高光谱研究综述

1、浙江师范大学研究生课程论文封面课程名称：遥感理论与技术开课时间： 2014-2015年第一学期学院地理与环境科学学院学科专业自然地理学学号2014210580姓名张 勇学位类别全日制硕士任课教师陈梅花交稿日期2015年1月21日成绩评阅日期评阅教师签名浙江师范大学研究生学院制高光谱遥感应用研究综述张 勇（浙江师范大学 地理环境与科学学院，浙江 金华 321004）摘要：高光谱遥感是近二十年发展起来的谱像和一的遥感前沿技术。虽然发展时间不长，但由于其本身的特点，使其获得了广泛的重视和应用。本文阐述了高光谱遥感的特点、优势，以及在航空及航天领域的发展情况，列举了几种典型高光谱成像仪的光学系统原理和

2、主要技术指标。在此基础上，概述了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产、海洋、军事等领域的应用情况。最后对高光谱遥感发展趋势提出了几点建议，包括低反射率目标遥感、高信噪比、高空间分辨率及宽覆盖范围等方面。关键字：高光谱遥感；应用；成像光谱以；研究综述Conclusion application of hyperspectral remote sensingZhang Yong(Geography and environmental sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004)Abstract: Hyperspectral remot

3、e sensing, developed in the late twenty years, is the advanced technology of remote sensing. Because of its characters, Hyperspectral Remote Sensing has been attached importance to and used widly. The characteristics and advantages of hyperspectral remote sensing, and development situation are prese

4、nted in the fields of aviation and aerospace. Several typical hyperspectral imager optical system principle and the main technical indicators are particularized. At the same time, the applications with hyperspectral remote sensing in vegetation ecology, atmospheric science ,geology and mineral resou

5、rces, marine and military fields are summarized. The suggestions for the future development trend of hyperspectral remote sensing are given in the end，including the remote sensing of low reflectivity target, high signal-to-noise ratio, high spatial resolution and wide coverages. Keywords: hyperspect

6、ral remote sensing；application；imaging spectrometer1 引言遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术，是指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术1。经过几十年的发展，无论在遥感平台、遥感传感器、还是遥感信息处理、遥感应用等方面，都获得了飞速的发展，目前遥感正进入一个以高光谱遥感技术、微波遥感技术为主的时代。本文系统地阐述了高光谱遥感技术在分析技术及应用方面的发展概况，并简要介绍了高光谱遥感技术主要航空/卫星数据的参数及特点。1.1高光谱遥感简介高光谱遥

7、感技术又称为成像光谱技术，是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据2。它是源于多光谱遥感技术，以测谱学为基础在二十世纪八十年代初发展起来的遥感前沿技术。高光谱遥感的显著特点之一是其所提供的高光谱分辨率。过去的多光谱遥感如TM等只能提供7个100-200 nm分辨率的间断波段信息，高光谱遥感则可提供几十数百个10 nm左右分辨率的连续波段信息，使得高光谱遥感有足够的光谱分辨率对那些具有纳米级诊断光谱特性的地表物体进行区分。谱像和一技术是高光谱遥感的另一显著特点。在对目标地物成像的同时，每一个像素都获得了几十至几百个连续光谱的覆盖，使其图像同时具有空间、辐射和波谱的信息。高光谱遥感的

8、出现使遥感领域发生了巨大的变化，大大加快了遥感技术从定性到定量发展的步伐。对高光谱遥感技术的应用也获得了更广泛的重视。目前世界上许多国家都在进行成像光谱卫星、高光谱遥感仪器的研究。如美国EOS计划中已发射升空的MODES卫星，0.4-14um的电磁波谱范围内具有36个光谱通道，EOS-在0.4-2.5um范围内有486个波段;我国也先后研制出了多种成像光谱仪:如在中科院遥感所和上海技物所等单位协助下研制的128个波段的OMIS-、68个波段的OMIS-、71个波段的MAIS , 224个波段的PHI3。1.2高光谱的特点与优势同其它传统遥感相比，高光谱遥感具有以下特点：(1)波段多。成像光谱仪

