高光谱成像国内外研究与应用（一）

文章出处：人气：发表时间：2019-04-28 14:49

1.高光谱图像成像原理及特点

1.1高光谱遥感基本概念

高光谱遥感是通过高光谱传感器探测物体反射的电磁波而获得地物目标的空间和频谱数据，成立于20世纪初期的测谱学就是它的基础。高光谱遥感的出现使得许多使用宽波段无法探查到的物体，更加容易被探测到，所以高光谱遥感的出现时成功的是革命性的。

1.2高光谱图像成像原理

光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。

其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是象元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总想是各象元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。

1.3高光谱遥感的特点

（1）波段多且宽度窄能够使得高光谱遥感探测到别的宽波段无法探测到的物体。

（2）光谱响应范围更广和光谱分辨率高使得它能够更加精细的发硬出被探测物的微小特征。

（3）它可以提供空间域和光谱域信息也就是“谱像合一”。

（4）数据量大和信息冗余多，由于高光谱数据的波段多，其数据量大，而且和相邻波段的相关性比较高就使得信息冗余度增加很多。

（5）高光谱遥感的数据描述模型多能够分析的更灵活。经常使用的3种模型有：图像，光谱和特征模型。

1.4高光谱的优势

随着高光谱成像的光谱分辨率的提高，其探测能力也有所增强。因此，与全色和多光谱成像相比较，高光谱成像有以下显著优著:

(1)有着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像在经过光谱反射率重建后，能获取与被探测物近似的连续的光谱反射率曲线，与它的实测值相匹配，将实验室中被探测物光谱分析模型应用到成像过程中。

(2)对于地表覆盖的探测和识别能力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱高光谱成像原理及特点吸收特征的物质，能准确的区分地表植被覆盖类型，道路地面的材料等。

(3)地形要素分类识别方法是多种多样的。影像分类既可以采用如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机的模式识别方法，也可以采用基于被探测物的光谱数据库的光谱进行匹配的方法。分类识别特征是既可以采用光谱诊断特征，也可以采用特征选择与提取。

(4)地形要素的定量和半定量分类识别将成为可能。在高光谱影像中能估计出多种被探测物的状态参量，大大的提高了成像高定量分析的精度和可靠性。

2.高光谱成像的发展

2.1在国内的发展

上世纪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。

根据我国的使用情况先后开发出了满足海洋环境监测和森林探火的需求的以红外和紫外波段以及以中波和长波红外为主体的航空专用扫描仪，满足地质矿产资源勘探方面的短波红外光谱区间（2.0－2.5?mm）的6—8波段细分红外光谱扫描仪（FIMS）和工作波段在8－12mm光谱范围的航空热红外多光谱扫描仪（ATIMS）。

在此以后我国又自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪（PHI）和实用型模块化成像光谱仪（OMIS）等并得到国内外的多次应用，这些新的成像光谱系统不仅在地质和固体地球领域研究中发挥巨大的作用，在生物地球化学效应、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面也都有很好的结果。

2002年3月在我国载人航天计划中发射的第三艘试验飞船“神舟三号”中，搭载了一台我国自行研制的中分辨率成像光谱仪。

2007年10月24日我国发射的“嫦娥-1”探月卫星上，成像光谱仪也作为一种主要载荷进入月球轨道。这是我国的第一台基于富里叶变换的航天干涉成像光谱仪，它具有光谱分辨率高的特点。

2008年发射的环境与减灾小卫星（HJ-1）星座中，也搭载一台工作在可见光—近红外光谱区（0.45—0.95μm）、具有128个波段、光谱分辨率优于5nm的高光谱成像仪。

高光谱成像仪是天宫一号搭载的有效载荷之一。在轨运行期间，利用多个应用单位由他的“火眼金睛”开展了地质矿产和油气资源勘查、森林水文生态监测、环境污染监测分析等都取得了丰硕的成果。

2011年9月29日21时16分3秒在酒泉卫星发射中心发射的天宫一号携带了我国最新研究出的高光谱成像仪。新的高光谱成像仪由中科院长春精密机械与物理研究所以及上海技术物理研究所共同研制的，是目前我国空间分辨率和光谱综合指标最高的空间光谱成像设备，在空间分辨率、波段范围，数目以及地物分类等方面达到国际同类遥感器先进水平。

