高光谱遥感及其进展与应用综述

高光谱遥感及其进展与应用综述摘 要：高光谱遥感是20世纪80年代兴起的新型对地观测技术。文中归纳了高光谱遥感技 术波段多、波段宽度窄，光谱分辨率高，数据量大、信息冗余，“图谱合一”等特点，具有 近似连续的地物光谱信息、地表覆盖的识别能力极大提高、地形要素分类识别方法灵活多样、 地形要素的定量或半定量分类识别成为可能等优势，简单介绍了高光谱遥感在国外及国内的 发展情况。在此基础上，概述了高光谱遥感在植被生态、大气科学、地质矿产、海洋、农业 等领域的应用。关键词：高光谱遥感；发展；应用高光谱遥感(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，是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，被称为遥 感发展的里程碑。世界各国对此类遥感的发展都十分重视，随着高光谱遥感技术的日趋成熟， 其应用领域也日益广泛。本文系统地阐述了高光谱遥感及其发展的概况，并简要介绍了高光 谱遥感技术的主要应用。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102入数量级。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。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0nm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。丘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1.22.4rm。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4001050nm，光谱分辨率为210nm，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。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。(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0.450.95rm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。丘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。(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、土壤属性 反演、植被和土地覆盖精细制图、土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化检测、 大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾害评估等等。植被高光谱遥感数据，按获取方式的不同，采用相应的高光谱遥感信息处理技术处理后可用 于植被参数估算与分析，植被长势监测及估产等领域。另外，高光谱的出现使植物化学成分 的遥感估测成为可能。3.2在大气科学研究中的应用高光谱遥感具有非常高的光谱分辨率，它不仅可以探测到常规遥感更精细的地物信息，而 且能探侧到更精细的大气吸收特征。大气的分子和粒子成份在反射光谱波段反映强烈，能 够被高光谱仪器监测。高光谱遥感技术在大气研究中的突出应用是云盖制图、云顶高度与云 层状态参数估算、大气水汽含量与分布估算、气溶胶含量估计以及大气光学特性评价等。 利用高光谱数据，在准确探测大气成分的基础上，能提高天气预报、灾害预警等的准确性与 可靠性。3.3在地质矿产中的应用区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的应用领域之一，也是高光谱遥感应用中最成功 的一个领域。80年代以来，高光谱遥感被广泛地应用于地质、矿产资源及相关环境的调查中。 最近15年来的研究表明，高光谱遥感可为地质应用的发展做出重大贡献，尤其是在矿物识 别与填图、岩性填图、矿产资源勘探、矿业环境监测、矿山生态恢复和评价等方面。（高光 谱遥感能成功地应用于地质领域的主要原因是高光谱遥感有许多不同于宽波段遥感的性质， 各种矿物和岩石在电磁波谱上显示的诊断性光谱特征可以帮助人们识别不同矿物成分，高光 谱数据能反映出这类诊断性光谱特征。随着高光谱遥感地质应用的不断扩展和日益深入，高光谱遥感技术和方法也在不断改进。近 年来在基于高光谱数据的矿物精细识别、高光谱影像地质环境信息反演、基于高光谱遥感的 行星地质探测等方面取得了突出的进展。高光谱遥感在地质成因环境探测、蚀变矿物与矿化 带的探测、成矿预测、岩性的识别与分类、油气资源及灾害探测、高光谱植被重金属污染探 测等方面也有应用。3.4在海洋研究中的应用随着科学技术的发展，高光谱遥感已成为当前海洋遥感前沿领域。由于中分辨率成像光谱仪 具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点，因此已成为海洋水色、水温的有效探 测工具。