9、在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。(2)光谱分辨率高。成像光谱仪采样的间隔小，一般为l0nm左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。(3)数据量大。随着波段数的增加，数据量呈指数增加3(4)信息冗余增加。由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。(5)可提供空间域信息和光谱域信息，即“图谱合一”，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。近二十年来，高光谱遥感技术迅速发展，它集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体，已成为当前遥感领域的前沿技术。高光谱遥感的成像光谱仪具有光谱分辨率高(5-10 nm)，光谱范围宽(0

10、. 4 um -2. 5 pm)的显著特点，可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息，所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线，光谱的覆盖范围从可见光、近红外到短波红外的全部电磁辐射波谱范围。高光谱数据是一个光谱图像的立方体，其空间图像维描述地表二维空间特征，其光谱维揭示图像每一像元的光谱曲线特征，由此实现了遥感数据图像维与光谱维信息的有机融合4。高光谱遥感在光谱分辨率方而的巨大优势，使得空间对地观测时可获取众多连续波段的地物光谱图像，从而达到直接识别地球表而物质的目的。地物光谱维信息量的增加为遥感对地观测、地物识别及地理环境变化监测提供了更充分的光谱信息，使传统的遥感数据目标识别

11、和分析方法发生了本质的变化。根据高光谱遥感仪器光机扫描方式的不同，可将成像光谱仪分为掸扫型、推帚型和凝视型5。根据分光方式的不同，光谱成像仪又可分为色散型、干涉型和计算层析型三大类型6。2高光谱遥感技术发展现状高光谱遥感技术是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术，技术成果主要表现为成像光谱仪研制、高光谱影像分析两方面1-5。2.1国外的成像光谱仪研制情况由于高光谱遥感在地物属性探测方面的巨大潜力，成像光谱技术得到了普遍重视5-6 。 (1)机载成像光谱仪1983年，第一幅高光谱影像由美国研制的航空成像光谱仪(AIS1)获取，标志着第一代高光谱成像

12、仪的面世。1987年，美国宇航局(NASA)喷气推进实验室(JPL)研制成功航空可见光红外成像光谱仪( AV IRIS，这标志着第二代高光谱成像仪的问世。进入20世纪90年代，许多国家开始从事成像光谱仪研制，具有代表性的机载成像光谱仪如表1所示。表1 国外主要的机载成像光 (2)星载成像光谱仪 在航天领域，由美国喷气推进实验室研制的对地观测计划中的中分辨率成像光谱仪(MODIS)，随TERRA卫星发射，成为第一颗在轨运行的星载成像光谱仪，从2000年开始向地面传送图像。到目前为止，已发射的具有代表性的星载成像光谱仪如表2所示。2000年，NASA发射的EO-1卫星上搭载的高光谱成像仪(Hype

13、rion)，地面分辨率为30 m,已在矿物定量填图方面取得了很好的应用效果。2002年美国的海军测绘观测(NEMO)卫星携带的海岸海洋成像光谱仪(COIS)具有自适应性信号识别能力，满足军用和民用的不同需求。另外，2007年6月交付美Kirtland空军基地的高光谱成像传感器将通过TacSat-3卫星载入太空。目前，许多国家都在积极研制自己的高光谱传感器，已明确有发射计划的有德国环境监测与分析计划的EnMAP只南非的多传感器小卫星成像仪MSMI和加拿大高光谱环境与资源观测者HERO。表2国外主要的星载成像光谱仪2.2国外的高光谱影像分析技术的研究现状在成像光谱仪快速发展的同时，地物光谱数据库、

14、高光谱影像分析技术研究也得到了迅速发展。地物光谱数据库技术方面，以美国最为先进，有代表性的主要有JPL标准波谱数据库、USGS波谱数据库、A STER波谱数据库和IGCP-264波谱数据库6。此外，美国空军部门和环保局针对大气污染和空气成分的诊断建立了AEDC /EPA光谱数据库，并针对美国海军研究室研制的HYDICE成像光谱仪建立了森林高光谱数据库等。部分其他国家也展开了光谱数据库技术研究和建设工作，如英国在20世纪90年代初针对海水颜色研究建立了海水光谱数据库。 美国国家航空航天局(NASA )、欧洲航天局(ESA)、日本国家空间发展局(NASDA)和大学及研究所都有专门的高光谱影像应用分

