高光谱研究综述

浙江师范大学研究生课程论文封面课程名称：遥感理论与技术开课时间：2014-2015年第一学期学院地理与环境科学学院学科专业自然地理学学号2014210580姓名张勇学位类别全日制硕士任课教师陈梅花交稿日期2015年1月21日成绩评阅日期评阅教师签名浙江师范大学研究生学院制高光谱遥感应用研究综述张勇（浙江师范大学地理环境与科学学院，浙江金华321004）摘要：高光谱遥感是近二十年发展起来的谱像和一的遥感前沿技术。虽然发展时间不长，但由于其本身的特点，使其获得了广泛的重视和应用。本文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。关键字：高光谱遥感；应用；成像光谱以；研究综述ConclusionapplicationofhyperspectralremotesensingZhangYong(Geographyandenvironmentalsciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004)Abstract:Hyperspectralremotesensing,developedinthelatetwentyyears,istheadvancedtechnologyofremotesensing.Becauseofitscharacters,HyperspectralRemoteSensinghasbeenattachedimportancetoandusedwidly.Thecharacteristicsandadvantagesofhyperspectralremotesensing,anddevelopmentsituationarepresentedinthefieldsofaviationandaerospace.Severaltypicalhyperspectralimageropticalsystemprincipleandthemaintechnicalindicatorsareparticularized.Atthesametime,theapplicationswithhyperspectralremotesensinginvegetationecology,atmosphericscience,geologyandmineralresources,marineandmilitaryfieldsaresummarized.Thesuggestionsforthefuturedevelopmenttrendofhyperspectralremotesensingaregivenintheend，includingtheremotesensingoflowreflectivitytarget,highsignal-to-noiseratio,highspatialresolutionandwidecoverages.Keywords:hyperspectralremotesensing；application；imagingspectrometer1引言遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术，是指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术[1]。经过几十年的发展，无论在遥感平台、遥感传感器、还是遥感信息处理、遥感应用等方面，都获得了飞速的发展，目前遥感正进入一个以高光谱遥感技术、微波遥感技术为主的时代。本文系统地阐述了高光谱遥感技术在分析技术及应用方面的发展概况，并简要介绍了高光谱遥感技术主要航空/卫星数据的参数及特点。1.1高光谱遥感简介高光谱遥感技术又称为成像光谱技术，是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据[2]。它是源于多光谱遥感技术，以测谱学为基础在二十世纪八十年代初发展起来的遥感前沿技术。高光谱遥感的显著特点之一是其所提供的高光谱分辨率。过去的多光谱遥感如TM等只能提供7个100-200nm分辨率的间断波段信息，高光谱遥感则可提供几十数百个10nm左右分辨率的连续波段信息，使得高光谱遥感有足够的光谱分辨率对那些具有纳米级诊断光谱特性的地表物体进行区分。谱像和一技术是高光谱遥感的另一显著特点。在对目标地物成像的同时，每一个像素都获得了几十至几百个连续光谱的覆盖，使其图像同时具有空间、辐射和波谱的信息。高光谱遥感的出现使遥感领域发生了巨大的变化，大大加快了遥感技术从定性到定量发展的步伐。对高光谱遥感技术的应用也获得了更广泛的重视。目前世界上许多国家都在进行成像光谱卫星、高光谱遥感仪器的研究。如美国EOS计划中已发射升空的MODES卫星，0.4-14um的电磁波谱范围内具有36个光谱通道，EOS-Ⅰ在0.4-2.5um范围内有486个波段;我国也先后研制出了多种成像光谱仪:如在中科院遥感所和上海技物所等单位协助下研制的128个波段的OMIS-Ⅰ、68个波段的OMIS-Ⅱ、71个波段的MAIS,224个波段的PHI[3]。1.2高光谱的特点与优势同其它传统遥感相比，高光谱遥感具有以下特点：(1)波段多。成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。(2)光谱分辨率高。成像光谱仪采样的间隔小，一般为l0nm左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。(3)数据量大。随着波段数的增加，数据量呈指数增加[3](4)信息冗余增加。由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。(5)可提供空间域信息和光谱域信息，即“图谱合一”，并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。