高光譜遙感綜述

1、高光譜遙感及其發(fā)展與應用綜述高光譜遙感及其發(fā)展與應用綜述摘要：高光譜遙感是20世紀80年代興起的新型對地觀測技術。文中歸納了高光譜遙感技術波段多、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，具有近似連續(xù)的地物光譜信息、地表覆蓋的識別能力極大提高、地形要素分類識別方法靈活多樣、地形要素的定量或半定量分類識別成為可能等優(yōu)勢，簡單介紹了高光譜遙感在國外及國內(nèi)的發(fā)展情況。在此基礎上，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、海洋、農(nóng)業(yè)等領域的應用。關鍵詞：高光譜遙感；發(fā)展；應用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數(shù)據(jù)。它的基礎是測譜學。測譜學早在20世紀初就被用于識別分子和原子及其結(jié)構(gòu)，20世紀80年代才開始建立成像光譜學。它是在電磁波譜的紫外、可見光、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。成像光譜儀為每個象元提供數(shù)十至數(shù)百個窄波段光譜信息，能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。1.1高光

3、譜遙感的特點（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幾十到幾百個，且在某個光譜區(qū)間是連續(xù)分布的，這不只是簡單的數(shù)量的增加，而是有關地物光譜空間信息量的增加。（2）光譜響應范圍廣，光譜分辨率高。成像光譜儀響應的電磁波長從可見光延伸到近紅外，甚至到中紅

4、外。成像光譜儀采樣的間隔小，光譜分辨率達到納米級，一般為10nm左右。精細的光譜分辨率反映了地物光譜的細微特征。（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測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系，可以使高光譜圖像中的每一個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

5、多，其數(shù)據(jù)量巨大，而且由于相鄰波段的相關性高，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)勢高光譜遙感的光譜分辨率的提高，使地物目標的屬性信息探測能力有所增第一代成像光譜儀（AIS），由美國國家航空和航天管理局（NASA）所屬的噴氣推進實驗室設計，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噴氣推進實驗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，加拿大、澳大利亞、日本等國家競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64通道的高光譜分辨率掃描儀(GERIS)，主要用于環(huán)境監(jiān)測和地質(zhì)研究。其中63個通道為高光譜分辨率掃描儀，第64通道是用來存儲航空陀螺信息。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)成為主要的應用數(shù)據(jù)來源。2.3高光譜遙感的發(fā)展前景美國的行星地球計劃（MTPE）和地球觀測系統(tǒng)（EOS）計劃是全球性的，一直會延續(xù)到2014年以后。這些計劃的最終目的是評價各種地

8、球系統(tǒng)過程，包括水文過程、生物地球化學過程、大氣過程及固體地球過程。成像光譜儀（星載）將成為這些計劃實施中的關鍵儀器。但是這種星載成像光譜儀仍會面臨重大難題，如衛(wèi)星飛行的高度和速度能引起從空間測量高質(zhì)量光譜的困難，為精確的測量光譜、輻射值及空間位置的定標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繼續(xù)為科研與應用提供高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)，并用來驗證第一代星載成像光譜儀的工作性能。對于現(xiàn)有的航空成像光譜儀技術系統(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，增強機上實時數(shù)據(jù)的處理能力；在數(shù)據(jù)分析處理方面，強調(diào)大氣訂正、信息提取技術，要求發(fā)展新算法和完善已有的算法，并向構(gòu)成標準化應用處理算法軟件包（工具）方向努力，特別是發(fā)展和完善那些針對高光譜海量數(shù)據(jù)和豐富光譜信息特點設計的算法和軟件，以提高高光譜數(shù)據(jù)處理效率以及分析、研究和應用水平。3高光譜遙感的應用領域3.1高光譜遙感在地質(zhì)調(diào)查中的應用區(qū)域地質(zhì)制圖和礦產(chǎn)勘探是

10、高光譜技術主要的領域之一，也是高光譜遙感應用中最成功的一個領域。80年代以來，高光譜遙感被廣泛地應用于地質(zhì)、礦產(chǎn)資源及相關環(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)應用的發(fā)展做出重大貢獻，尤其是在礦物識別與填圖、巖性填圖、礦產(chǎn)資源勘探、礦業(yè)環(huán)境監(jiān)測、礦山生態(tài)恢復和評價等方面。高光譜遙感能成功地應用于地質(zhì)領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別不同