“在天宫一号目标飞行器上安排高光谱遥感对地观测，主要是利用高光谱成像仪‘图谱合一’的特点以及在地表覆盖识别能力、蕴含地物光谱信息等方面优势，有针对性开展研究。”载人航天工程空间应用系统副总设计师张善从介绍说。在林业方面，高光谱成像仪在森林覆盖制图与变化监测方面有广阔的应用前景。由于空间遥感可以获得较大范围的数据，因此利用遥感数据可较好地估算森林的生物量和碳储量。高光谱成像仪在森林防火中发挥着重要作用。目前我国森林防火主要应用的是中低空间分辨率、高时间分辨率的卫星数据，对于较大面积火场非常敏感，但对燃烧初期的明火通常较难探测到。天宫一号高光谱成像仪可同时获取不同波谱范围的数据，更好地满足我国森林防火预警扑救的需求。

海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之一。国家卫星海洋应用中心对天宫一号高光谱遥感数据进行解译、信息提取，用于海岸带信息与海冰信息监测，同时针对土地利用、滨海湿地、潮间带、岸线变迁、保护区、石油平台监测等信息进行了制图。

在数字化土地利用监测方面，目前大多光谱数据由于受空间、光谱分辨率等限制，难以满足现实需要。天宫一号高光谱成像仪具有较高光谱分辨率，在类别细分方面具有一定优势。中科院遥感与数字地球所研究人员利用天宫一号高光谱数据对北京通州地区城市土地利用类型进行监测，并与同一时期其他来源的遥感数据进行了对比。“对比显示，天宫一号高光谱数据分类结果更精细，可清晰识别出主干道、细小河流、田块边界等。”遥感地球所研究员刘良云说。

6月中旬，我国将择机发射神舟十号飞船，与天宫一号目标飞行器继续实施交会对接试验。“神十任务结束后，我们还会安排开展高光谱成像仪相关专题应用，比如湖泊生态监测、青藏高原监测以及城市环境监测等。”中科院空间应用工程与技术中心系统工程部副主任李绪志说。高光谱遥感系统在我国的普遍应用，标志着我国的高光谱遥感已逐步走向成熟。而在我国航空航天高光谱成像系统做出重大贡献的分别是中国科学院上海技术物理研究所和西安光学精密机械研究所。

2.2在国外的发展

1983年，世界上第一台成像光谱仪AIS－1在美国研制成功，并在矿物填图、植被生化特征等方面取得了成功，显示出了高光谱遥感的魅力。

在此后，许多国家都先后研制航空成像光谱仪。如美国的AVIRIS、DAIS，加拿大的FLI、CASI，德国的ROSIS，澳大利亚的HyMap等。

如今美国已经研制了三代高光谱成像光谱仪。1983年的第一代成像光谱仪AIS－1，在1987年由NASA喷气推进实验室研制的航空可见光，红外光成像光谱仪（AVIRIS）成为第二代高光谱成像仪。第三代高光谱成像光谱仪是克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪（FTHSI）它采用了256通道，光谱范围为400～1050nm之间，光谱分辨率为2～10nm，视场角为150。

经过20世纪80年代与90年代的发展，一系列高光谱成像系统在国际上被研制成功并在航天航空平台上获得了广泛应用。到20世纪90年代后，在高光谱遥感应用上一系列重要的技术问题，如高光谱成像信息的定标，定量问题，以及成像光谱图像信息可视化及多维表达问题，图像与光谱的变换和光谱信息的提取、大量数据信息的处理、光谱的匹配和光谱的识别、分类等问题得到了基本解决之后，高光谱遥感一方面将由实验研究阶段逐步转向实际应用阶段，并且技术发展方面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。至今为止国际上已有许多种航空成像光谱仪处于运行状态，在实验研究以及信息的商业化方面发挥着重要作用。

2.3发展前景

如今高光谱成像面对两个问题：第一如何减少高光谱成像仪器的收集数据量。目前，高光谱系统捕捉了大量的的数据，过多的数据给数据处理带来了沉重的负担，对芯片数据的实时处理也带来了比较高的要求。第二个问题是是把尺寸从大变为小，要实现性能、分辨率、f/number、视场大小与设备尺寸之间的平衡。

在商业上，制造商们按照集成、易用的原则制造出的高光谱成像仪器已经取得了成功。但是商业化要求的高光谱仪器需要稳定、耐用，在不同的测量环境中结果达到一致，特别是在工厂环境。

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恒以致远，商以载道

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