高光谱遥感技术与应用讲座课件

高光谱遥感技术与应用田庆久tianqj@）

南京大学国际地球系统科学研究所2010年1月15日---高光谱遥感讲座---引言基本概念

优势与局限遥感器发展

遥感成像方式处理与分析技术应用领域应用示例展望目录一、引言遥感对地观测技术已从可见光发展到红外、微波，从单波段延伸到多波段、高光谱、多极化、多角度，从空间维拓宽到光谱维；从定性发展到定位、定量，从分散发展到集成，一个多层、立体、多角度、全方位和全天候的对地观测网正在形成。近10年中，高、中、低轨道结合；大、中、小卫星协同；粗、中、细、精分辨率互补的全球综合信息网络系统已具雏形。空间遥感器系统也变得日趋复杂，向具有更高空间分辨率、光谱分辨率、高时间分辨率和辐射分辨率，以及具有偏振（极化）信息提取能力和多时相、多用途的方向发展。遥感技术已成为一种满足持续发展过程中连续、动态、不同尺度、不同精度和不同层次的信息需求的必要手段。应用愈加广泛和深入。资源、环境、生态、矿产、农业、城镇、全球变化以及军事等。

★Landsat类资源卫星探测器为多波段扫描辐射计，可见光和近红外波段分辨率为5～30米。包括美国的陆地卫星系列、法国的SPOT卫星系列、印度的IRS卫星系列、日本的ALOS系列以及俄罗斯的RESURS01系列等。★高分辨率类资源卫星卫星较小，遥感探测器单一，成像空间分辨率高，其全色波段分辨率为1～5米，有的还优于1米。该类卫星主要有美国的EarlyBird系列、QuickBird系列、Orbview系列、Ikonos系列以及以色列的EROS系列等。★高光谱类资源卫星采用高光谱分辨率成像光谱仪，波段数为36～256个，光谱分辨率5～10nm，空间分辨率为30～1000米。该类卫星有美国的EO-1、Lewis、ASTER、EOS-AM/PM等。★雷达卫星类遥感探测器采用合成孔径雷达，可用于海洋和陆地探测，目前民用星载雷达的空间分辨率为10～30米。该类卫星有加拿大的Radarsat系列、欧空局的ERS系列、ENVISAT系列以及日本的JERS-1卫星等。中国资源调查对资源卫星的重大需求分析★基础地质调查

★土地资源调查和管理◆1:25万区域地质调查◆土地利用动态遥感监测◆1:5万专题调查◆土地利用基础图件与数据更新◆水文地质与环境地质调查◆生态环境遥感监测★矿产资源勘查评价

★数字国土工程◆油气和固体矿产资源勘查评价◆基础地学数据库建设◆地下水资源勘查评价◆西部生态环境动态监测系统建设◆矿山开发环境监测◆省级国土资源遥感综合调查★地质灾害监测与预警◆县市地质灾害调查与防治区划◆三峡地质环境综合评价与监测预警系统建设◆重点地区缓变性地质灾害的预测预警◆全国重大地质灾害监测网站和预警分析系统建设★基础测绘

光谱学（spectroscopy）：是专门研究高精度光谱数据的一门科学。经典光谱学源于IsascNewton（1642-1727）的棱镜分光实验，在这一实验中，通过棱镜把可见光分成了单色光的光谱。后来，另一位名叫WilliamWollaston（1766-1828）的英国物理学家注意到了，当光投影到一个狭缝时产生的暗线。德国的JosephFraunhofer（1787-1826）在太阳和其它星体的光谱中也观察到了明显的线特征。发现

暗线是辐射穿过低温气体时形成的吸收光谱；亮线是热气体（例如，太阳大气）的发射辐射形成的发射光谱。这些线，不管是暗线还是亮线，都源于气体中的化学元素。这一发现被天文学家用来研究分析不同星体在化学元素上的差异。丹麦物理学家NeilsBohr（1885-1962）指出，Fraunhofer线的特征最终是由气体中原子的结构所决定的。分为原子光谱、分子光谱、固体（晶格结构）光谱。

