高光谱遥感综述
近20年来，高光谱遥感技术发展迅速，它集探测器技术、精密光学和机械、微弱信号检测、计算机技术和信息处理技术于一体，已成为遥感领域的前沿技术之一。
高光谱遥感的起源与发展1.2.1
随着基础理论和材料科学的不断进步，近20年来高光谱遥感技术发展迅速，已成为遥感领域除雷达遥感、激光遥感和超高分辨率遥感之外的又一重要研究方向。
1.2.1.1国外高光谱成像仪的发展
由于高光谱遥感在探测地物属性方面的巨大潜力，成像光谱技术越来越受到重视。
(1)机载超光谱成像仪
1983年，美国研制的航空成像光谱仪(AIS-1)获取了第一幅高光谱图像，标志着第一代高光谱成像仪的出现。65438年至0987年，美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)成功研制了机载可见/红外成像光谱仪(AVIRIS)，标志着第二代超光谱成像仪的出现。
(2)星载超光谱成像仪
在航天领域，由美国喷气推进实验室研制的地球观测计划中的中分辨率成像光谱仪(MODIS)随着TER2RA卫星的发射成为第一个在轨星载成像光谱仪，并于2000年开始向地面传输图像。
2000年，美国国家航空航天局发射的EO21卫星搭载的地面分辨率为30m的高光谱成像仪(Hyperion)在矿产定量填图中取得了良好的应用效果。2002年，美国NEMO卫星搭载的海岸海洋成像光谱仪(COIS)具备了自适应信号识别能力，满足了军用和民用的不同需求。此外，2007年6月交付给科特兰空军基地的超光谱成像传感器将通过Tac2Sat23卫星装载到太空。
目前，许多国家都在积极发展自己的高光谱传感器，如德国环境监测与分析计划的EnMAP、南非多传感器小卫星成像仪的MSMI和加拿大高光谱环境与资源观测者的HERO。
1.2.1.2国外高光谱图像分析技术研究现状
随着成像光谱仪的快速发展，地物光谱数据库和高光谱图像分析技术的研究也迅速发展。
在地物光谱数据库技术方面，美国是最先进的，代表性的有JPL标准光谱数据库、USGS光谱数据库、ASTER光谱数据库和IGCP2264光谱数据库。此外，美国空军和环境保护局建立了AEDC/环境保护局光谱数据库，用于空气污染和空气成分的诊断，并为美国海军研究实验室开发的HYDICE成像光谱仪建立了森林超光谱数据库。其他一些国家也开始了光谱数据库技术的研究和建设。例如，英国在20世纪90年代初建立了海水光谱数据库，用于海水颜色研究。
美国国家航空航天局(美国国家航空航天局)、欧洲航天局(欧空局)、日本国家宇宙开发厅(NASDA)、大学和研究所都有专门的高光谱图像应用分析研究机构。
国外商用遥感图像处理系统相继增加了成像光谱数据处理模块，其中以RSI公司的ENVI、PCI Geomatics公司的PCI和MicroImages公司的TNTmips为代表。
1.2.1.3中国高光谱遥感技术发展现状
中国紧跟国际高光谱遥感技术的发展，结合国内日益增长的应用需求，于20世纪80年代中后期开始研制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(C2HRIS)、Xi安光机所研制的稳定大视场偏振干涉成像光谱仪(SLPIIS)。中科院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，成功获取空间高光谱图像。它获得了从可见光到近红外的30个波段，从中红外到远红外的4个波段，空间分辨率为500米。
嫦娥1卫星于2007年6月5438+10月发射，搭载中国科学院Xi安光学精密机械研究所研制的干涉成像光谱仪。它用于获取月球表面的二维多光谱序列图像和可分辨的地球光谱图。通过与其他仪器的配合，分析月球表面有用元素和物质类型的含量和分布，并利用获得的数据编制各元素的月球表面分布图。
从2007年到2010年，中国将建立一个用于环境和灾害监测和预报的小卫星星座，该星座将携带一个平均光谱分辨率为5纳米的高光谱成像仪，地面分辨率为100米
