光譜的細(xì)微特征。（3）可提供空間域信息和光譜域信息，即“譜像合一”，并且由成像光譜儀得到的光譜曲線可以與地面實(shí)測(cè)的同類地物光譜曲線相類比。在成像高光譜遙感中，以波長為橫軸，灰度值為縱軸建立坐標(biāo)系，可以使高光譜圖像中的每一個(gè)像元在各通道的灰度值都能產(chǎn)生1條完整、連續(xù)的光譜曲線，即所謂的“譜像合一”。（4）數(shù)據(jù)量大，信息冗余多。高光譜數(shù)據(jù)的波段眾多，其數(shù)據(jù)量巨大，而且由于相鄰波段的相關(guān)性高，信息冗余度增加。（5）數(shù)據(jù)描述模型多，分析更加靈活。高光譜影像通常有三種描述模型：圖像模型、光譜模型與特征模型。高光譜遙感的優(yōu)勢(shì)高光譜遙感的光譜分辨率的提高，使地物目標(biāo)的屬性信息探測(cè)能力有所增強(qiáng)。因此，較之全色和多光譜遙感，高光譜遙感有以下顯著優(yōu)勢(shì):(1)蘊(yùn)含著近似連續(xù)的地物光譜信息。高光譜影像經(jīng)過光譜反射率重建，能獲取地物近似連續(xù)的光譜反射率曲線，與地面實(shí)測(cè)值相匹配，將實(shí)驗(yàn)室地物光譜分析模型應(yīng)用到遙感過程中。(2)地表覆蓋的識(shí)別能力極大提高。高光譜數(shù)據(jù)能夠探測(cè)具有診斷性光譜吸收特征的物質(zhì)，能夠準(zhǔn)確區(qū)分地表植被覆蓋類型、道路的鋪面材料等。(3)地形要素分類識(shí)別方法靈活多樣。影像分類既可以采用各種模式識(shí)別方法，如貝葉斯判別、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等，又可以采用基于地物光譜數(shù)據(jù)庫的光譜匹配方法。分類識(shí)別特征，可以采用光譜診斷特征，也可以進(jìn)行特征選擇與提取。(4)地形要素的定量或半定量分類識(shí)別成為可能。在高光譜影像中，能估計(jì)出多種地物的狀態(tài)參量，提高遙感高定量分析的精度和可靠性。[5]2高光譜遙感的發(fā)展高光譜遙感在國外的發(fā)展自80年代以來，美國已經(jīng)研制了三代高光譜成像光譜儀。1983年，第一幅由航空成像光譜儀（AIS-1）獲取的高光譜分辨率圖像的正式出現(xiàn)標(biāo)志著第一代高光譜分辨率傳感器面世。第一代成像光譜儀（AIS），由美國國家航空和航天管理局（NASA）所屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，共有兩種，AIS-1(1982年～1985年，128波段)和AIS-2(1985年～1987年，128波段)，其光譜覆蓋范圍為～μm。1987年，由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制成功的航空可見光/紅外光成像光譜儀（AVIRIS）成為第二代高光譜成像儀的代表。與此同時(shí)，加拿大、澳大利亞、日本等國家競(jìng)相投入力量研究成像光譜儀。在AVIRIS之后，美國地球物理環(huán)境研究公司(GER)又研制了1臺(tái)64通道的高光譜分辨率掃描儀(GERIS)，主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和地質(zhì)研究。其中63個(gè)通道為高光譜分辨率掃描儀，第64通道是用來存儲(chǔ)航空陀螺信息。第三代高光譜成像光譜儀為克里斯特里爾傅立葉變換高光譜成像儀（FTHSI），其重量僅為35kg，采用256通道，光譜范圍為400～1050nm，光譜分辨率為2～10nm，視場(chǎng)角為150°。而于1999年和2000年發(fā)射升空的中分辨率成像光譜儀（MODIS和Hyperion）都已經(jīng)成為主要的應(yīng)用數(shù)據(jù)來源。[3]經(jīng)過20世紀(jì)80年代的起步與90年代的發(fā)展，一系列高光譜成像系統(tǒng)在國際上研制成功并在航空平臺(tái)上獲得了廣泛的應(yīng)用。至20世紀(jì)90年代后期，在高光譜遙感應(yīng)用的一系列重要技術(shù)問題，如高光譜成像信息的定標(biāo)和定量問題，成像光譜圖像信息可視化及多維表達(dá)問題，圖像——光譜變換和光譜信息提取、大數(shù)據(jù)量信息處理、光譜匹配和光譜識(shí)別、分類等問題得到基本解決之后，高光譜遙感一方面由實(shí)驗(yàn)研究階段逐步轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用階段，而在技術(shù)發(fā)展方面則由以航空系統(tǒng)為主開始轉(zhuǎn)向于航空和航天高光譜分辨率遙感系統(tǒng)相結(jié)合的階段。