成像光谱学（imagingspectroscopy）：是在八十年代开始建立的，在传统光谱学基础上，将传统的光谱学和成像技术结合起来，在电磁波的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。这种技术设计出的新型遥感仪器，叫成像光谱仪（imagingspectrometer）。成像光谱仪通常以上百个光谱通道连续记录影像数据。高光谱分辨率成像光谱遥感（HyperspectralRemoteSensing）:将成像光谱技术应用于遥感，对于一个给定的观察区域中的像素，足以从这些探测的数据中获取所对应地物的精细光谱特性，通过分析处理，实现对地物的鉴别及其环境的分析。围绕成像光谱仪所获取数据及其分析处理方法和应用的研究，已形成为遥感中的一个独特领域。由于与常规的多光谱遥感（multispectralremotesensing）相比，成像光谱数据具有通道数量多、光谱分辨率高的显著特点，所以，人们把由此产生的遥感领域称作为高光谱遥感(hyperspectralremotesensing)。与此相对应，有时称常规遥感为宽波段遥感（broad-bandremotesensing），以示区别。特点：光谱分辨率高(

×10-2)波段多

数十到数百（800），波谱范围大（从紫外到热红外）谱

像合一的特点信息量大，一次数据获取达千兆(GB)级数据传输速率高，数十

数百兆比特/秒能力：能获取地物目标的精细光谱特征综合地面目标的空间维、时间维、光谱维特征探测各种目标的成分属性及有机目标的状态属性优势：有利于利用光谱特征分析来研究地物有利于采用各种光谱匹配模型有利于地物的精细分类与识别应用领域：各种需识别地面目标的领域地质、农业、城市、环境、军事、太空与行星探测高光谱遥感主要特点许多地物在可见光至热红外波段内都具有与它们组分有关的光谱吸收特征，而且许多地物的光谱吸收特征具有专一性。矿物中的OH―、CO3=、SO4=及H2O等离子成分在可见至热红外波谱范围内具有强烈吸收特征；植被在0.7μm处的红边存在10—40nm的位移变化而指示一定的环境效应；土质中含较高浓度Cu、Zn等重金属元素可引起植被红边向短波方向移动。而这些精细的光谱特征只有传感器光谱分辨率具有高于10nm灵敏度时才能测到。遥感信息产生机理图典型地物波谱特性应用高光谱遥感技术对地面物体进行探测，是以各种物体的电磁辐射的反射、透射、吸收和发射特征为基础的。地球表面物体由于其电子，离子、分子以及晶体的振动和转动等物理过程而具有光谱特性。不同的地物由于其组成成分、内部结构和表面状态以及时间、空间环境的不同，它们辐射、反射、吸收和透射电磁波的性能也不同。太阳大气层遥感器吸收角散射天空漫射辐照地气耦合环境反射辐射路径辐射散射目标辐射目标反射透射辐射1.大气-遥感器2.太阳-大气-目标-大气-遥感器3.大气-目标-遥感器4.环境-大气-遥感器5.环境-大气-目标-大气-遥感器

目标环境遥感信息传输过程入瞳辐射扫描系统成象光学探测器电子系统A/D转换DN输出传感器系统滤波或色散元件平台姿态与运动高光谱遥感器接收到入瞳辐射后通过探测器产生电信号，在经过增益和模数转换（A/D）产生遥感影像数值（DN）。遥感器的空间响应、光谱响应和辐射响应决定了输出图像的信息特征。进入传感器的辐射量通过光学系统后，由分光器件分成不同的光谱段后到达探测器焦平面转换为测量值。该测量值的大小直接与探测器的光谱响应率相关，从而又与光学系统的透过率和探测器的光谱灵敏度相关联。遥感信息成像机理WIS（WedgeImagingSpectrometer）:光锲型成像光谱仪,分光系统由一块或数快锲型虑光片直接覆盖在面阵探测器上形成.光谱范围400-2500，正常使用有170，如果使用全部锲型虑光片，可以达到800多个波段。高光谱遥感：

即高光谱分辨率成像光谱遥感，是基于高光谱分辨率超多波段遥感图像与光谱合一的特点，利用地表物质与电磁波的相互作用及其所形成的光谱辐射、反射、透射、吸收及发射等特征研究地表物体（包括大气），识别地物类型，鉴别物质成分，分析地物存在状态及动态变化的新型光学遥感技术。

多光谱遥感（MultirspectralRemoteSensing），光谱分辨率为波长的1/10数量级范围（几十个至几百个nm）；

高光谱遥感（HyperspectralRemoteSensing）,光谱分辨率为波长的1/100数量级范围（几个nm）；

超光谱遥感（UltraspectralRemoteSensing），光谱分辨率为波长的1/1000数量级范围（0.2-1nm）。二、高光谱遥感基本概念不同遥感器波段对比TM通道参数TM通道响应函数