在积极研制具有自主知识产权的成像光谱仪的同时，我国在地物光谱数据技术和高光谱图像分析技术研究方面也取得了一系列可喜的成果。
上世纪90年代初，中国科学院安徽光机所、遥感所等单位收集了大量典型地物，建立了我国第一个综合性的“地物光谱特征数据库”。1998期间，中国国土资源航空物探遥感中心建立了“典型岩矿光谱数据库”，收录了我国500多种主要典型岩矿。2000年，中科院遥感所开发了基于GIS和网络技术的典型地物光谱数据库及其管理系统，记录了10000多个地物光谱，并动态生成相应的光谱曲线和遥感器模拟波段，实现了光谱数据库与“3 S”技术的链接。
1.2.2高光谱成像仪介绍
1.2.2.1国外高光谱成像仪系统介绍
(1)航空高光谱成像仪
1983年，世界上第一台成像光谱仪AIS-1(aero imaging Spectrometer-1)在美国喷气推进实验室研制成功，并成功应用于植被研究、矿物制图等方面，向世界展示了高光谱成像技术的潜力。此后，美国机载先进可见红外成像光谱仪(AVIRIS)、加拿大荧光线成像光谱仪(FLI)和在此基础上发展起来的小型机载成像光谱仪(AIS)、美国Deadalus公司的MIVIS、GER公司的79波段机载成像光谱仪(OMI-10和OMI-20)、美国海军研究所实验室的超光谱数字图像采集测试仪(HY)
表1.1国外主要机载高光谱成像仪信息
近年来，成像光谱技术在资源调查、作物生长、病虫害、土壤条件、地质勘探等方面的成功应用，使世界各国看到了这一新技术的巨大前景和潜力，世界上一些有条件的国家竞相投入成像光谱技术的开发和应用。同时，许多国家参考了现有成像光谱仪的先进技术，使得新研制的系统继承了旧系统的优点，同时在许多方面得到了进一步的改进，在稳定性、探测效率、综合性能等方面都有了长足的进步。其中有代表性的有美国的Probe、澳大利亚的HyMap、美国GER公司为德士古石油公司专门开发的TEEMS系统等。
Probe-1和Probe-2是地球搜索科学公司开发的另一个有影响力的航空成像光谱仪系统。该系统在0.4 ~ 2.5微米范围内有128个波段，光谱分辨率为18 nm。
HyMap是hyperspectral mapper的缩写，主要由澳大利亚Intergrated Spectronics公司开发。HyMap在0.25 ~ 0.45微米的光谱范围内有126个波段，在3 ~ 5微米和8 ~ 10 μ m的波长区域设置了两个可选波段，* *有128个波段。其数据在光谱定标、辐射定标、信噪比等方面实现了高性能，整体光谱定标精度优于0.5nm；。短波红外波段(2.0 ~ 2.5微米)的信噪比高于500∶1，部分波段的信噪比甚至高达1000∶1。
TEEMS是德士古能源与环境多光谱成像光谱仪的缩写。这是一台实用的高光谱成像仪，拥有200多个波段，性能先进，是美国地球物理与环境研究公司(ger)应德士古技术公司的要求，与德士古专家合作专门研制的。该系统具有紫外、可见光、近红外、短波红外和热红外波段的成像能力，因此在石油地质勘探中，特别是在探索与油气藏有关的特征方面具有巨大的潜力。
近年来，热红外成像光谱仪取得了实质性进展。最具代表性的是美国航空航天公司开发的空间增强宽带阵列光谱系统(SEBASS)。SEBASS有两个光谱区:中红外，3.0 ~ 5.5微米，带宽0.025微米；长波红外，7.8 ~ 13.5μ m，带宽0.04μm..在中波红外区和长波红外区分别有100波段和142波段。所用探测器为两个Si: As焦平面128*128，有效帧频120Hz，温度灵敏度0.05℃，信噪比> 2000。热红外成像光谱仪为更好地反映地物的性质提供了有价值的数据，已在探矿、地质填图、环境监测、农林资源填图、植被生长等诸多领域得到应用。
(2)空间超光谱成像仪
美国先后研制了中分辨率成像光谱仪(MODIS)和EO-1高光谱卫星，与日本合作研制了先进卫星热发射/反射辐射计和美军的“威力-卫星”高光谱卫星，在世界空间成像光谱技术研究方面一直遥遥领先。
