高光譜遙感出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初，在光譜分辨率方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，被稱為遙感發(fā)展的里程碑。世界各國(guó)都非常重視這種遙感的發(fā)展。成像光譜儀技術(shù)發(fā)展迅速，高光譜圖像處理技術(shù)越來(lái)越成熟和深入，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

一、高光譜遙感技術(shù)

成像光譜儀可以獲得許多狹窄和連續(xù)的圖像，光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)。利用高光譜數(shù)據(jù)反射獲得的地物反射光譜特性，可以研究地球表面物體的分類、成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布和動(dòng)態(tài)變化。

與傳統(tǒng)的全色、多光譜遙感圖像相比，高光譜遙感技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

①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(zhǎng)從可見光延伸到近紅外，甚至中紅外;光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)。

光譜信息與圖像信息有機(jī)結(jié)合。在高光譜圖像數(shù)據(jù)中，每個(gè)像元對(duì)應(yīng)一條光譜曲線，整個(gè)數(shù)據(jù)是具有空間圖像維度和光譜維度的光譜圖像立方體。

有許多數(shù)據(jù)描述模型，分析更靈活。高光譜圖像通常有三種描述模型：圖像模型、光譜模型和特征模型。

數(shù)據(jù)量大，信息冗余多。高光譜數(shù)據(jù)波段多，數(shù)據(jù)量大，波段相關(guān)性大。

②高光譜遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提高了高光譜遙感的光譜分辨率，提高了地面物體目標(biāo)的屬性信息探測(cè)能力。因此，高光譜遙感與全色和多光譜遙感相比具有以下顯著優(yōu)勢(shì)。

它包含類似連續(xù)的地面光譜信息。高光譜圖像可以通過光譜反射率重建獲得近似連續(xù)的地面光譜反射率曲線，匹配地面測(cè)量值，并將實(shí)驗(yàn)室地面光譜分析模型應(yīng)用到遙感過程中。

表面覆蓋的識(shí)別能力大大提高。高光譜數(shù)據(jù)可以檢測(cè)具有診斷性光譜吸收特性的物質(zhì)，準(zhǔn)確區(qū)分表面植被覆蓋類型、道路鋪裝材料等。

地形元素分類識(shí)別方法靈活多樣。圖像分類不僅可以采用貝葉斯識(shí)別、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等各種模式識(shí)別方法，還可以采用基于地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的光譜匹配方法。分類識(shí)別特征，可采用光譜診斷特征，也可選擇和提取特征。

可以識(shí)別地形元素的定量或半定量分類。在高光譜圖像中，可以估計(jì)各種土地的狀態(tài)參數(shù)，提高遙感高定量分析的精度和可靠性。

③高光譜圖像在應(yīng)用過程中也面臨著以下關(guān)鍵技術(shù)需要解決的問題：

高光譜圖像光譜重建技術(shù)。高光譜圖像記錄的DN值是高光譜遙感定量分析的基礎(chǔ)，根據(jù)成像光譜儀的輻射標(biāo)記和光譜標(biāo)記數(shù)據(jù)，通過各種輻射校正反映地物反射率。

高光譜圖像分類識(shí)別技術(shù)。傳統(tǒng)的圖像分類算法，如最大的似然估計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，都是基于大數(shù)定理。高光譜圖像維數(shù)高，波段相關(guān)性大，會(huì)遇到/維數(shù)災(zāi)難0現(xiàn)象，需要研究高光譜圖像的分析方法。

大量圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。高光譜圖像數(shù)據(jù)量大，相關(guān)性強(qiáng)，面臨數(shù)據(jù)壓縮問題;在圖像分析和處理過程中，需要巨大的計(jì)算資源。

④高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著成像光譜技術(shù)的逐漸成熟，高光譜圖像分析研究，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：成像光譜探測(cè)能力將繼續(xù)提高，成像光譜空間分辨率逐漸提高，從航空遙感到航空遙感，逐漸從遙感定性分析階段到定量分析階段，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，應(yīng)用研究越來(lái)越深入。

二、高光譜遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

高光譜遙感技術(shù)是集探測(cè)器技術(shù)、精密光學(xué)機(jī)械、弱信號(hào)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)。技術(shù)成果主要體現(xiàn)在成像光譜儀的開發(fā)和高光譜圖像的分析上。

由于高光譜遙感在地物屬性探測(cè)中的巨大潛力，國(guó)外成像光譜儀的開發(fā)受到了廣泛關(guān)注。

1983年，美國(guó)開發(fā)的航空成像光譜儀是機(jī)載成像光譜儀的第一個(gè)高光譜圖像(AIS.1)獲取標(biāo)志著第一代高光譜成像儀的出現(xiàn)。1987年，美國(guó)宇航局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)成功開發(fā)航空可見光/紅外成像光譜儀(AVIRIS),這標(biāo)志著第二代高光譜成像儀的出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代，許多國(guó)家開始開發(fā)具有代表性的機(jī)載成像光譜儀，如表1所示。

星載成像光譜儀是由美國(guó)噴氣促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在航天領(lǐng)域開發(fā)的對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃中的中分辨率成像光譜儀(MODIS),隨著TER-RA衛(wèi)星的發(fā)射，它成為第一個(gè)在軌運(yùn)行的星載成像光譜儀，從2000年開始將圖像傳輸?shù)降孛?。到目前為止，已發(fā)射的具有代表性的星載成像光譜儀如表2所示。