TM的多光谱波段特点2160-2220nm矿物的精细光谱特征高光谱遥感信息特征高光谱遥感影像包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息，即能表现地物空间展布的几何影像特征，又可以表现像元尺寸地物目标的辐射亮度和光谱信息。地物空间、辐射、光谱信息特征合一是高光谱遥感信息的最主要特点。（波段多；数据量大；图-谱合一）通过遥感信息反演技术可从连续光谱段高光谱遥感影像中任一像元或相临像元组合获得类似实验室测量的相应地物光谱曲线，通过与实验室光谱匹配技术实现地物的计算机自动识别，这是多光谱遥感信息所不能具备的特有能力。

巨大的数据量和信息量是高光谱遥感信息的又一主要特点。假如一个有100个通道、地面分辨率为25米、图像幅宽100公里的高光谱遥感器作业，当卫星在地球轨道上以7.5公里/秒的速度运动时，每秒中采集的总像元数目为1.2×108个。如果每一像元的辐射量化为8bit，则一景影像信息为8×1.2×108

bit,即每秒中约1Gbit。如此大的数据量为数据传输容量和信息处理技术速度提出更高的要求，推动者数据压缩技术的发展。

高光谱遥感信息所表征的辐射量化一般为12bit，即4096个灰阶。为了能够测量到一定波长的辐射变化，辐射量化有时调整为8bit或者16bit。高光谱遥感连续窄波段影像信息间相关性强，因而大多数用户根据实际应用需要对遥感器记录的光谱信息进行重采样，同时减少数据量。高光谱分辨率遥感可探测到地物的精细光谱特征，光谱分辨率的确定面向众多用户，光谱分辨率高于10纳米的遥感器主要面向陆地应用，而低于10纳米的遥感器主要面向水体和大气应用。同时应注意到在多光谱遥感中可忽略的大气微量吸收带可能对窄谱段的高光谱遥感某一波段信息产生很大的不利影响。

高光谱遥感信息的图像立方体表达形式是一种新型的数据存储格式，其正面图像是由沿飞行方向的扫描线合沿扫描方向的像元点组成的一景优选的三波段合成的二维空间彩色影像；其后面依次为各单波段的图象叠合，其数据量为所有波段图像的总和；位于图像立方体边缘的信息表达了各单波段图像最边缘各像元的地物辐射亮度的编码值或视反射率。优势1：充分利用地物波谱信息资源三、高光谱遥感技术优势与局限性图不同波谱分辨率对水铝反射光谱曲线优势2：利用波形/精细光谱特征进行分类与识别地物ParagoniteMuscovitePhengite三种类型的白云母精细光谱特征Al-OH岩石的光谱发射率特征优势3：利用图-谱实现自动识别地物并制图

局限1：海量数据的传输、处理与存储

128波段的OMIS:采集数据速率60Mb/s；400Mb/km2局限2：易受大气的影响局限3：波段间相关性强70年代末，美国加州理工学院喷气推进实验室（JPL）学者提出（Goetz）。Colins,张圣辉。1983年，世界上第一台成像光谱仪问世，AIS-1（AirborneImagingSpectrometer）问世，64波段。

1987年，航空可见光/红外成像光谱仪AVIRIS，224波段1999年12月8日，第一台星载中分辨率成像光谱仪MODIS升空；2000年第一台星载高分辨率成像光谱仪HYPERION升空。1991年，中国第一台航空成像光谱仪（MAIS）运行2002年3月中国星载中分辨率成像光谱仪CMODIS升空；美国、加拿大、中国、澳大利亚、德国、法国。四、高光谱遥感器的发展第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪AIS(AirborneImagingSpectrometer)，64个通道，光谱覆盖范围从990nm-2400nm,光谱分辨率9.3nm。第二代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪AVIRIS(AirborneVisible/InfraredImagingSpectrometer)，224个通道，光谱范围410nm-2450nm，光谱分辨率10nm。220波段的星载HYPERION（2000年E0-1卫星携带升空）第三代成像光谱仪为傅立叶变换高光谱成像仪（美国2000年7月MiSat-II卫星携带升空）FTHSI(FourierTransformHyperspectralImager)，256个波段，光谱范围400nm-1050nm，光谱分辨率2-10nm。（美著名遥感学家、高光谱遥感创始人GOETZ教授在南大讲学）美国：AIS，AVIRIS、WIS（812波段）、PROBE、TEEMS、MODIS、Hyperion、FTHSIAHI（256个热波段）、SEBASS（242个热波段）澳大利亚：Hymap、ARIES、TIPS（100个热波段）加拿大：CASI德国：ROSIS法国：IMS

