高光譜遙感綜述

1、高光譜遙感及其發(fā)展與應(yīng)用綜述高光譜遙感及其發(fā)展與應(yīng)用綜述摘要：高光譜遙感是20世紀(jì)80年代興起的新型對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)。文中歸納了高光譜遙感技術(shù)波段多、波段寬度窄，光譜分辨率高，數(shù)據(jù)量大、信息冗余，“圖譜合一”等特點(diǎn)，具有近似連續(xù)的地物光譜信息、地表覆蓋的識(shí)別能力極大提高、地形要素分類(lèi)識(shí)別方法靈活多樣、地形要素的定量或半定量分類(lèi)識(shí)別成為可能等優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單介紹了高光譜遙感在國(guó)外及國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況。在此基礎(chǔ)上，概述了高光譜遙感在地質(zhì)礦產(chǎn)、植被生態(tài)、大

2、氣科學(xué)、海洋、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：高光譜遙感；發(fā)展；應(yīng)用1高光譜遙感高光譜分辨率遙感是指利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲取有關(guān)數(shù)據(jù)。它的基礎(chǔ)是測(cè)譜學(xué)。測(cè)譜學(xué)早在20世紀(jì)初就被用于識(shí)別分子和原子及其結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)80年代才開(kāi)始建立成像光譜學(xué)。它是在電磁波譜的紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)域，獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)。成像光譜儀為每個(gè)象元提供數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段光譜信息，能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線(xiàn)。1.1高光

3、譜遙感的特點(diǎn)（1）波段多，波段寬度窄。成像光譜儀在可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)內(nèi)有數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)波段。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(jiàn)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。（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(zhǎng)從可見(jiàn)光延伸到近紅外，甚至到中紅

4、外。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(xiàn)可以與地面實(shí)測(cè)的同類(lèi)地物光譜曲線(xiàn)相類(lèi)比。在成像高光譜遙感中，以波長(zhǎng)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(xiàn)，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

5、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。1.2高光譜的優(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)能力有所增第一代成像光譜儀（AIS），由美國(guó)國(guó)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，AIS1(1982年～1985年，128波段)和AIS2(1985年～1987年，128波段)，其

6、光譜覆蓋范圍為1.2～2.4μm。1987年，由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制成功的航空可見(jiàn)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(guó)家競(jìng)相投入力量研究成像光譜儀。在AVIRIS之后，美國(guó)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(lái)存儲(chǔ)航空陀螺信息。第三代高光譜成

7、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?jī)H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(lái)源。2.3高光譜遙感的發(fā)展前景美國(guó)的行星地球計(jì)劃（MTPE）和地球觀(guān)測(cè)系統(tǒng)（EOS）計(jì)劃是全球性的，一直會(huì)延續(xù)到2014年以后。這些計(jì)劃的最終目的是評(píng)價(jià)各種地

8、球系統(tǒng)過(guò)程，包括水文過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程、大氣過(guò)程及固體地球過(guò)程。成像光譜儀（星載）將成為這些計(jì)劃實(shí)施中的關(guān)鍵儀器。但是這種星載成像光譜儀仍會(huì)面臨重大難題，如衛(wèi)星飛行的高度和速度能引起從空間測(cè)量高質(zhì)量光譜的困難，為精確的測(cè)量光譜、輻射值及空間位置的定標(biāo)需要新的處理方法和能力。因此，AVIRIS系統(tǒng)和其它航空成像光譜儀將會(huì)繼續(xù)為科研與應(yīng)用提供高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)，并用來(lái)驗(yàn)證第一代星載成像光譜儀的工作性能。對(duì)于現(xiàn)有的航空成像光譜儀技術(shù)系統(tǒng)亦

9、需要完善。例如，在傳感器方面需要改善其獲取數(shù)據(jù)的的性能，提高圖像數(shù)據(jù)的信噪比，增強(qiáng)機(jī)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理能力；在數(shù)據(jù)分析處理方面，強(qiáng)調(diào)大氣訂正、信息提取技術(shù)，要求發(fā)展新算法和完善已有的算法，并向構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用處理算法軟件包（工具）方向努力，特別是發(fā)展和完善那些針對(duì)高光譜海量數(shù)據(jù)和豐富光譜信息特點(diǎn)設(shè)計(jì)的算法和軟件，以提高高光譜數(shù)據(jù)處理效率以及分析、研究和應(yīng)用水平。3高光譜遙感的應(yīng)用領(lǐng)域3.1高光譜遙感在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用區(qū)域地質(zhì)制圖和礦產(chǎn)勘探是

10、高光譜技術(shù)主要的領(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(lái)，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(lái)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。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