迄今為止，國際上已有許多套航空成像光譜儀處于運(yùn)行狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)、研究以及信息的商業(yè)化方面發(fā)揮著重要作用。[6]高光譜遙感在國內(nèi)的發(fā)展我國緊密跟蹤國際高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，并結(jié)合國內(nèi)不斷增長的應(yīng)用需求，于20世紀(jì)80年代中后期著手發(fā)展自己的高光譜成像系統(tǒng)。主要的成像光譜儀有中科院上海技術(shù)物理研究所研制的推掃式成像光譜儀(PHI)系列、實(shí)用型模塊化成像光譜儀(OMIS)系列、中科院長春光機(jī)所研制的高分辨率成像光譜儀(C2HRIS)和西安光機(jī)所研制的穩(wěn)態(tài)大視場(chǎng)偏振干涉成像光譜儀(SLPIIS)。中科院上海技術(shù)物理研究所研制的中分辨率成像光譜儀(CMODIS)于2002年隨“神舟”三號(hào)發(fā)射升空，并成功獲取航天高光譜影像，其獲取影像從可見光到近紅外共30波段，中紅外到遠(yuǎn)紅外的4波段，空間分辨率為500m。2007年10月年發(fā)射的“嫦娥1號(hào)”衛(wèi)星已攜帶中科院西安光機(jī)所研制的干涉成像光譜儀升空，用于獲取月球表面二維多光譜序列圖像及可分辨地元光譜圖，通過與其他儀器配合使用對(duì)月球表面有用元素及物質(zhì)類型的含量與分布進(jìn)行分析，獲得的數(shù)據(jù)用于編制各元素的月面分布圖。從2007年到2010年，我國將組建環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座，將攜帶超光譜成像儀，采用～μm波段，平均光譜分辨率為5nm，地面分辨率為100m。我國在積極研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成像光譜儀的同時(shí)，在地物光譜數(shù)據(jù)技術(shù)、高光譜影像分析技術(shù)等方面的研究中也取得了部分的成果。20世紀(jì)90年代初期，中科院安徽光機(jī)所、遙感所等單位對(duì)大量的典型地物進(jìn)行了波譜采集，建立了我國第一個(gè)綜合性“地物波譜特性數(shù)據(jù)庫”。1998年，中國國土資源航空物探與遙感中心建立了“典型巖石礦物波譜數(shù)據(jù)庫”，其中包含了我國主要的典型巖石和礦物500余種。2000年，中國科學(xué)院遙感所基于GIS和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研制了典型地物波譜數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)，記錄了10000多條地物波譜，并能動(dòng)態(tài)生成相應(yīng)的波譜曲線和遙感器模擬波段，實(shí)現(xiàn)了波譜數(shù)據(jù)庫與“3S”技術(shù)的鏈接。[5]3高光譜遙感的應(yīng)用領(lǐng)域通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，高光譜遙感在以下領(lǐng)域有重要應(yīng)用。在植被和生態(tài)研究中的應(yīng)用高光譜遙感能夠提供圖像每個(gè)像元高的光譜分辨率，使一些在常規(guī)寬波段遙感中不能探測(cè)到的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測(cè)。高光譜遙感數(shù)據(jù)能夠精確估算關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)過程中的生物物理和生物化學(xué)參量，特別是在大尺度上冠層水分、植被干物質(zhì)和土壤生化參量的精確反演，在生態(tài)學(xué)研究中有廣闊的應(yīng)用前景。[7]在生態(tài)系統(tǒng)方面，高光譜遙感還應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境梯度制圖、光合作用色素含量提取、植被干物質(zhì)信息提取、植被生物多樣性監(jiān)測(cè)、土壤屬性反演、植被和土地覆蓋精細(xì)制圖、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦物分布調(diào)查、水體富營養(yǎng)化檢測(cè)、大氣污染物監(jiān)測(cè)、植被覆蓋度和生物量調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等等。植被高光譜遙感數(shù)據(jù)，按獲取方式的不同，采用相應(yīng)的高光譜遙感信息處理技術(shù)處理后可用于植被參數(shù)估算與分析，植被長勢(shì)監(jiān)測(cè)及估產(chǎn)等領(lǐng)域。