高光谱成像国内外研究与应用（二）

文章出处：人气：发表时间：2019-04-28 14:49

3.高光谱成像的应用领域

高光谱如今主要被应用在民用方面：地质调查，植被遥感，农业监测，大气遥感，水文学，灾害环境遥感，土壤调查以及城市环境遥感。军用方面主要利用高光谱图像识别伪装以及利用高光谱辨识固体液体气体和化学争取更详细的获取战场信息包括障碍物，地表特征，土壤鉴别，水下障碍等等。

3.1在地质调查中的应用

区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的领域也是高光谱成像应用中最成功的一个领域。如今地面光谱仪主要有澳大利亚的PIMA，美国的ASD，GER,热红外FT-IR等，国内的有中科院研发的OMIS系列，PHI等。

利用高光谱遥感（含热红外高光谱）进行矿物识别可分为3?个层次：矿物种类识别、矿物含量识别和矿物成分识别。（1.基于单个诊断性吸收的特征参数；2.基于完全波形特征；3.基于光谱知识模型）在矿物识别和矿物精细识别的基础之上，根据矿物共生组合规律和矿物自身的地质意义指示作用，直观地反演各种地质因素之间的内在联系，可提高高光谱在地质应用中分析和解决地质问题的效能。

随着高光谱遥感地质应用的不断扩展和日益深入，高光谱遥感技术和方法也在不断改进。近年来在基于高光谱数据的矿物精细识别、高光谱影像地质环境信息反演、基于高光谱遥感的行星地质探测等方面取得了突出的进展。高光谱遥感在地质成因环境探测、蚀变矿物与矿化带的探测、成矿预测、岩性的识别与分类、油气资源及灾害探测、高光谱植被重金属污染探测等方面也有应用。

3.2在植被研究中的应用

高光谱超多波段的成像光谱数据为植被分类识别提供了比以往更加详细的信息,基于高光谱遥感的植被识别精度远远超出了常规所能获取信息的精确性和可靠性,体现出高光谱在植被信息获取能力方面的巨大优势。

高光谱成像还应用于生态环境梯度制图、光合作用色素含量提取、植被干物质信息提取、植被生物多样性监测、土壤属性反演、植被和土地覆盖精细制图、土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化检测、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾害评估等等。

植被高光谱数据，按获取方式的不同，采用相应的高光谱信息处理技术处理后可用于植被参数估算与分析，植被长势监测及估产等领域。另外，高光谱的出现使植物化学成分估测成为可能。

3.3在大气科学研究中的应用

高光谱成像具有非常高的光谱分辨率它不仅可以探测到常规成像更精细的被探测物的信息，而且也能探侧到大气吸收特征。

大气的分子和粒子的成份在反射光谱波段反映非常的强烈能够被高光谱仪器监测到。云盖制图，云顶高度和云层状态参数估算，大气水汽含量与分布估算，气溶胶含量估计以及大气光学特性评价等是高光谱成像技术在大气研究中的突出应用。

利用高光谱数据在准确探测大气成分的基础上，不仅能提高天气预报、灾害预警等的准确性更能提高其可靠性。

3.4在海洋研究中的应用

高光谱成像是当前海洋成像前沿领域。由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点，因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它既可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测，还可用于海冰、海岸带等的探测。

国内海洋遥感应用基础研究主要是一些数学模型的构建。关于如何解决水体的低反射率、大气对蓝紫波段光谱的散射影响等难题的研究还未涉足。在海洋水质监测应用方面，只有可见光光谱能够观测水下的状况。另外，陆源污染、海水养殖、滩涂等海岸带典型要素的光谱特性研究工作也在开展，研究人员以航空高光谱图像为数据源，选取陆源污染、海水养殖、滩涂为监测要素，进行上述要素的光谱波段敏感性研究，试获得其探测的最佳波段，并进一步发展准确、快速识别和探测技术。在海洋表面温度测量、海洋表层悬浮泥沙浓度的定性或半定量的观测、海洋动力现象的研究等方面都开展了相应的研究。

现在国际上开展的主要研究有:海洋碳通量研究；海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究；海岸带环境监测与管理。

3.5在农业方面的应用

成像信息定量获取的领域被高光谱成像技术所拓宽，由于运用越来越广泛也逐渐成为农业成像应用的重要前沿技术手段。

在农业方面作物长势情况，灾害监控和农业管理等方面我们都可以使用高光谱数据不仅能准确地反映田间作物本身的光谱特征以及作物之间光谱差异，也可以更精准地获取一些农学的信息，比如作物含水量，叶绿素的含量，叶面积指数（lai）等生态物理参数，更更好的预测作物长势和产量。