芬兰：AISA

欧空局：CHRIS（2000年10月22日PROBA小卫星）日本：GLI中国：MAIS、PHI、OMIS-1（10个热波段）、CMODIS（神舟III号）、Env-DD（环境灾害小卫星）典型的高光谱遥感器

HYMAP主要性能指标

PHI主要性能指标中国128波段航空成像光谱仪（OMIS-1）

OMIS-I

OMIS-II总波段数12868光谱仪光谱范围μm光谱分辨率nm波段数光谱仪光谱范围μm光谱分辨率nm波段数0.4-1.110640.4-1.110641.06-1.7040161.55-1.7512.0-2.515322.08-2.3513.0-5.025083.0-5.018.0-12.550088.0-12.51瞬时视场(mrad)

3

1.5/3可选总视场（º）

>70扫描率（S/s）

5、10、15、20可选行像元数5121024/512数据编码（bit）12探测器SI、InGaAs、InSb、MCT线列Si线列、InGaAs单元、InSb/MCT双色美国220波段卫星成像光谱仪（Hyperion）表Hyperion主要技术参数欧空局Proba卫星CHRIS多角度观测多角度紧密型高光谱仪五个观测角度的高光谱图像：0°，

±36°，

±55°CHRIS共有五种可选择模式：

MODE1:411nm-997nm,34米,62波段

MODE2:411nm-1019nm,17米,18波段,水质遥感

MODE3:442nm-1019nm,17米,18波段,陆地遥感

MODE4:489nm-792nm,17米,18波段,植被遥感

MODE5:442nm-1019nm,17米,37波段,陆地遥感光谱范围:0.4－1.05

m；光谱分辨率：6－33nm；扫描带宽：13km；平台高度：695km；空间分辨率17米/34米大气成分的卫星高光谱遥感发展光谱分辨率提高：从滤光片分光器->光栅分光器探测方式变化：从星下点->多种探测方式探测气体的种类增多：从O3->几十种大气成分2002年3月1日欧空局(ESA)发射的ENVISAT-1上装载了多台大气化学成分测量仪器，其中三个主要探测器GOMOS、MIPAS、SCIAMACHY通过对大气吸收光谱、大气发射光谱以及恒星光谱测量，探测大气臭氧层、温室效应示踪气体和气溶胶浓度分布，可研究多种大气痕量气体包括H2O、CH4、N2O、HNO3、CFC等的成分变化及其对辐射收支和大气状态参数的影响加拿大于2003.08.13发射的SCISAT-1上搭载了红外高光谱探测器ACE-FTS

，观测气溶胶的组成，密度和大小以及痕量气体如O3,H2O,NO,NO2的垂直廓线2004年7月15日，NASA发射的Aura地球观测系统卫星携带了4个大气探测器:臭氧监测仪(OMI)、微波分支探测仪(MLS)、高分辨动力分支探测仪(HIRDLS)和对流层发射分光仪(TES)。其中OMI可以逐日获得全球低层臭氧和其它影响空气质量的污染物的分布，并可将结果以空前的空间分辨率传输，为科学家对影响平流层臭氧层与气候的物理和化学过程提供新的认识途径，有助于科学家监测全球污染的产生和重新认识气候变化将怎样影响平流层臭氧层的恢复2006年ESA发射的首个极轨气象卫星平台MetOP，载有12个用于大气探测的传感器，其中GOME-2可以每天一次提供全球范围的臭氧和其他痕量气体廓线；IASI是一个高光谱分辨率的（0.5cm-1）傅立叶转换光谱仪，使用星下点观测方式探测地表的热红外发射辐射获得对流层和同温层的化学成分的分布美国宇航局(NASA)的新千年计划(NMP)中EO-3卫星，搭载了地球同步红外成像傅立叶变换光谱仪(GFITS），可以长时间的以高分辨率探测固定区域的大气水汽、温度廓线、CO和O3等大气痕量气体五、高光谱遥感成像方式线性扫描（单探测元件）掸扫式（线列探测元件）推扫式（阵列探测元件）光谱空间交叉式（阵列探测元件）光程差扫描方式（阵列探测元件）图光学遥感器工作原理（a）掸扫式扫描

(b)推扫式二维阵列掸扫型推帚型线性扫描方式：使用单个探测元件扫描得到整景影象。掸扫式扫描（线性探测器+光机扫描型）：使用几个沿航向排列的探测元件获取平行扫描线组，目前波段全，使用性强仪器多属此类，如AVIRIS、Deadalus系列，MAIS、OMIS以及