MODIS是EOS-AM1卫星(1999年2月发射)和EOS-PM 1(2002年5月发射)-中分辨率成像光谱仪上的主要探测仪器，也是EOS Terra平台上唯一的直播对地观测仪器。通过MODIS可以获得0.4 ~ 14μ m范围内36个波段的高光谱数据，为自然灾害、生态环境监测、全球环境与气候变化、全球变化的综合研究提供了重要的数据源。
MODIS是terra和aqua卫星上搭载的重要传感器，是唯一通过X波段直接向全球广播实时观测数据的星上仪器，可以接收数据并免费使用。MODIS可以获取0.4 ~ 14μ m范围内36个波段的高光谱数据，为生态环境研究、自然灾害监测、全球环境和气候变化研究提供了重要的数据源。
Terra卫星搭载的ASTER星载热辐射与反辐射仪器于1999 12 18发射，由日本通商产业省制造。一个日美技术合作小组负责仪器的校准确认和数据处理。ASTER是对地表图像进行高分辨率分析的唯一传感器。其主要任务是通过14通道获取整个地表的高分辨率分析影像数据——黑白立体照片。ASTER可以在4到16天内对同一区域进行成像，具有重复覆盖地球表面变化区域的能力。ASTER数据的一个特点是基于用户要求的观测，即可以根据用户要求随时随地获取影像。ASTER的宽光谱覆盖范围和高分辨率为科学家提供了许多学科的识别信息，如监测冰川的进退，监测潜在的活火山，识别作物，监测云的形态和物理条件，湿地评估，热污染监测，珊瑚礁退化，土壤和地质的表面温度绘图，以及测量表面热平衡。
美国国家航空航天局的地球轨道-1 (EO-1)是美国国家航空航天局新千年计划的一部分。2000年6月165438+10月21推出。地球观测卫星1和LandSat-7覆盖同一地面轨道，两颗卫星在同一地面的探测时间相差约1分钟。EO-1有三个基本遥感系统，即高级陆地成像仪(ALI)、超光谱成像仪(HYPERION)和线性金属成像光谱仪阵列大气校正(LAC)。搭载在EO-1上的高光谱遥感器Hyperion，是新一代空间成像光谱仪的代表，是唯一的星载高光谱成像光谱仪，也是唯一可以公开获取数据的高光谱测量仪器。* * *拥有242个波段，光谱范围为400-2500 nm，光谱分辨率达到10nm，空间分辨率为30m。
2000年7月，美国发射的MightSat-II卫星上的傅里叶变换高光谱成像仪(FTHSI)是干涉成像光谱仪的成功典范。
欧洲航天局于2001基于机载自主小卫星PROBA成功研制出紧凑型高分辨率成像光谱仪(CHRIS)并成功发射。CHRIS在415 ~ 1050μ m的成像范围内有五种成像模式，不同模式下的波段数、光谱分辨率和空间分辨率不同，波段数分别为18、37和62，光谱分辨率为5 ~ 15nm，空间分辨率为17 ~ 20m或34。克里斯可以从五个不同的角度(观察模式)观察地面物体，这种设计使他能够获得地面物体反射的方向特征。
继美国AM-1 MODIS之后，欧洲航天局于2002年3月成功发射了Envisat卫星，这是一颗先进的极轨地球观测卫星，具有组合式大平台。其中，分辨率成像光谱仪(MERIS)为推扫式中分辨率成像光谱仪，视场为68.5。其地面分辨率为300米，可见-近红外光谱区有15个波段。光谱带的布局可以通过程序控制来选择和改变。
在ADEOS-1之后，日本于2002年2月发射了其后继卫星ADEOS-2，携带了来自NASDA的两个遥感器(AMSR和GLI)和由国际或国内伙伴提供的三个遥感器(极地、ILAS-2、海风)。GLI在可见-近红外和短波红外分别有23个和6个波段，在中红外和热红外有7个波段。到目前为止，已经发射的具有代表性的星载成像光谱仪见表1.2。
表1.2国外主要星载高光谱成像仪
1.2.2.2中国高光谱成像仪系统介绍
(1)航空高光谱成像仪
我国成像光谱仪的发展经历了从多波段扫描仪到成像光谱扫描，从机电扫描到面阵CCD探测器固态扫描的发展过程。
“八五”期间，新型模块化航空成像光谱仪(MAIS)的研制成功，标志着我国航空成像光谱仪技术和应用取得重大突破。自此，中国研制的推扫式成像光谱仪(PHI)和实用模块化成像光谱仪系统(OMIS)在世界航空成像光谱仪家族中占据了重要地位。
(2)空间超光谱成像仪
