高光谱遥感的发展与应用_张达

第１１卷　第３期２０１３年６月光学与光电技术ＯＰＴＩＣＳ　＆ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．１１，Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ，２０１３收稿日期　２０１２－０９－２９；　收到修改稿日期　２０１２－１２－１３作者简介　张达（１９８１－），男，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事空间光学遥感仪器的研制、空间光学成像，以及光谱探测技术方面的研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄａ＠ｃｉｏｍｐ．ａｃ．ｃｎ基金项目　国防预研基金（ＳＡ０５０），国家８６３高技术研究发展计划（２０１０ＡＡ１２２１０９１００１），吉林省科技发展计划（２０１１０１０７９）资助项目文章编号：１６７２－３３９２（２０１３）０３－００６７－０７高光谱遥感的发展与应用张　达　郑玉权（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）摘要　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。

关键词　高光谱遥感；发展；应用；成像光谱仪中图分类号　ＴＰ７０ 文献标识码　Ａ１　引　言遥感技术是２０世纪６０年代发展起来的对地观测综合性技术［１］，随着２０世纪８０年代成像光谱技术的出现，光学遥感进入了高光谱遥感阶段。

从２０世纪９０年代开始，高光谱遥感已成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感的最主要手段。

高光谱遥感技术作为对地观测技术的重大突破［２］，其发展潜力巨大。

高光谱遥感实现了遥感数据图像维与光谱维信息的有机融合，在光谱分辨率上有巨大优势，是遥感发展的里程碑。

随着高光谱遥感技术的日趋成熟，其应用领域也日益广泛，已渗透到国民经济的各个领域，如环境监测、资源调查、工程建设等，对于推动经济建设、社会进步、环境的改善和国防建设起到了重大的作用。

本文主要阐述高光谱遥感的特点、优势以及在航空及航天领域的发展情况，概括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。

２　高光谱遥感特点与优势高光谱遥感是高光谱分辨率遥感（Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃ－ｔｒａｌ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ）的简称［３］，它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄且光谱连续的影像数据的技术，是在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成的一种独特的三维遥感。

对大量的地球表面物质的光谱测量表明，不同的物体会表现出不同的光谱反射和辐射特征，这种特征引起吸收峰和反射峰的波长宽度在５～５０ｎｍ左右，其物理内涵是不同的分子、原子和离子的晶格振动，引起不同波长的光谱发射和吸收，从而产生了不同的光谱特征。

运用具有高光谱分辨率的仪器，通过获取图像上任何一个像元或像元组合所反映的地球表面物质的光谱特性，经过后续数据处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的［４］。

高光谱遥感的成像光谱仪具有光谱分辨率高（５～１０ｎｍ），光谱范围宽（０．４μｍ～２．５μｍ）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［５］。

高光谱遥感在光谱分辨率方面的巨大优势，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面物质的目的。

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光学与光电技术第１１卷更充分的光谱信息，使传统的遥感数据目标识别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［６］。

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［７］。

３　高光谱遥感的发展３．１　航空领域高光谱遥感技术发展高光谱遥感起步便是从航空领域开始的。

１９８３年，世界第一台成像光谱仪ＡＩＳ－１在美国研制成功［８］，在矿物填图、植被生化特征等研究方面获得了应用。

此后，许多国家先后研制了多种类型的航空成像光谱仪。

如美国的ＡＶＩＲＩＳ、ＤＡＩＳ、ＴＲＷＩＳⅢ，加拿大的ＦＬＩ、ＣＡＳＩ，德国的ＲＯＳＩＳ，澳大利亚的ＨｙＭａｐ等，如图１所示。

图１　ＡＶＩＲＩＳ和ＨＹＭＡＰ成像仪Ｆｉｇ．１　ＡＶＩＲＩＳ　ａｎｄ　ＨＹＭＡＰ　ｉｍａｇｅｒ　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１．２～２．４μｍ。

美国的ＡＶＩＲＩＳ于１９８７年进行了首次飞行试验，探测器行像素为６７７，数据量化位数１２位。

２０世纪９０年代美国著名的ＴＲＷ公司研制的ＴＲＷＩＳ－Ⅲ型超光谱成像仪是当时最新的一种成像光谱仪，波段范围覆盖０．４～２．５μｍ，具有３８４个连续光谱通道，ＶＮＩＲ谱段光谱带宽仅为５ｎｍ，ＳＷＩＲ谱段为６．２５ｎｍ，信噪比很高（几百比１），其在军事和民用方面都有极高的应用价值［９］。

澳大利亚机载成像光谱仪（ＨＹＭＡＰ）于１９９７年研制成功，其焦平面行像元数５１２，随即开始应用于商业勘探领域。

为了推进成像光谱技术在我国地质找矿中的应用，中国地质调查局于２００２年通过租用澳大利亚机载成像光谱仪的方式，开展了新疆东天山地区航空成像光谱飞行、数据获取、数据处理，以及应用研究工作，为澳大利亚机载成像光谱仪引进和成像光谱技术推广应用奠定了基础。

