高光谱遥感技术的介绍及应用

高光谱遥感技术的介绍及应用．

高光谱遥感技术的介绍及应用

在20世纪，人类的一大进步是实现了太空对地观测，即可以从空中和太空对人

类赖以生存的地球通过非接触传感器的遥感进行观测。最近几十年，随着空间技术、计算机技术、传感器技术等与遥感密切相关学科技术的飞速发展，

遥感正在进入一个以高光谱遥感技术、微波遥感技术为主要标志的时代。本文

简要介绍了高光谱遥感技术的特点、发展状况及其在一些领域的应用。

1 高光谱遥感简介

1.1高光谱遥感概念

所谓高光谱遥感，即高光谱分辨率遥感，指利用很多很窄的电磁波波段（通常

<10nm）从感兴趣的物体获取有关数据；与之相对的则是传统的宽光谱遥感，通常>100nm，且波段并不连续。高光谱图像是由成像光谱仪获取的，成像光谱仪

为每个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息，产生一条完整而连续的光谱曲线。它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱中能被探测。

高光谱遥感技术是近些年来迅速发展起来的一种全新遥感技术，它是集探测器技术、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。在成像过程中，它利用成像光谱仪以纳米级的光谱分辨率，以几十或几百个波段同时对地表地物像，能够获得地物的连续光谱信息，实现了地物空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取，因而在相关领域具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。

1.2高光谱遥感数据的特点

同其他常用的遥感手段相比 ,成像光谱仪获得的数据具有以下特点:

1）、多波段、波段宽度窄、光谱分辨率高。波段宽度 < 10 nm ，波段数较多光谱遥感(由几个离散的波段组成)大大增多，在可见光和近红外波段可达几十到几百个。如 AVIRIS在 0. 4～214 波段范围内提供了224 个波段。研究表明许多这是传统的多光谱等。40 nm～20地物的吸收特征在吸收峰深度一半处

的宽度为

遥感技术所不能分辨的(多光谱遥感波段宽度在 100～200 nm 之间)，而高光

谱遥感甚至光谱分辨率更高的超光谱遥感却能对地物的吸收光谱特征进行很好的识别，这使得过去以定性、半定量的遥感向定量遥感发展的进程被大大加快。另外，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一条完整、连续的光谱曲线，即所谓的“谱像合一”，它是高光谱成像技术的一大特点。

2）、由于波段众多，波段窄且连续，相邻波段具有很高的相关性，使得高光数据

量巨大(一次获取数据可达千兆 G B 级) 、相性大，尤其在相邻的通道间，具

有很大的数据冗余

3）、光谱分辨率高。成像光谱仪采样的间隔小，一般为10nm左右。精细的光谱

分辨率反映了地物光谱的细微特征，使得在光谱域内进行遥感定量分析和研究地物的化学分析成为可能。

4）、空间分辨率较高。相对于 MSS (80m) 、TM(30m)和 SPOT/ HRV的多波段图像(20m) ，目前实用成像光谱仪有着较高的空间分辨率，加之其高光谱分

辨率的特性，使得该种类型的传感器具有广阔的应用前景。

2 高光谱遥感的发展

2.1高光谱成像技术的发展及传感器

如果把多光谱扫描成像的MSS(multi2spectralscanner)和TM(thematic mapper)作为遥感技术发展的第一代和第二代的话，那么高光谱成像(hyperspectralimagery)技术则是第三代的成像技术。

美国的成像技术发展较早，从20世纪80年代至今已经研制了三代高光谱成像

光谱仪。第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪AIS，是由美国国家航空和航天管理局(NASA)所属的喷气推进实验室JP L设计，已于1984～1986年装在NASA 的C - 130飞机上使用。这是一台装有二维、近红外阵列探测器的实验仪器，有128个通道，光谱覆盖范围从112～214μm ,并在内华达Cuprite地区的应用中取得很好的效果。

个通224，有VIRISA第二代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪

道，光谱范围为0141～2145μm。每个通道的波段宽约为10nm ，曾放在改装后的高空U2飞机上使用，为目前最常用的航空光谱仪之一。

基于NASA仪器的成功应用及采矿工业和石油工业的需求，在 AVIRIS之后，

地球物理环境研究公司GE又研制了1台64 通道的高光谱分辨率扫描仪

GERIS。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。该仪器由个单独的线性阵列探测器的光栅分光计组成。它与其他仪器的区别是在不同的光谱范围区内，通道的光谱宽度是不同的。

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，适合在 Cessna - 206 轻型飞机上使用。它的重量为35kg ，采用256通道，光谱范围为 400～1050nm ，有 2～10nm的光谱分辨率，视场角为150°。在国内，成像光谱仪的研制工作由于跟踪国际前沿技术,成像光谱仪的研制已跻身于国际先进行列。先后研制成功了多光谱扫描仪、红外细分光谱扫描仪FIMS、热红外多光谱扫描仪TIMS、19波段多光谱扫描仪AMSS、71波段多光谱机载成像光谱仪MAIS、128波段OMIS系统、244波段的推扫式成像仪PHI等。

2.2高光谱数据处理技术的发展

尽管成像光谱仪具有其独特的优越性,但其数据量巨大，为应用和分析带来不便。在国内外成像光谱仪的遥感应用研究中，研究人员为高效利用成像光谱仪数据,充分发挥其高光谱分辨率和空间分辨率方面做出了许多尝试，所采用的方法可归纳为两大类。

2.2.1基于纯像元的分析方法

1)、基于成因分析的光谱分析方法

基于成因分析的方法研究地物的光谱特性，从地物光谱特征上发现表征地物的特征光谱区间和参数最常用的是各种各样的植被指数。这种方法普遍用于许多研究人员沿用,图像的处理和分析应用中。成像光谱仪问世以后 TM和MSS．

了这种方法，利用成像光谱仪数据的高光谱分辨率，选取影像的波段，发展了许多更为精细的植被指数。与此相对的方法，是地物光谱重建和重建的光谱与数据库光谱的匹配识别。这一方法通过对比分析地面实测的地物光谱曲线和由成像光谱仪图像得到的光谱曲线来区分地物。为了提高成像光谱仪数据分析处

理的效率和速度，一般要对这些曲线进行编码或者提取表征曲线的参数。“光谱匹配”是利用成像光谱仪探测数据进行地物分析的主要方法之一，但由于野外实际情况的复杂性，很难建立一个比较通用的地物光谱库，这就限制了利用该法进行分析，目前仅仅在比较小的范围内(如岩石成分分析等)取得成功的运用。2）、基于统计分析的图像分类和分析