如今高光谱技术在作物叶片光谱特征研究，作物分类与识别，作物生态物理参数反演和提取，作物养分诊断与监测研究，作物长势监测与产量预测，农业成像信息模型研究，农业灾害监测中已经取得了巨大的进步和发展。

随着农业方面研究的深入，光谱和空间分辨率的在不断的提高，不久以后高光谱在农业方面的应用就可以从理论走向运作。

3.6在军事方面的应用

由于高光谱遥感在地面目标识别方面的优势，很早就被应用于军事领域并且逐步取代多光谱遥感成为主要侦察手段。

（1）战场详细侦察

高光谱遥感仪器能够在连续的工作波段上同时对目标进行探测，可以直接反应被测的物体的光谱特征，能够分辨出目标表面成分和状态，可以得到空间探测信息与地面实际目标之间存在的精确对应关系。

以色列的科学家利用CASI高光谱成像光谱仪在特拉维夫市进行了研究,从CASI图像中选择典型的地物作为端元数据,对河流、沙土、植被等地物都取得了很好的识别效果。

美国海军设计的高光谱成像仪,可在0.4~2.5m光谱范围内提供210个波段的光谱数据,可获得近海环境目标的动态特性,例如海水的透明度、海洋深度、海流、海底特征、水下危险物、油泄漏等成像数据,为海军近海作战提供参考美国提出了数字化地球研究目标是建立全球地表每平方米的数据库包括目标和背景特征光谱在内的多种参数.数据库建立以后,全球任何地方的军事目标都会处于其监控和打击之下。

（2）识别伪装目标

在军事目标侦察、识别伪装方面,高光谱遥感能够依据背景与伪装目标不同的光谱特性发现军事装备通过光谱特征曲线可反演出目标的组成成分从而揭露与背景环境不同的目标及其伪装绿色装材料检测的一个重要手段就是利用植物的红边效应植被在680~720nm反射率升高通过检测其位置和斜率的特征就可以识别植被的种类和状态。现有绿色伪装材料的光谱曲线大体上可以与植被相吻合在多光谱侦察条件下能够满足伪装要求但是在高光谱细微的分辨能力下经过伪装的目标便无所遁形刘凯龙等以植被的红边作为基本识别特征识别准确率达到了99%。?

（3）机载高光谱设备

Elbit系统公司最近推出的Hermes450和Hermes900无人机系统(UAS)高光谱有效载荷扩展了其有效载荷系列，新研发的两种有效载荷具有创新的情报能力。

这项独特、新颖的高光谱成像技术是基于Elbit系统公司的下属Electro-OpticsElop公司的专项研究，能使不同波长的影像同时成像。其独特的有效载荷能够使自然界所有材料的光谱信号成像，就像指纹成像一样。这种非常敏感的成像技术可以在较宽的光谱范围和极高的分辨率下区分大多数颜色来进行遥感作业。

这种机载高光谱系统可用来识别、测量和跟踪各种材料和物体，包括发现弱信号军事活动和暗藏障碍物，以及识别危险品。作为补充，它配有一个可提供自动成像/数据翻译和任务规划系统的地面设施。

Hermes450和Hermes900无人机系统(UAS)的配置使该技术很容易在各种情况下发挥遥感和监测能力。

3.7在其他方面的应用

高光谱在其他领域也有广泛应用。如城市下垫面特征和环境，高光谱遥感的发展使得人们有能力对城市地物的光谱特性进行深人研究，人们用实验室光谱、地物光谱、航空和航天的高光谱遥感器对城市的光谱进行了一系列的深人分析。研究的内容包括城市地物的光谱特性及可分性，为市环境遥感分析及制图提供基础。一些研究人员利用高光谱数据结合光谱检测算法对城市地物分类进行了研究。

4.结论

至今为止，国内外最常用的成像光谱仪还是以航天航空机载为主，想要进入到实用阶段，还需要由航天航空成像转向卫星成像。在未来携带高光谱和空间分辨率成像光谱仪的特点卫星将会陆续发射。但是目前面向高光谱成像应用的发展大多以地物分类，地物识别，特征信息提取为目标的信息处理和定量化分析模型，所以提高高光谱数据处理的自动化和智能化以及开发专用的成像数据处理分析软件系统和地物光谱数据库，仍是高光谱成像研究的主要任务。

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恒以致远，商以载道

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