MSS、TM、AVHRR、“风云”气象卫星等。

优点：空间扫描通过扫描镜摆动在物方面完成，总视场角大(可高达90o

)，像元配准好，不同波段在任何时候都凝视同一像元，光谱覆盖范围宽(从可见光一直到热红外波段)，在10-20nm光谱分辨率的情况下，其辐射分辨率基本能够满足。

缺点：由于光机扫描，每个像元凝视时间短，进一步提高光谱分辨率和辐射灵敏度比较困难。推扫式扫描（面阵探测器+空间扫描型）：二维面阵列探测器，一维可用作光谱仪，另一维则为一线性阵列，以推扫的形式，图象一次建立一行而不需要移动元件。目前可见光、近红外波段此类仪器较多。如：，AIS-1，AIS-2，CASI，HYDICE（210个波段）、PHI以及SPOT/HRV。

优点：空间扫描由器件的自扫描完成，像元凝视时间长，可提高系统的灵敏度或者空间分辨率，可见光波段器件成熟，光谱分辨率可达到1-2nm；由于记录每行数据的探测元件间有固定关系，且它消除了因扫描过程中扫描镜速度变化所引起的几何误差；由于CCD是固态微电子装置，体积小、重量轻、能耗低。由于没有光机扫描仪的机械运动部件，线性系统稳定性好，结构的可靠性高，使用寿命长。

缺点：大量探测器之间灵敏度的差异，会产生带状噪声；CCD短波红外灵敏度低，热红外暂时不可能感应；总视场一般不如光机扫描仪；由于光学设计上的困难，总视场只能达到30度左右。光谱、空间交叉型扫描仪：光谱维的扫描由旋转滤波片轮的转动或用渐变滤波片完成。如美国的WIS。

优点：设计简单，实现容易。

缺点：光谱不是同时记录，图象配准较困难。光程差扫描方式（傅里叶干涉光谱扫描型）：各光谱波段是分时获得，光谱维扫描由傅里叶光谱仪（或声光调制器）完成。还处于实验阶段，如美国国防部等单位研制的傅里叶变换可见光光谱成像仪（FTVHIS），在440-1150nm光谱区间由256个波段，光谱分辨率为0.6nm，空间分辨率达0.6mrad。前景诱人。

优点：系统的集光能力比色散型高一数量级，且具有高信噪比。

缺点：要求极高精度的光学设计和装校。图-谱转换技术

光谱特征参数定量分析技术（ContinuumRemoval）；光谱匹配技术（二值编码）（SpectralMatching）；微分（导数）光谱技术（DerivativeSpectral）；混合光谱分解技术（SpectralUnmixing）；光谱角度制图技术（SAM）六、处理与分析技术（1）图-谱转换技术

遥感信息定量化：是指从不同波段内的遥感信息中给出地表物质（或大气）定量的物理量，再通过实验的或物理的模型将其信息与地学（或大气）参数联系起来，定量地反演或推算研究目标的某些特征参量。定标、大气订正、反演是定量化研究的三个主要方面。定标（前提）；大气订正（必要条件）；反演（目的）对高光谱遥感而言：一般是将高光谱辐射亮度图像转换为反（发）射率图像，以此为基础进行地物的识别和定量化分析研究。即通过光谱重建、图-谱合一技术特点，可将重建地物光谱与标准波谱数据库波谱数据进行计算机自动匹配和识别，实现自动解译的目的，提高解译精度。大气影响表现：（1）由于大气散射和吸收，从大气层进入的太阳辐射没有全部到达地面，从地面目标反射的辐射也只有部分进入遥感器；（2）没有到达地面的太阳辐射却因大气散射有部分进入遥感器；（3）目标周围地物的反射辐射因大气散射也有部分进入遥感器；（4）大气散射的向下辐射（后向散射）对地物和目标又形成了附加的光照（临边效应）；（5）地形、双向反射因素也对遥感数据造成不同程度的影响。反射率图像反演方法：（1）基于大气辐射传输模型法；

