高光谱遥感的发展与应用_张达

　第１１卷　第３期２

０１３年６月光学与光电技术

ＯＰＴＩＣＳ　＆ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．１１，Ｎｏ．３　

Ｊｕｎｅ，２０１３收稿日期　２０１２－０９－２９；　收到修改稿日期　２０１２－１２－

１３作者简介　张达（１９８１－）

，男，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事空间光学遥感仪器的研制、空间光学成像，以及光谱探测技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄａ＠ｃｉｏｍｐ

．ａｃ．ｃｎ基金项目　国防预研基金（ＳＡ０５０），国家８６３高技术研究发展计划（２０１０ＡＡ１２２１０９１００１）

，吉林省科技发展计划（２０１１０１０７９

）资助项目文章编号：１６７２－３３９２（２０１３）０３－００６７－

０７高光谱遥感的发展与应用

张　达　郑玉权

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）

摘要　阐述了高光谱遥感的特点、优势，以及在航空及航天领域的发展情况，列举了几种典型高光谱成像仪的光学系统原理和主要技术指标。在此基础上，

概述了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产、海洋、军事等领域的应用情况。最后对高光谱遥感发展趋势提出了几点建议，包括低反射率目标遥感、高信噪比、高空间分辨率及宽覆盖范围等方面。关键词　高光谱遥感；发展；应用；成像光谱仪中图分类号　ＴＰ７０ 文献标识码　Ａ

１　引　言

遥感技术是２０世纪６０年代发展起来的对地

观测综合性技术［１］

，随着２０世纪８０年代成像光谱

技术的出现，

光学遥感进入了高光谱遥感阶段。从２０世纪９０年代开始，

高光谱遥感已成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感的最主要手段。

高光谱遥感技术作为对地观测技术的重大突破［

２］

，其发展潜力巨大。

高光谱遥感实现了遥感数据图像维与光谱维信息的有机融合，在光谱分辨率上有巨大优势，是遥感发展的里程碑。随着高光谱遥感技术的日趋成熟，其应用领域也日益广泛，已渗透到国民经济的各个领域，如环境监测、资源调查、工程建设等，对于推动经济建设、社会进步、环境的改善和国防建设起到了重大的作用。本文主要阐述高光谱遥感的特点、优势以及在航空及航天领域的发展情况，概括了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产，

海洋军事等领域的应用情况。２　高光谱遥感特点与优势

高光谱遥感是高光谱分辨率遥感（Ｈｙｐｅｒｓｐ

ｅｃ－ｔｒａｌ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ）

的简称［３］

，它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外、中红外和热红外波段范围

内，获取许多非常窄且光谱连续的影像数据的技

术，是在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成的一种独特的三维遥感。对大量的地球表面物质的光谱测量表明，

不同的物体会表现出不同的光谱反射和辐射特征，这种特征引起吸收峰和反射峰的波长宽度在５～５０ｎｍ左右，其物理内涵是不同的分子、

原子和离子的晶格振动，引起不同波长的光谱发射和吸收，从而产生了不同的光谱特征。运用具有高光谱分辨率的仪器，通过获取图像上任何一个像元或像元组合所反映的地球表面物质的光谱特性，

经过后续数据处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的［

４］

。高光谱遥感的成像光谱仪具有光谱分辨率高（５～１０ｎｍ），光谱范围宽（０．４μｍ～２．５μｍ）

的显著特点，可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息，

所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线，光谱的覆盖范围从可见光、近红外到短波红外的全部电磁辐射波谱范围。高光谱数据是一个光谱图像的立方体，其空间图像维描述地表二维空间特征，其光谱维揭示图像每一像元的光谱曲线特征，由此实现了遥感数据图像维与光谱