2000年，在NASA發(fā)射的EO-1衛(wèi)星上配備了高光譜成像儀(Hyperion),地面分辨率為30m，在礦物定量填充方面取得了良好的應(yīng)用效果。2002年美國(guó)海軍測(cè)繪觀測(cè)(NEMO)衛(wèi)星攜帶的海岸海洋成像光譜儀(COIS)具有自適應(yīng)性信號(hào)識(shí)別能力，滿足軍民的不同需求。此外，2007年6月交付給美國(guó)空軍基地的高光譜成像傳感器將通過Tac-Sa-T3衛(wèi)星進(jìn)入太空。目前，許多國(guó)家正在積極開發(fā)自己的高光譜傳感器，包括德國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)和分析計(jì)劃、南非多傳感器小衛(wèi)星成像儀MSMI和加拿大高光譜環(huán)境和資源觀察者HERO。

隨著成像光譜儀的快速發(fā)展，地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)和高光譜圖像分析技術(shù)的研究也發(fā)展迅速。

在地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)方面，JPL標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)庫(kù)、USGS波譜數(shù)據(jù)庫(kù)、ASTER波譜數(shù)據(jù)庫(kù)、IGCP-264波譜數(shù)據(jù)庫(kù)是美國(guó)最先進(jìn)、最具代表性的。此外，美國(guó)空軍部門和環(huán)境保護(hù)局建立了AEDC/EPA光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，診斷空氣污染和空氣成分，并建立了美國(guó)海軍研究室開發(fā)的HYDICE成像光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。其他一些國(guó)家也開展了光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)研究和建設(shè)。例如，英國(guó)在20世紀(jì)90年代初建立了海水光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行海水顏色研究。

國(guó)家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)、日本國(guó)家空間發(fā)展局(NASDA)大學(xué)和研究所都有專門的高光譜圖像應(yīng)用分析研究機(jī)構(gòu)。國(guó)外商業(yè)遙感圖像處理系統(tǒng)先后增加了成像光譜數(shù)據(jù)處理模塊，包括RSIENVI、PCIGeomaticsPCI、MicroimagesTNTmips等。

中國(guó)緊密跟蹤國(guó)際高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，在20世紀(jì)80年代中后期開始開發(fā)自己的高光譜成像系統(tǒng)。

主要成像光譜儀包括中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所開發(fā)的掃描成像光譜儀(PHI)實(shí)用模塊化成像光譜儀系列(OMIS)中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)春光機(jī)研制的高分辨率成像光譜儀(C-HRIS)和西安光機(jī)開發(fā)的穩(wěn)態(tài)大視場(chǎng)偏振干擾成像光譜儀(SLPIIS)。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所開發(fā)的中分辨率成像光譜儀(CMODIS)2002年隨/神舟03號(hào)發(fā)射升空，成功獲得航天高光譜圖像。從可見光到近紅外有30個(gè)波段，中紅外到遠(yuǎn)紅外有4個(gè)波段，空間分辨率為500m。

2007年10月發(fā)射的嫦娥1號(hào)0衛(wèi)星已攜帶中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)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和可分辨地元光譜圖。通過與其他儀器配合使用，分析月球表面有用元素和物質(zhì)類型的含量和分布，獲得的數(shù)據(jù)用于編制各種元素

2007年10月年發(fā)射的/嫦娥1號(hào)0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(guó)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0. 45~0. 95Lm波段, 平均光譜分辨率為5nm, 地面分辨率為100m。

我國(guó)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(guó)第一個(gè)綜合性/ 地物波譜特性數(shù)據(jù)庫(kù)0。1998年, 中國(guó)國(guó)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(kù)”, 其中包含了我國(guó)主要的典型巖石和礦物500余種。2000年, 中國(guó)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(kù)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(kù)與/ 3S0技術(shù)的鏈接。

三、高光譜遙感應(yīng)用領(lǐng)域

青海高光譜云母、綠泥石礦物分布圖

①軍事領(lǐng)域應(yīng)用，先進(jìn)的科技成果往往最先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。高光譜影像的軍事應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域。

目標(biāo)偵察：高光譜衛(wèi)星圖像可大大拓寬對(duì)目標(biāo)種類識(shí)別范圍并提高識(shí)別的準(zhǔn)確率。

近海環(huán)境監(jiān)測(cè)：應(yīng)用于海軍和潛艇部隊(duì)需要淺水區(qū)探測(cè)、海底結(jié)構(gòu)類型、探測(cè)水下危險(xiǎn)事件、海水清晰度等。

偽裝與反偽裝：高光譜遙感能夠完成對(duì)多種偽裝目標(biāo)或工程的可靠揭露, 同時(shí)還可用來(lái)提高部隊(duì)的偽裝技術(shù)水平。

打擊效果評(píng)估：用目標(biāo)受損后其自身和環(huán)境的細(xì)微光譜特征變化來(lái)實(shí)現(xiàn)或輔助毀傷識(shí)別。

②民用領(lǐng)域應(yīng)用，民用方面, 高光譜遙感在對(duì)地觀測(cè)和環(huán)境調(diào)查中廣泛應(yīng)用, 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

測(cè)繪地形圖, 制作專題圖：例如精細(xì)農(nóng)業(yè)中的農(nóng)作物、森林、草場(chǎng)等植被分布圖, 地質(zhì)探測(cè)中的礦物、土壤、冰川等專題分布圖等。

海部要素監(jiān)測(cè)：例如海洋資源普查、水色水質(zhì)變化、葉綠素和浮游生物含量分析、海岸帶和海洋生態(tài)變化及海洋污染監(jiān)測(cè)等。

資源環(huán)境調(diào)查與災(zāi)害評(píng)估：例如土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦物分布調(diào)查、水體富營(yíng)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。

大氣遙感：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。