（2）基于经验模型法；（3）基于图像特征信息法；（4）基于图象自身信息法。

大气订正模型：6S、MODTRAN、FLAASH、ACTOR、航空高光谱遥感飞行设计图航空飞行外定标场地选择(1)定标点的面积应足够大，最好有10×10个像元的面积，以便于与图像匹配，同时减少地面背景的影响；(2)定标点应为均质、平坦体，具有良好的朗伯特性，避免受入射角的影响，对水体测量避免镜向或逆镜向反射的发生，同时减少地形坡度因素的影响；(3)定标点地物反射率应相对比较稳定；(4)所选择的不同定标点的反射率或辐射亮度分布能覆盖成像光谱数据中的高、中、低灰度的动态范围；(5)若考虑到同时用经验线性法，定标点选择的个数要适中（最好7个以上），定标点过少会导致回归议程的置信度下降，过多又带来测试及计算工作量太大；(6)定标点应尽量选择在机下点，以避免成像光谱遥感数据的几何和辐射畸变处理带来的麻烦；(7)应注意大气状态的稳定性和均匀性以及避开云的影响。航空高光谱遥感试验研究流程（2）光谱特征参数定量分析技术不同水分含量的叶片的光谱反射率

RWC(%)=24.5+7.13*面积(R2=0.845)岩矿光谱分类与识别岩石和矿物2.15-2.31微米粘土矿2.31-2.35微米碳酸盐2.24-2.31微米Mg-OH2.15-2.19微米叶蜡石2.19-2.24微米Al-OH对称性>1滑石对称性<12,31-2.34微米对称性>1对称性<12,38-2,40黑云母2,15-2,19高岭石蒙脱石2,31-2.34绢云母有：绿高岭石

无：绿泥石（无）伊利石2.34-2.36白云母2.31-2.33蛇纹石方解石白云石菱铁矿（3）光谱匹配技术（二值编码）（4）微分（导数）光谱技术光谱微分技术就是通过对反射光谱进行数学模拟，计算不同阶数的微分值，以提取不同的光谱参数。应用光谱微分技术能够部分消除大气效应、植被环境背景（阴影、土壤等）的影响，以反映植物的本质特征。所得的数据，可以用于植被生物化学信息的提取。不同研究者提出的植被指数可以认为是反映波形形态变化的反射光谱的n阶导数，而这种光谱的n阶导数实质上表达了植被叶绿素、水、氮等生物化学元素吸收波形的变化，是这些吸收物质的丰度与状态的光谱指标。植被/土壤原始光谱曲线植被/土壤一阶微分光谱曲线（5）混合光谱分解技术凸面几何光谱分解模型

N个光谱通道表示N维光谱矢量空间；任一最终象元（Endmember）的光谱值可在N维光谱空间上用一个点表示例如：A、B、C三目标的最终象元光谱可在二维空间上表示，并可建立一个三角形二维平面矢量三角型FA=100%FA=75%FA=50%FA=25%FA=0%CH2CH1ABCpp1p2p3p4（6）光谱角度制图技术CH1CH2参考光谱目标光谱原理：对每个象元，寻找与它夹角最小的终端单元。这一算法是通过计算波谱间的角度（将它们处理为具有维数等于波段数的空间矢量），判定两个波谱间的类似度。

将终端单元波谱矢量和每一个像元矢量放在n维空间比较角度，较小的角度代表与参照波谱匹配紧密。远离指定的弧度阈值最大角度的像元被认为无法分类。分类前分类后七、主要应用领域地质岩性分类蚀变矿物识别矿物成分计算高光谱植被指数植被生化成分估算土壤水分量估算光合有效吸收估算植被压抑监测模型大气污染成分监测大气水分含量估算水质污染度监测叶绿素量估算悬浮质量估算地质勘探植物生态调查高光谱遥感应用水质监测大气环境评价军事应用反伪装目标侦察战场环境的检测军事目标的识别

许多含有Fe2+、Fe3+、CO3-、OH-等离子和分子基团的矿物质具有其固有的特征谱。高光谱遥感技术通过对地表矿物质识别用于寻找矿产资源，尤其对热液蚀变矿床的勘探最为有效，并用于地球化学填图和地质制图。

1.高光谱遥感用于地质岩矿识别图美国内华达地区AVIRIS高岭石等矿物识别新疆哈密地区Hymap图谱信息特征提取与岩性识别能力

(安山岩、花岗岩、土壤、河滩地、角闪岩）

B9/B6（R）、B9/B12（G）、B9/B14（B）假彩色合成影像（红色区域为角闪片岩，Fe2+含量高；绿色部分含为龟裂土，Al-OH含量高；蓝色区域Mg-OH含量高）新疆哈密Hymap比值分析与地质岩性信息提取

