高光谱在遥感技术的应用

高光谱在遥感技术的应用

高光谱遥感技术（Hyperspectral Remote Sensing）的兴起是20世纪80年代遥感技术发展的主要成就之一.作为当前遥感的前沿技术，高光谱遥感在光谱分辨率上具有巨大的优势。，随着高光谱遥感技术的日趋成熟，其应用领域也日益广泛。本文主要阐述高光谱遥感的特点和主要应用。

1 高光谱遥感

孙钊在《高光谱遥感的应用》中提到，高光谱遥感是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，利用成像光谱仪获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术。

[1]高光谱遥感具有较高的光谱分辨率，通常达到10～2λ数量级。[2]

1.1 高光谱遥感特点

综合多篇关于高光谱的期刊文章，总结高光谱具有如下特点：

（1）波段多，波段宽度窄。成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。[3]与传统的遥感相比，高光谱分辨率的成像光谱仪为每一个成像象元提供很窄的(一般<10nm) 成像波段，波段数与多光谱遥感相比大大增多，在可见光和近红外波段可达几十到几百个，且在某个光谱区间是连续分布的，这不只是简单的数量的增加，而是有关地物光谱空间信息量的增加。[4]

（2）光谱响应范围广，光谱分辨率高。成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延伸到近红外，甚至到中红外。[5]成像光谱仪采样的间隔小，光谱分辨率达到纳米级，一般为10nm 左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。

（3）可提供空间域信息和光谱域信息，即“谱像合一”，并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。在成像高光谱遥感中，以波长为横轴，灰度值为纵轴建立坐标系，可以使高光谱图像中的每一个像元在各通道的灰度值都能产生1 条完整、连续的光谱曲线，即所谓的“谱像合一”。

（4）数据量大，信息冗余多。高光谱数据的波段众多，其数据量巨大，而且由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。

（5）数据描述模型多，分析更加灵活。高光谱影像通常有三种描述模型：图像模型、光谱模型与特征模型。

1.2 高光谱遥感的优势

高光谱遥感的光谱分辨率的提高，使地物目标的属性信息探测能力有所增强。因此，较之全色和多光谱遥感，高光谱遥感有以下显著优势:

(1)蕴含着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像经过光谱反射率重建，能获取地物近似连续的光谱反射率曲线，与地面实测值相匹配，将实验室地物光谱分析模型应用到遥感过程中。

(2)地表覆盖的识别能力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱吸收特征的物质，能够准确区分地表植被覆盖类型、道路的铺面材料等。

(3)地形要素分类识别方法灵活多样。影像分类既可以采用各种模式识别方法，如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机等，又可以采用基于地物光谱数据库的光谱匹配方法。分类识别特征，可以采用光谱诊断特征，也可以进行特征选择与提取。

(4)地形要素的定量或半定量分类识别成为可能。在高光谱影像中，能估计出多种地物的状态参量，提高遥感高定量分析的精度和可靠性。[5]

2 高光谱遥感的发展

2.1 高光谱遥感在国外的发展

自80年代以来，美国已经研制了三代高光谱成像光谱仪。1983年，第一幅由航空成像光谱仪（AIS-1）获取的高光谱分辨率图像的正式出现标志着第一代高光谱分辨率传感器面世。

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。

1987年，由NASA喷气推进实验室研制成功的航空可见光/红外光成像光谱仪（AVIRIS）成为第二代高光谱成像仪的代表。与此同时，加拿大、澳大利亚、日本等国家竞相投入力量研究成像光谱仪。在AVIRIS之后，美国地球物理环境研究公司(GER)又研制了1台64通道的高光谱分辨率扫描仪(GERIS)，主要用于环境监测和地质研究。其中63个通道为高光谱分辨率扫描仪，第64通道是用来存储航空陀螺信息。

第三代高光谱成像光谱仪为克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪（FTHSI），其重量仅为35kg，采用256通道，光谱范围为400～1050nm，光谱分辨率为2～10nm，视场角为150°。而于1999年和2000年发射升空的中分辨率成像光谱仪（MODIS和Hyperion）都已经成为主要的应用数据来源。[3]

经过20世纪80年代的起步与90年代的发展，一系列高光谱成像系统在国际上研制成功并在航空平台上获得了广泛的应用。至20世纪90年代后期，在高光谱遥感应用的一系列重要技术问题，如高光谱成像信息的定标和定量问题，成像光谱图像信息可视化及多维表达问题，图像——光谱变换和光谱信息提取、大数据量信息处理、光谱匹配和光谱识别、分类等问题得到基本解决之后，高光谱遥感一方面由实验研究阶段逐步转向实际应用阶段，而在技术发展方面则由以航空系统为主开始转向于航空和航天高光谱分辨率遥感系统相结合的

阶段。迄今为止，国际上已有许多套航空成像光谱仪处于运行状态，在实验、研究以及信息的商业化方面发挥着重要作用。[6]

2.2 高光谱遥感在国内的发展

我国紧密跟踪国际高光谱遥感技术的发展，并结合国内不断增长的应用需求，于20世纪80年代中后期着手发展自己的高光谱成像系统。主要的成像光谱仪有中科院上海技术物理研究所研制的推扫式成像光谱仪(PHI)系列、实用型模块化成像光谱仪(OMIS)系列、中科院长春光机所研制的高分辨率成像光谱仪(C2HR IS)和西安光机所研制的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪(SLP IIS) 。

中科院上海技术物理研究所研制的中分辨率成像光谱仪(CMOD IS)于2002年随“神舟”三号发射升空，并成功获取航天高光谱影像，其获取影像从可见光到近红外共30波段，中红外到远红外的4波段，空间分辨率为500m。

2007年10月年发射的“嫦娥1号”卫星已携带中科院西安光机所研制的干涉成像光谱仪升空，用于获取月球表面二维多光谱序列图像及可分辨地元光谱图，通过与其他仪器配合使用对月球表面有用元素及物质类型的含量与分布进行分析，获得的数据用于编制各元素的月面分布图。

从2007年到2010年，我国将组建环境与灾害监测预报小卫星星座，将携带超光谱成像仪，采用0.45～0.95μm波段，平均光谱分辨率为5nm，地面分辨率为100m。我国在积极研制具有自主知识产权的成像光谱仪的同时，在地物光谱数据技术、高光谱影像分析技术等方面的研究中也取得了部分的成果。

20世纪90年代初期，中科院安徽光机所、遥感所等单位对大量的典型地物进行了波谱采集，建立了我国第一个综合性“地物波谱特性数据库”。

1998年，中国国土资源航空物探与遥感中心建立了“典型岩石矿物波谱数据库”，其中包含了我国主要的典型岩石和矿物500余种。2000年，中国科学院遥感所基于GIS和网络技术研制了典型地物波谱数据库及其管理系统，记录了10000多条地物波谱，并能动态生成相应的波谱曲线和遥感器模拟波段，实现了波谱数据库与“3S”技术的链接。[5]

3 高光谱遥感的应用领域

通过阅读相关文献，高光谱遥感在以下领域有重要应用。

3.1 在植被和生态研究中的应用

高光谱遥感能够提供图像每个像元高的光谱分辨率，使一些在常规宽波段遥感中不能探测到的物质，在高光谱遥感中能被探测。高光谱遥感数据能够精确估算关键生态系统过程中的生物物理和生物化学参量，特别是在大尺度上冠层水分、植被干物质和土壤生化参量的精确反演，在生态学研究中有广阔的应用前景。[7]在生态系统方面，高光谱遥感还应用于生态环境梯度制图、光合作用色素含量提取、植被干物质信息提取、植被生物多样性监测、