15、析的研究机构7国外商业遥感图像处理系统，相继增加成像光谱数据处理模块，其中具有代表性的有RSI公司的ENVI, PCIGeomatics公司的PCI, MicroImages公司TNT-mips等。2.3国内高光谱遥感技术发展现状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(C-HRIS)和西安光机所研制的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪(SLPIIS) 。中科院

16、上海技术物理研究所研制的中分辨率成像光谱仪(CMODIS)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500 m。 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 95 um波段，平均光谱分辨率为

17、5 nm，地面分辨率为100 m。 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10 000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”

18、技术的链接。3高光谱遥感的应用领域随着高光谱遥感技术的发展，光谱分辨率和空间分辨率越来越高，高光谱遥感在越来越多的领域得到广泛的应用。3.1在植被及农业研究中的应用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、植被长势监测等领域。高光谱的出现使精准农业成为可能，利用高光谱图谱合一的优点，能够精准监测作物长势，特别是作物长势评估、灾害监测和农业管理等方而，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、叶而积指数等生态物理参数，从而方便地预测作物长势和产量。1995年12月，

19、中国科学院遥感应用研究所与国外合作开展了湿地植被高光谱遥感监测实验。实验中采用模块化航空成像光谱仪(MAIS )，在研究区选择了典型地物类型进行野外调查、采样分析和野外准同步光谱测量，同时制作了研究区内极为详细的植被分类图9。浦瑞良和宫鹏使用多元统计和光谱导数技术评价小型机载成像光谱仪(CA-SI)数据估计冠层生化浓度的潜力和效率10。童庆禧等人在鄱阳湖湿地建立了植被因子与生物量之间的经验模型，并对研究区进行生物量制图11。Pabl等用高光谱遥感分析了叶绿素荧光效应，认为荧光效应的存在为生化物质尤其是叶绿素含量的遥测提供了一种可能12。张霞等利用实用型模块化成像光谱仪(OMIS)在北京小汤山地

20、区获取的航空高光谱遥感图像，运用红边、光谱吸收特征分析方法和逐步回归算法，进行了从高光谱遥感图像直接获取小麦氮含量的方法探索和可行性研究13。3.2在大气环境研究中的应用大气中的分子和粒子成分如水汽、二氧化碳、氧气、臭氧、云和气溶胶等在太阳反射光谱中反应强烈。波段很窄的高光谱能够识别出由于大气成分的变化而引起的光谱差异，探测到更精细的大气吸收特征。大气环境应用主要有两方而：一方而，测定地球大气中温室气体含量，如CO2, O3 ,CH4及污染气体成分；另一方而，进行大气温度和水气垂直分布的确定、大气过程研究、地球表而成分分析等，以气象应用为主。大气探测对光谱分辨率要求较高，高光谱遥感优势明显。A

21、nne等利用航空成像光谱仪(AVIRIS)中心在1. 03um的波段与冰雪颗粒关系进行冰雪颗粒填图14。在大气监测领域，从20世纪末至今，国际上已经研制多颗高光谱遥感卫星用于气体成分及温室气体探测，如搭载地球观测系统EOS上的大气红外探测仪AIRS，欧空局ENVISTA-1卫星上的大气痕量气体扫描成像光谱仪SCIAMACHY ,加拿大SCISAT-1微小卫星上的大气化学试验傅里叶变换光谱仪ACE-FTS，日本UOSAT卫星搭载的温室气体观测探测器TANSO，以及发射失败的美国NASA研制的天基大气CO2观测专用卫星OCO等。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