B6（1000nm）可用来提取Fe2+信息

B9(1700nm)波段熵值高，信息量丰富，无吸收峰

B12(2206nm)可用来提取Al-OH信息

B14位于2320nm可用来提取Mg-OH信息a-Calcite(方解石)b-Chlorite(绿泥石)的

c-Muscuvite(绢云母)的

图新疆哈密地区HYMAP等矿物提取N5kmRed:kaolinite,Bluee:

longmuscovite,

Green:

shortmuscovite图Hymap高岭石等矿物的光谱识别（澳大利亚）图矿物填图与DTM制图（澳大利亚）

TIPS

地表矿物学制图中的高光谱热红外谱线剖面测量

SEBASS

中波红外：3.0-5.5um，带宽25nm，100个波段；长波红外：7.8-13.5um，带宽40nm，142个波段。高光谱遥感数据可用于植被化学成分的识别和估算以及其时空变化规律。植冠中叶绿素和水含量已可以利用高光谱遥感数据进行估算，并可通过直接地或通过光谱混合模型用于植被制图，确定植被关联物的位置，估计植被生长状况的空间分布和时间分布。通过高光谱数据对不同类型叶绿素含量的估算,可以获取更为详细与严格意义上的植被指数、叶面积指数和植被生长状况信息。利用导数光谱分析和相关分析方法研究针对树种的识别、叶面积指数预测，可进行了树冠氮、木质素含量填图。

2.高光谱遥感森林植被成分的识别和估算图美克罗拉多的

AVIRIS植被种类制图，验证精度可达90%植被分类图草地灌木阔叶林针叶林非植被利用IKONOS识别植被类型高光谱遥感在农业应用中监测作物的养分供应状况，对于及时了解作物的长势，采取有效的增产措施均具有积极的意义，主要针对作物养分失调的形态诊断和化学分析适用于有限面积的作物及土壤的诊断和分析。①作物个体生长状况与作物叶片光谱关系的研究，群体高光谱研究很少，其中包括植被生长状况与植被的环境胁迫关系，如水分胁迫、虫害胁迫、营养胁迫等；红边位置与植被叶绿素浓度的关系等。②利用多时相的高光谱数据提取出光谱特征对不同植被和作物进行识别和分类。③对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷量等生物物理参数进行估算。④遥感信息模型研究。如热扩散系数遥感信息模型、土壤含水量遥感信息模型、作物旱灾估算遥感信息模型、土壤侵蚀量遥感信息模型、土地生产潜力遥感信息模型等。⑤利用植被指数进行地表覆盖分析或作物长势的动态监测。

3.高光谱遥感精细农业中的应用图MAIS（中国）图MIVIS（法国）128波段的OMIS的江苏宜兴标准农田信息提取图CASI叶面积指数估算(加拿大)图1从CMODIS图像提取的渤海湾不同水质的光谱曲线变化（对应图

中的1、2、3、4、5、6点光谱曲线由下向上）4.高光谱遥感数据用于水质成分估算及水环境监测应用

高光谱遥感数据的精细光谱分辨率可用于识别和估算水体中叶绿素、单宁酸和沉淀物的含量。这三种水体成分的辐射谱特性具有单一性，而且叶绿素荧光位于中心为685nm的波段。高光谱遥感数据已用于近海环境和内陆水质研究，主要用于估算沉淀物和叶绿素含量，进而用于监测藻类生长和推断水产研究中浮游生物的分布和鱼群位置。同时证明高光谱遥感对水下植被制图和叶绿素含量很有价值。石油类浓度Hyperion影像制图总悬浮物浓度Hyperion影像制图叶绿素a浓度Hyperion影像制图1993年设得兰群岛溢油事件CASI遥感高光谱遥感数据用于海面溢油

2001年澳大利亚GEOSCIENCE公司利用128波段的HYMAP航空高光谱遥感技术对澳大利亚西北海洋盆地的烃类渗漏和运移的过程进行探测，发现了多个由海底油气藏烃微渗漏形成的海表甚薄油膜分布区，并对海面油膜的分布和运移进行了解译。2003年，澳大利亚的Hyvist公司利用自己研制的128个波段HYMAP高光谱仪器成功地探测了加洲圣巴巴拉海岸近海水域的3个海底烃微渗漏的油气藏异常带。5.高光谱遥感油气探测1998年9月美国WestVirginia大学利用224个波段的美国的AVIRIS航空高光谱仪器，通过圈定烃渗漏矿物蚀变异常，对加洲圣巴巴拉海岸油气微渗漏进行了成功的探测。柴达木盆地研究区地表酸解烃总含量预测柴达木盆地研究区油气烃蚀变矿物异常信息提取