２０世纪８０年代初、中期，在国家科技攻关项目和８６３计划的支持下，我国亦开展了高光谱成像技术的独立发展计划。

我国高光谱仪的发展，经历了从多波段到成像光谱扫描，从光学机械扫描到面阵推扫的发展过程。

２０世纪８０年代后期研制和发展了新型模块化航空成像光谱仪（ＭＡＩＳ），此后，中国又自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪（ＰＨＩ）、实用型模块化成像光谱仪（ＯＭＩＳ）、宽视场面阵ＣＣＤ超光谱成像仪（ＷＨＩ），以及高分辨率成像光谱仪（Ｃ－ＨＲＩＳ）等，并在国内外得到多次应用，这一系列高光谱仪器的研制成功，为中国遥感科学家提供了新的技术手段。

ＭＡＩＳ、ＰＨＩ和ＯＭＩＳ均为上海技术物理研究所研制，如图２所示，其中ＭＡＩＳ于１９９１年开始投入运行，焦平面数据量化位数１２位；ＰＨＩ于１９９７年研制成功，焦平面行像元数３７６，数据量化位数１２位，目前已发展到ＰＨＩ－３型；ＯＭＩＳ从２０００年开始执行遥感飞行试验任务，焦平面行像元数５１２，数据量化位数１２位［１０－１２］。

图２　ＭＡＩＳ、ＰＨＩ和ＯＭＩＳ成像仪Ｆｉｇ．２　ＭＡＩＳ，ＰＨＩ　ａｎｄ　ＯＭＩＳ　ｉｍａｇｅｒ　８６第３期张达等：高光谱遥感的发展与应用Ｃ－ＨＲＩＳ是长春光机所针对星载高分辨率成像光谱仪所研制的原型样机，光谱范围覆盖０．４３～２．４μｍ，共１２８个谱段［１３］，其光学系统原理如图３所示。

图３　Ｃ－ＨＲＩＳ光学系统原理图Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｃ－ＨＲＩＳ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　 随着光谱遥感技术的深入研究和广泛应用以及无人机技术的逐渐成熟，航空领域光谱成像仪的搭载平台从有人机载已扩展到无人机载及其他轻小型平台。

长春光机所于２０１１年在国家８６３计划“无人机综合遥感验证系统高精度光学载荷验证技术研究”项目的支持下，成功研制完成了基于Ｏｆｆｎｅｒ凸光栅分光谱方式的无人机载高光谱成像仪，目前已经投入到实际应用中。

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。

３．２　航天领域高光谱遥感技术发展２０世纪９０年代末，在经过航空试验和成功运行应用之后，高光谱遥感终于进入到航天发展领域。

１９９９年美国地球观测计划（ＥＯＳ）的Ｔｅｒｒａ综合平台上的中分辨率成像光谱仪（ＭＯＤＩＳ）、号称“新千年计划第一星”ＥＯ－１上的Ｈｙｐｅｒｉｏｎ成像光谱仪、美国ＭｉｇｈｔｙＳａｔⅡ小型技术试验卫星上携带的超光谱成像仪试验相机（ＦＴＨＳＩ）、欧洲环境卫星（ＥＮＶＩＳＡＴ）上的ＭＥＲＩＳ，以及欧洲的ＣＨＲＩＳ卫星相继升空，宣告了航天高光谱时代的来临。

ＭＯＤＩＳ是当时世界上新一代“图谱合一”的光学遥感仪器，有３６个离散光谱波段，光谱范围宽，从０．４～１４．４μｍ全光谱覆盖，最大空间分辨率可达２５０ｍ，扫描宽度２　３３０ｋｍ。

Ｈｙｐｅｒｉｏｎ由美国ＴＲＷ公司负责研制并于２０００年成功发射升空。

其共用望远镜采用ＴＭＡ设计方案，将地面一条窄带成像置于其后焦面的狭缝上，分色镜将经过狭缝的光束分为可见近红外（ＶＮＩＲ：０．４～１．０μｍ）和短波红外（ＳＷＩＲ：１．０～２．５μｍ）两部分，分别进入ＶＮＩＲ和ＳＷＩＲ平场光栅光谱仪，在它们的光谱成像面上由ＣＣＤ和ＨｇＣｄＴｅ面阵探测器获取地面一条窄带的光谱图像信息。

通过卫星的推扫获得地面二维空间的光谱图像数据，其光学系统原理如图４所示。

图４　Ｈｙｐｅｒｉｏｎ光学原理图Ｆｉｇ．４　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｈｙｐｅｒｉｏｎ　９６光学与光电技术第１１卷ＦＴＨＳＩ由美茶隼（Ｋｅｓｔｒｅｌ）公司负责制造，是美国防部唯一利用傅里叶变换技术的天基超光谱成像仪。

２０００年８月１日，ＦＴＨＳＩ试验相机开始对地采集光谱图像数据，发回了军事科学家盼望已久的从太空中拍摄的超光谱图像，其光学原理如图５所示。

图５　ＦＴＨＳＩ光学原理图Ｆｉｇ．５　Ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＦＴＨＳＩＣＨＲＩＳ是英国Ｓｉｒａ电光公司为欧空局小卫星平台ＰＲＯＢＡ（Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｆｏｒ　Ｏｎ－Ｂｏａｒｄ　Ａｕｔｏｎｏｍｙ）研制的主要有效载荷，为陆地应用提高空间对地遥感数据研制的高分辨率超光谱成像仪。

ＰＲＯＢＡ于２０００年成功发射升空，进入轨道高度约为８３０ｋｍ的接近圆的太阳同步极轨。

ＣＨＲＩＳ光学系统原理如图６所示。