近二十年来，高光谱遥感技术迅速发展，它集探测器技术、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，已成为当前遥感领域的前沿技术。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(0.4um-2.5pm)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[4]。高光谱遥感在光谱分辨率方而的巨大优势，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而物质的目的。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[5]。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[6]。2高光谱遥感技术发展现状高光谱遥感技术是集探测器技术、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，技术成果主要表现为成像光谱仪研制、高光谱影像分析两方面[1-5]。2.1国外的成像光谱仪研制情况由于高光谱遥感在地物属性探测方面的巨大潜力，成像光谱技术得到了普遍重视[5-6]。(1)机载成像光谱仪1983年，第一幅高光谱影像由美国研制的航空成像光谱仪(AIS1)获取，标志着第一代高光谱成像仪的面世。1987年，美国宇航局(NASA)喷气推进实验室(JPL)研制成功航空可见光红外成像光谱仪(AVIRIS，这标志着第二代高光谱成像仪的问世。进入20世纪90年代，许多国家开始从事成像光谱仪研制，具有代表性的机载成像光谱仪如表1所示。表1国外主要的机载成像光(2)星载成像光谱仪在航天领域，由美国喷气推进实验室研制的对地观测计划中的中分辨率成像光谱仪(MODIS)，随TERRA卫星发射，成为第一颗在轨运行的星载成像光谱仪，从2000年开始向地面传送图像。到目前为止，已发射的具有代表性的星载成像光谱仪如表2所示。2000年，NASA发射的EO-1卫星上搭载的高光谱成像仪(Hyperion)，地面分辨率为30m,已在矿物定量填图方面取得了很好的应用效果。2002年美国的海军测绘观测(NEMO)卫星携带的海岸海洋成像光谱仪(COIS)具有自适应性信号识别能力，满足军用和民用的不同需求。另外，2007年6月交付美Kirtland空军基地的高光谱成像传感器将通过TacSat-3卫星载入太空。目前，许多国家都在积极研制自己的高光谱传感器，已明确有发射计划的有德国环境监测与分析计划的EnMAP只南非的多传感器小卫星成像仪MSMI和加拿大高光谱环境与资源观测者HERO。表2国外主要的星载成像光谱仪2.2国外的高光谱影像分析技术的研究现状在成像光谱仪快速发展的同时，地物光谱数据库、高光谱影像分析技术研究也得到了迅速发展。地物光谱数据库技术方面，以美国最为先进，有代表性的主要有JPL标准波谱数据库、USGS波谱数据库、ASTER波谱数据库和IGCP-264波谱数据库[6]。此外，美国空军部门和环保局针对大气污染和空气成分的诊断建立了AEDC/EPA光谱数据库，并针对美国海军研究室研制的HYDICE成像光谱仪建立了森林高光谱数据库等。部分其他国家也展开了光谱数据库技术研究和建设工作，如英国在20世纪90年代初针对海水颜色研究建立了海水光谱数据库。美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、日本国家空间发展局(NASDA)和大学及研究所都有专门的高光谱影像应用分析的研究机构[7]国外商业遥感图像处理系统，相继增加成像光谱数据处理模块，其中具有代表性的有RSI公司的ENVI,PCIGeomatics公司的PCI,MicroImages公司TNT-mips等。2.3国内高光谱遥感技术发展现状我国紧密跟踪国际高光谱遥感技术的发展，并结合国内不断增长的应用需求，于20世纪80年代中后期着手发展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、实用型模块化成像光谱仪(OMIS)系列、中科院长春光机所研制的高分辨率成像光谱仪(C-HRIS)和西安光机所研制的稳态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，并成功获取航天高光谱影像，其获取影像从可见光到近红外共30波段，中红外到远红外的4波段，空间分辨率为500m。2007年10月年发射的“嫦娥1号”卫星已携带中科院西安光机所研制的干涉成像光谱仪升空，用于获取月球表面二维多光谱序列图像及可分辨地元光谱图，通过与其他仪器配合使用对月球表面有用元素及物质类型的含量与分布进行分析，获得的数据用于编制各元素的月面分布图。从2007年到2010年，我国将组建环境与灾害监测预报小卫星星座，将携带超光谱成像仪，采用045-095um波段，平均光谱分辨率为5nm，地面分辨率为100m。我国在积极研制具有自主知识产权的成像光谱仪的同时，在地物光谱数据技术、高光谱影像分析技术等方面的研究中也取得了部分的成果。20世纪90年代初期，中科院安徽光机所、遥感所等单位对大量的典型地物进行了波谱采集，建立了我国第一个综合性“地物波谱特性数据库”。1998年，中国国土资源航空物探与遥感中心建立了“典型岩石矿物波谱数据库”，其中包含了我国主要的典型岩石和矿物500余种。2000年，中国科学院遥感所基于GIS和网络技术研制了典型地物波谱数据库及其管理系统，记录了10000多条地物波谱，并能动态生成相应的波谱曲线和遥感器模拟波段，实现了波谱数据库与“3S”技术的链接。3高光谱遥感的应用领域随着高光谱遥感技术的发展，光谱分辨率和空间分辨率越来越高，高光谱遥感在越来越多的领域得