另外，高光譜的出現(xiàn)使植物化學(xué)成分的遙感估測(cè)成為可能。在大氣科學(xué)研究中的應(yīng)用高光譜遙感具有非常高的光譜分辨率，它不僅可以探測(cè)到常規(guī)遙感更精細(xì)的地物信息，而且能探側(cè)到更精細(xì)的大氣吸收特征。大氣的分子和粒子成份在反射光譜波段反映強(qiáng)烈，能夠被高光譜儀器監(jiān)測(cè)。高光譜遙感技術(shù)在大氣研究中的突出應(yīng)用是云蓋制圖、云頂高度與云層狀態(tài)參數(shù)估算、大氣水汽含量與分布估算、氣溶膠含量估計(jì)以及大氣光學(xué)特性評(píng)價(jià)等。利用高光譜數(shù)據(jù)，在準(zhǔn)確探測(cè)大氣成分的基礎(chǔ)上，能提高天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警等的準(zhǔn)確性與可靠性。在地質(zhì)礦產(chǎn)中的應(yīng)用區(qū)域地質(zhì)制圖和礦產(chǎn)勘探是高光譜技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是高光譜遙感應(yīng)用中最成功的一個(gè)領(lǐng)域。80年代以來，高光譜遙感被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)、礦產(chǎn)資源及相關(guān)環(huán)境的調(diào)查中。最近15年來的研究表明，高光譜遙感可為地質(zhì)應(yīng)用的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)，尤其是在礦物識(shí)別與填圖、巖性填圖、礦產(chǎn)資源勘探、礦業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、礦山生態(tài)恢復(fù)和評(píng)價(jià)等方面。[8]高光譜遙感能成功地應(yīng)用于地質(zhì)領(lǐng)域的主要原因是高光譜遙感有許多不同于寬波段遙感的性質(zhì)，各種礦物和巖石在電磁波譜上顯示的診斷性光譜特征可以幫助人們識(shí)別不同礦物成分，高光譜數(shù)據(jù)能反映出這類診斷性光譜特征。隨著高光譜遙感地質(zhì)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和日益深入，高光譜遙感技術(shù)和方法也在不斷改進(jìn)。近年來在基于高光譜數(shù)據(jù)的礦物精細(xì)識(shí)別、高光譜影像地質(zhì)環(huán)境信息反演、基于高光譜遙感的行星地質(zhì)探測(cè)等方面取得了突出的進(jìn)展。高光譜遙感在地質(zhì)成因環(huán)境探測(cè)、蝕變礦物與礦化帶的探測(cè)、成礦預(yù)測(cè)、巖性的識(shí)別與分類、油氣資源及災(zāi)害探測(cè)、高光譜植被重金屬污染探測(cè)等方面也有應(yīng)用。在海洋研究中的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高光譜遙感已成為當(dāng)前海洋遙感前沿領(lǐng)域。由于中分辨率成像光譜儀具有光譜覆蓋范圍廣、分辨率高和波段多等許多優(yōu)點(diǎn)，因此已成為海洋水色、水溫的有效探測(cè)工具。它不僅可用于海水中葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、某些污染物和表層水溫探測(cè)，也可用于海冰、海岸帶等的探測(cè)。國內(nèi)海洋遙感應(yīng)用基礎(chǔ)研究主要是一些數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。關(guān)于如何解決水體的低反射率、大氣對(duì)藍(lán)紫波段光譜的散射影響等難題的研究還未涉足。在海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，只有可見光光譜能夠觀測(cè)水下的狀況。另外，陸源污染、海水養(yǎng)殖、灘涂等海岸帶典型要素的光譜特性研究工作也在開展，研究人員以航空高光譜圖像為數(shù)據(jù)源，選取陸源污染、海水養(yǎng)殖、灘涂為監(jiān)測(cè)要素，進(jìn)行上述要素的光譜波段敏感性研究，試圖獲得其探測(cè)的最佳波段，并進(jìn)一步發(fā)展準(zhǔn)確、快速識(shí)別和探測(cè)技術(shù)。在海洋表面溫度測(cè)量、海洋表層懸浮泥沙濃度的定性或半定量的觀測(cè)、海洋動(dòng)力現(xiàn)象的研究等方面都開展了相應(yīng)的研究。