维信息的有机融合［

５］

。高光谱遥感在光谱分辨率方面的巨大优势，使得空间对地观测时可获取众多连续波段的地物光谱图像，

从而达到直接识别地球表面物质的目的。地物光谱维信息量的增加为遥感对地观测、地物识别及地理环境变化监测提供了

光学与光电技术第１１卷

更充分的光谱信息，使传统的遥感数据目标识别和分析方法发生了本质的变化。

根据高光谱遥感仪器光机扫描方式的不同，可

将成像光谱仪分为掸扫型、

推帚型和凝视型［６］

。根据分光方式的不同，光谱成像仪又可分为色散型、

干涉型和计算层析型三大类型［

７］

。３　高光谱遥感的发展

３．１　航空领域高光谱遥感技术发展

高光谱遥感起步便是从航空领域开始的。１９８３年，世界第一台成像光谱仪ＡＩＳ－

１在美国研制成功［８］

，在矿物填图、植被生化特征等研究方面获得了应用。此后，许多国家先后研制了多种类型的航空成像光谱仪。如美国的ＡＶＩＲＩＳ、ＤＡＩＳ、

ＴＲＷＩＳⅢ，加拿大的ＦＬＩ、ＣＡＳＩ，德国的ＲＯＳＩＳ，澳大利亚的ＨｙＭａｐ等，

如图１所示

。图１　ＡＶＩＲＩＳ和ＨＹＭＡＰ成像仪Ｆｉｇ．１　ＡＶＩＲＩＳ　ａｎｄ　ＨＹＭＡＰ　ｉｍａｇ

ｅｒ　

第一代成像光谱仪（ＡＩＳ），由美国国家航空和航天管理局（ＮＡＳＡ）所属的喷气推进实验室设计，共有两种：ＡＩＳ－１（１９８２年～１９８５年，１２８波段）和ＡＩＳ－

２（１９８５年～１９８７年，１２８波段），其光谱覆盖范围为１．２～２．４μｍ。美国的ＡＶＩＲＩＳ于１９８７年

进行了首次飞行试验，探测器行像素为６７７，数据量化位数１２位。２０世纪９０年代美国著名的ＴＲＷ公司研制的ＴＲＷＩＳ－Ⅲ型超光谱成像仪是当

时最新的一种成像光谱仪，波段范围覆盖０．４～２．５μｍ，具有３８４个连续光谱通道，ＶＮＩＲ谱段光谱带宽仅为５ｎｍ，ＳＷＩＲ谱段为６．２５ｎｍ，信噪比很高（几百比１），其在军事和民用方面都有极高的

应用价值［

９］

。澳大利亚机载成像光谱仪（ＨＹＭＡＰ）于１９９７年研制成功，其焦平面行像元数５１２，

随即开始应用于商业勘探领域。为了推进成像光谱技术在我国地质找矿中的应用，

中国地质调查局于２００２年通过租用澳大利亚机载成像光谱仪的方式，开展了新疆东天山地区航空成像光谱飞行、

数据获取、数据处理，以及应用研究工作，为澳大利亚机载成像光谱仪引进和成像光谱技术推广应用奠定了基础。

２０世纪８０年代初、

中期，在国家科技攻关项目和８６３计划的支持下，我国亦开展了高光谱成像技术的独立发展计划。我国高光谱仪的发展，经历了从多波段到成像光谱扫描，从光学机械扫描到面阵推扫的发展过程。２０世纪８０年代后期研制和发展了新型模块化航空成像光谱仪（ＭＡＩＳ），此后，中国又自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪（ＰＨＩ）、实用型模块化成像光谱仪（ＯＭＩＳ）、宽视场面阵ＣＣＤ超光谱成像仪（ＷＨＩ），以及高分辨率成像光谱仪（Ｃ－ＨＲＩＳ）等，并在国内外得到多次应用，

这一系列高光谱仪器的研制成功，为中国遥感科学家提供了新的技术手段。

ＭＡＩＳ、ＰＨＩ和ＯＭＩＳ均为上海技术物理研究

所研制，如图２所示，其中ＭＡＩＳ于１９９１年开始投

入运行，焦平面数据量化位数１２位；ＰＨＩ于１９９７年研制成功，焦平面行像元数３７６，数据量化位数１２位，目前已发展到ＰＨＩ－

３型；ＯＭＩＳ从２０００年开始执行遥感飞行试验任务，

焦平面行像元数５１２，数据量化位数１２位［１

０－

１２］

。图２　ＭＡＩＳ、ＰＨＩ和ＯＭＩＳ成像仪Ｆｉｇ．２　ＭＡＩＳ，ＰＨＩ　ａｎｄ　ＯＭＩＳ　ｉｍａｇ

ｅｒ　

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