中国于2002年3月发射了神舟三号无人飞船，搭载了一台中分辨率成像光谱仪(CMODIS ),它有34个波段，波长范围为0.4 ~ 12.5μ m..此外，环境减灾卫星搭载了115波段的高光谱遥感器。风云三号气象卫星搭载的中分辨率成像光谱仪有20个波段，成像范围包括可见光、近红外、中红外和热红外。嫦娥一号卫星搭载了中国研制的干涉成像光谱仪，用于探测月球物质。
1.2.3高光谱遥感成像特征及数据表达
高光谱成像获得的图像包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。其主要特点是将传统的影像维与光谱维信息合二为一，在获取地表空间影像的同时，获得每个地物的连续光谱信息。高光谱数据是光谱图像的立方体，由空间图像维、光谱维(从高光谱图像的每个像素点可以得到一条“连续”的光谱曲线)和特征空间维(高光谱图像提供了一个超维度的特征空间，挖掘高光谱信息需要深入了解地物在高光谱数据形成的N维特征空间中的分布特征和行为)。
1.2.4高光谱遥感的主要应用领域
由于高光谱遥感能够提供更详细的光谱信息，一些学者已经将高光谱遥感的研究从最初的矿物识别扩展到水体、植被与生态、环境资源等的探索。，但目前主要集中在地质、植被、水环境等研究领域。
1.2.4.1在植被监测中的应用
高光谱遥感以其超高的光谱分辨率为植被参数估计与分析、植被长势监测和产量估算提供了强有力的支持。
1)植物的“红边”效应:“REP”是绿色植物光谱曲线在680 ~ 740nm之间变化速率最快的点，也是该区间一阶导数光谱的拐点。“红边”是植物光谱曲线最典型的特征，可以很好地描述植物的健康和色素状态。当“红边”向红外方向移动时，一般可以判断绿色植物叶绿素含量高，生长活力旺盛；反之，当“红边”向蓝光方向移动时，一般可能是植物因缺水等原因，处于黄叶等不健康状态。当植物覆盖度增加时，“红边”的坡度会变得更陡。
2)植被指数:植被指数主要反映植被在可见光和近红外波段的反射与土壤背景的差异，各植被指数可用于定量说明一定条件下植被的生长情况，是利用遥感光谱数据监测地面植物生长分布和定性定量评价植被的有效方法。根据不同的研究目的，人们提出了几十种植被指数，如比植被指数RVI、归一化植被指数NDVI、差分环境植被指数DVIEVI、垂直植被指数PVI、土壤调节植被指数SAVI等。
1.2.4.2在农业上的应用
高光谱遥感在农业中的应用主要表现在快速准确提取作物长势信息、作物长势监测、估算植被(作物)的初级生产力和生物量、估算光能利用率和蒸散量、遥感监测和预测作物品质，从而相应调整物质的投入，达到减少浪费、增加产量、提高质量、保护农业资源和环境质量的目的。利用高光谱遥感数据估算农作物农业参数的方法主要有两种:一种是利用多元回归方法建立光谱数据或由其导出的植被指数与农作物农业参数之间的关系；二是通过作物的红边参数来估计作物的物候特征和农艺参数。
1.2.4.3在大气和环境中的应用
高光谱遥感凭借其超高的光谱分辨率，可以识别宽带遥感无法识别的大气成分变化引起的光谱差异，使人们利用高光谱遥感定量分析周围生态环境成为可能。可以利用高光谱技术检测污染区域化学物质的差异，从而确定污染区域和污染原因；高光谱图像还可用于检测有害环境因素，如准确识别有害废弃矿物、绘制特殊蚀变矿物分布图、评估野火风险等级、识别和检测燃烧区域等。
1.2.4.4在地质学中的应用
地质矿产调查是高光谱遥感应用最成功的领域。各种矿物和岩石在电磁波谱上的诊断光谱特征，可以帮助人们识别不同的矿物成分。在地质学上，主要用于检测岩石和矿物的吸收和反射的诊断特征，从而对岩石和矿物进行分类、填图和勘探。
1.2.4.5的军事应用
高光谱图像包含丰富的地物信息，可用于准确识别地物类型，已成功应用于军事侦察、识别和伪装。美国海军设计的高光谱成像仪可以在0.4微米~ 2.5微米的光谱范围内提供210个成像光谱数据，可以获得近海环境目标的动态特征，如海水透明度、海洋深度、海洋大气能见度、洋流、潮汐、海底类型、生物发光、海滩特征、水下危害、漏油、大气中水汽总量、卷云等，对近海作业非常有用。