它不仅可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测，也 可用于海冰、海岸带等的探测。国内海洋遥感应用基础研究主要是一些数学模型的构建。关于如何解决水体的低反射率、大 气对蓝紫波段光谱的散射影响等难题的研究还未涉足。在海洋水质监测应用方面，只有可见 光光谱能够观测水下的状况。另外，陆源污染、海水养殖、滩涂等海岸带典型要素的光谱特 性研究工作也在开展，研究人员以航空高光谱图像为数据源，选取陆源污染、海水养殖、滩 涂为监测要素，进行上述要素的光谱波段敏感性研究，试图获得其探测的最佳波段，并进一 步发展准确、快速识别和探测技术。在海洋表面温度测量、海洋表层悬浮泥沙浓度的定性或 半定量的观测、海洋动力现象的研究等方面都开展了相应的研究。国际上开展的主要研究有:海洋碳通量研究，认识其控制机理和变化规律；海洋生态系统与 混合层物理性质的关系研究；海岸带环境监测与管理。3.5在农业方面的应用高光谱遥感技术的出现拓宽了遥感信息定量获取新领域，逐渐成为农业遥感应用的重要前沿 技术手段之一。农业遥感应用中，充分利用高光谱图谱合一的优点，能够精准监测作物长势， 为精准农业服务，特别是作物长势评估、灾害监测和农业管理等方面。利用高光谱遥感数据 能准确地反映田间作物本身的光谱特征以及作物之间光谱差异，可以更加精准地获取一些农 学信息，如作物含水量、叶绿素含量、叶面积指数（LAI）等生态物理参数，从而方便地预 测作物长势和产量。目前，高光谱遥感技术在农业遥感应用中的研究取得了较大进展，主要研究包括以下方面： 作物叶片光谱特征研究、作物分类与识别、作物生态物理参数反演与提取、作物养分诊断与 监测研究、作物长势监测与产量预测、农业遥感信息模型研究、农业灾害监测。随着精准农业研究的深入，遥感光谱分辨率和空间分辨率的不断提高，今后高光谱遥感在农 业方面的应用从理论走向业务化运作，特别是简单实用的高光谱农学信息提取与农情监测模 型的设计与推广，将成为一个主要发展方向。3.6在其他领域的应用高光谱在其他领域也有广泛应用。如城市下垫面特征和环境，高光谱遥感的发展使得人们有 能力对城市地物的光谱特性进行深人研究，人们用实验室光谱、地物光谱、航空和航天的高 光谱遥感器对城市的光谱进行了一系列的深人分析。研究的内容包括城市地物的光谱特性及 可分性，为城市环境遥感分析及制图提供基础。一些研究人员利用高光谱数据结合光谱检测 算法对城市地物分类进行了研究。在军事领域，最为先进技术，高光谱影像的军事应用主要集中在目标侦察、近海环境监测、 伪装与反伪装和打击效果评估。在土壤质量信息监测方面，高光谱遥感主要用于获取土壤质量信息，如土壤有机质的反射光 谱特征、土壤水分与土壤反射光谱关系、土壤氧化铁的光谱反射特性等。通过对土壤理化性 质与土壤精细光谱信息的定量分析，进行土壤的特性参数评价。4结束语高光谱遥感以其光谱分辨率高、图谱合一的特点受到了国内外研究者的广泛关注。从二十世 纪八十年代开始到现在的二十多年中，无论在成像光谱仪等硬件方面还是在图像处理系统等 软件方面都得到了的迅速的发展。高光谱遥感的发展历史虽然只有短短十年左右的时间但 在很多国家、许多领域已得到了越来越广泛的应用。目前主要应用于植被生态、大气、地质、 海洋、农业等领域。迄今为止，国内外常用的成像光谱仪还是以航空机载的为主，要进入实用阶段，需要由航空 遥感转向卫星遥感。所以，未来携带更高光谱和空间分辨率成像光谱仪的卫星会陆续发射。 当前，面向高光谱遥感应用，发展以地物精确分类、地物识别、地物特征信息提取为目标的 高光谱遥感信息处理和定量化分析模型，提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平，开发 专用的高光谱遥感数据处理分析软件系统和地物光谱数据库仍是高光谱遥感研究的主要任 务，旨在将高光谱遥感更精确地应用于更多更广的领域。参考文献：1 向娟，李钢.高光谱遥感影像管理系统的设计与实现J.现代测绘,2008.31 (2):68.2 姚云军，秦其明，张自力，李百寿.高光谱技术在农业遥感中的应用研究进展J.农业 工程学报,2008,24(7):301 305.3 袁迎辉，林子瑜.高光谱遥感技术综述J.中国水运,2007,7(8):15557.4 娄全胜，陈蕾，王平，张晨，谢健.高光谱遥感技术在海洋研究的应用及展望J.海洋湖沼 通报,2008(3):168172.5 杨国鹏，余旭初,冯伍法，刘伟，陈伟.高光谱遥感技术的发展与应用现状J.测绘通报， 2008(10):1 4.6 魏娜，姚艳敏,陈佑启.高光谱遥感土壤信息提取与挖掘研究J.中国农学通报， 2008,24(10):491 495.7 岳跃民，王克林，张兵，陈正超.高光谱遥感在生态系统研究中的应用进展J.遥感技术 与 应用，2008,23(4):471476.8 李志忠，杨日红，党福星，张显峰，谭炳香,赵慧洁.高光谱遥感卫星技术及其地质应用J. 地质通报,2009,28(23):271277.9 束炯，王强，孙娟.高光谱遥感的应用研究J.华东师范大学学报(自然科学版)， 2006 ：17.