22、域之一，也是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。高光谱遥感在地质应用中主要体现在矿物识别与填图、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。谢红接等运用中国科学院上海技术物理所研制的模块式航空高光谱(MAIS)影像数据，提取了该区的铀矿特征信息(如蚀变、矿化等)，为高光谱图像的地质应用奠定了基础14。张宗贵等利用机载可成像光谱仪(HyMap)数据，开展了基于地物光谱特征成像光谱遥感矿物识别方法研究，有效地填绘出了这些矿物在该航带上的分布情况15oChabrillat等利用辉石在lpm附近的电子跃迁吸收，用航空高光谱数据进行地质填图和岩石鉴别16。随着高光谱遥感地质应用不断扩展

23、和日益深入，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而也取得了突出的进展。3.4在海洋研究中的应用海洋资源是重要的自然资源，高光谱遥感是当前海洋遥感的前沿领域。通过高光谱遥感，可以了解海洋的生态环境、海洋的温度变化、叶绿素分布、河口海岸的泥沙含量等。目前，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而，只有可见光光谱能够观测水下的状况，利用成像光谱技术可以观测到海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况。国际上主要涉及海洋碳通量

24、研究、海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究以及海岸带环境监测与管理等方面。 1991年，中科院遥感应用研究所利用MAIS成像光谱数据，制作了澳大利亚达尔文市海水叶绿素浓度分布图17。加拿大的Holden和Ledrew等进行了珊瑚礁的高光谱识别的探索研究，研究认为高光谱技术能精确识别珊瑚并监测珊瑚的健康状况的变化18。3.5在军事侦察中的应用 在军事侦察领域，根据目标与伪装材料不同的光谱特性，利用高光谱遥感可以进行伪装识别。高光谱遥感不但可探测目标的光谱特性、存在状况，还可用于物质成分分析，从而可采集工厂产生的烟雾，直接识别物质成分，调查武器生产，适合于生化战争中的监视。海军作战应用方而可进行

25、探测海水透澈度、海洋深度、水下不明物、海流、油泄漏、海底类型、海洋大气能见度、潮汐、生物发光、海滩特征、纵向大气中水汽总量和次见度卷云等，对联合攻击和联合海岸区战争提供支持19。4结束语高光谱遥感作为一门新兴的传统遥感发展的前沿技术，尽管在理论基础、方法手段上仍有不少稚嫩的地方，但从二十世纪八十年代开始到现在的二十多年中，这门科学技术还是得到了迅速的发展，目前主要应用于对农业、地质、环境、城市、军事等领域各种目标地物的识别、分类及定量化研究，尤其在地质找矿、植被调查等方面获得了较为成熟的应用。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

26、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。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，这是传统的遥感技术无法比拟的。高光谱遥感的这些特点，使得对地物的分类识别，物化信息的提取和预测的广度、深度和精度被大大提高，遥感技术从定性为主向更高精度的定量遥感的发展。同时其所拥有的巨大的信息量，为其向更广领域的拓展提供了巨大的潜力。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

27、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。综上所述，高光谱遥感的应用将会在更多更广的领域中发挥越来越重要的作用。 参考文献:1梅安新，彭望绿.遥感导论区M.高等教育出版社，2001.2浦瑞良，宫鹏.高光谱遥感及应用M.北京:高等教育 出版社，2000.3王长耀，牛锋、唐华俊.对地观测技术与精准农业M.北京:科学出版社，2001.4张良培，张立福.高光谱遥感区M.武汉大学出版社，20055张卡，盛业华，张书毕.遥感新技术的若干进展及其应用J.遥感信息，2004 , (2); 58-62.6肖松山，范世福，李晌，等.光谱成像技术进展J.现代仪器，2003, (5); 5-8.7马玲，崔德琪，王瑞，等.成像光谱技术的研究与发展J.光学技术，2006, 32(Suppl. ); 573-576.8崔廷伟，马毅，张杰.航空高光谱遥感的发展与应用J遥感技术与应用，2003, 18(2); 118-122.9浦瑞良，宫鹏.森林生物化学与CAST高光谱分辨率遥感数据的相关分析J遥感学报，1997,1(2):5-23.10童庆禧，郑兰芬，王晋年，等.湿地植被成像光谱遥感研究J遥感学报，1997, 1(1), 50-57.11Pablo J，John R. Chlorophyll