國際上開展的主要研究有:海洋碳通量研究，認(rèn)識(shí)其控制機(jī)理和變化規(guī)律；海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究；海岸帶環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理。[4]在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)拓寬了遙感信息定量獲取新領(lǐng)域，逐漸成為農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用的重要前沿技術(shù)手段之一。農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用中，充分利用高光譜圖譜合一的優(yōu)點(diǎn)，能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)作物長勢(shì)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)服務(wù)，特別是作物長勢(shì)評(píng)估、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)管理等方面。利用高光譜遙感數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映田間作物本身的光譜特征以及作物之間光譜差異，可以更加精準(zhǔn)地獲取一些農(nóng)學(xué)信息，如作物含水量、葉綠素含量、葉面積指數(shù)（LAI）等生態(tài)物理參數(shù)，從而方便地預(yù)測(cè)作物長勢(shì)和產(chǎn)量。目前，高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)遙感應(yīng)用中的研究取得了較大進(jìn)展，主要研究包括以下方面：作物葉片光譜特征研究、作物分類與識(shí)別、作物生態(tài)物理參數(shù)反演與提取、作物養(yǎng)分診斷與監(jiān)測(cè)研究、作物長勢(shì)監(jiān)測(cè)與產(chǎn)量預(yù)測(cè)、農(nóng)業(yè)遙感信息模型研究、農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的深入，遙感光譜分辨率和空間分辨率的不斷提高，今后高光譜遙感在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用從理論走向業(yè)務(wù)化運(yùn)作，特別是簡(jiǎn)單實(shí)用的高光譜農(nóng)學(xué)信息提取與農(nóng)情監(jiān)測(cè)模型的設(shè)計(jì)與推廣，將成為一個(gè)主要發(fā)展方向。[2]在其他領(lǐng)域的應(yīng)用高光譜在其他領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。如城市下墊面特征和環(huán)境，高光譜遙感的發(fā)展使得人們有能力對(duì)城市地物的光譜特性進(jìn)行深人研究，人們用實(shí)驗(yàn)室光譜、地物光譜、航空和航天的高光譜遙感器對(duì)城市的光譜進(jìn)行了一系列的深人分析。研究的內(nèi)容包括城市地物的光譜特性及可分性，為城市環(huán)境遙感分析及制圖提供基礎(chǔ)。一些研究人員利用高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合光譜檢測(cè)算法對(duì)城市地物分類進(jìn)行了研究。[9]在軍事領(lǐng)域，最為先進(jìn)技術(shù)，高光譜影像的軍事應(yīng)用主要集中在目標(biāo)偵察、近海環(huán)境監(jiān)測(cè)、偽裝與反偽裝和打擊效果評(píng)估。在土壤質(zhì)量信息監(jiān)測(cè)方面，高光譜遙感主要用于獲取土壤質(zhì)量信息，如土壤有機(jī)質(zhì)的反射光譜特征、土壤水分與土壤反射光譜關(guān)系、土壤氧化鐵的光譜反射特性等。通過對(duì)土壤理化性質(zhì)與土壤精細(xì)光譜信息的定量分析，進(jìn)行土壤的特性參數(shù)評(píng)價(jià)。4結(jié)束語高光譜遙感以其光譜分辨率高、圖譜合一的特點(diǎn)受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。從二十世紀(jì)八十年代開始到現(xiàn)在的二十多年中，無論在成像光譜儀等硬件方面還是在圖像處理系統(tǒng)等軟件方面都得到了的迅速的發(fā)展。高光譜遙感的發(fā)展歷史雖然