辽东湾遥感影像油膜信息提取6.高光谱遥感用于积雪和冰川监测图利用液体/冰/雪吸收峰进行融雪AVIRIS遥感制图（美克罗拉多：雪、融雪、雪和植被的混合、湿干植被等

）

图

西藏地区的Hyperion积雪面积精确提取（结合混合像元分解模型）7.高光谱遥感数据用于大气成分的识别与估算高光谱遥感数据可用于大气成分和气溶胶的识别和估算。这些大气成分主要有水、二氧化碳、氧气、臭氧、一氧化碳、一氧化二氮和气溶胶等。在大气研究中，利用高光谱遥感数据进行水蒸气波段中云盖的制图和估算柱水含量，并可通过大气压和在O2吸收波段的辐射之间关系估值云顶高度，同时通过在不同波段对成像尘埃的影响估算气溶胶含量。气溶胶造成的某些变化对大多数连续波段有影响，而O2和水气造成的某些变化只能影响少数几个波段，光学厚度很容易可通过大气成分含量的计算进行估算值。

图

利用MODIS推算大气气溶胶光学厚度

主要痕量气体的光谱吸收特征CH4的吸收带主要位于3.3μm和7.6μmN2O在3.90、4.06、4.50及7.78μm处出现吸收带O3在0.22-0.32μm有一很强的吸收带，在可见光段的0.6μm附近有一弱吸收带，在9.6μm有很强吸收带CO2强吸收带位于2.7μm、4.3μm及14.5μm处基于SCIAMACHY数据使用WMF-DOAS法反演的中国地区温室气体总气柱量CO2使用通道8上的2324.4-2335.0nm作为匹配窗口CH4的匹配窗口位于SCIAMACHY的第6通道基于OMI在310.8-314.4nm范围内的四个SO2吸收波段观测资料使用波段残差（BRD）法反演SO2气柱量

反演地区：中国东部时间：2004.12.248.高光谱遥感数据用于城市地物的分类与识别

被覆盖的农作物地区及塑料废物被提取的结果图：6幅不同分辨率的AISA-ES图像提取结果，其空间分辨率分别为1、2、4、8、16和32米。A-聚乙烯覆盖温室；B1、B2-垃圾堆；C-两个体积较小的温室；D、E-覆盖温室的黑色网状聚乙烯。9.高光谱遥感数据用于固体废弃物分类与识别

利用高光谱调查弃矿以及矿山废物预处理端元提取重金属元素间接提取所使用的成像光谱仪PhoebeL.Hauff,DouglasC.Peters,etal.,HYPERSPECTRALINVESTIGATIONSOFMINEWASTEANDABANDONEDMINELANDS–THEDRAGONCALIBRATIONSITECASESTUDY2023/9/1795美国NASA与环保局合作项目1710nm处反射率与TiO2、Fe2O3

含量以及

2210nm处反射率Al2O3含量回归方程的建立与检验（建立使用22个样本，检验使用8个样本）基于回归方程的TiO2、Fe2O3、Al2O3定量分布图TiO2Fe2O3Al2O32023/9/1796土壤重金属污染10.高光谱遥感在军事方面的应用

HS（Warfighter－1）美国空军星载2000年发射，450－2500nm，光谱分辨率10nm，200band，空间分辨率8m，扫描带宽5km。

Vis0.45-0.90540bandNIR0.83-1.7480bandSWIR1.58-2.4980bandMWIR3.00-5.0080bandFIHSI

(Mightsat-Ⅱ)

美国空军

AIRforceresearchLab研制

0.35-1.05um，256band空间分辨率0.5m，扫描带宽

1.75km,2000年1月发射。COIS(NEMO)美国海军2000年6月，光谱范围450－2500nm，光谱分辨率10nm，210band空间分辨率30－60m，扫描带宽30km。海军地球绘图观测者(NEMO)卫星的主要飞行任务是论证超光谱成像对表征浅海战斗空间环境的重要性和发展浅海模型.海军所感兴趣的特定领域包括海深测量、海水透明度、海底类型、大气能见度、生物荧光资源、海滩特性、海底危险、整个蒸馏柱的大气水蒸汽和检测测绘卷云.这些数据特别是对沿海海洋环境的特征描述,可以支持识别联合打击和联合识别海岸冲突的需要,而把近实时数据直接下联给战斗人员的论证也正在规划中.NEMO卫星计划在2000年发射,运行周期为3年～5年.NEMO卫星能够进行超光谱数据的实时星上处理和压缩,并实时地以战术下行线路将观测结果从卫星直接传送到战场.大面积覆盖(每天成像面积106km2)高数据压缩比在1