成像光谱仪及其应用概述

光谱技术知识讲堂2.1成像光谱仪简介及其应用概述成像光谱仪：将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像。在陆地、大气、海洋等领域的研究观测中有广泛的应用。成像光谱仪–概述成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的，它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用，高成像光谱仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平.。由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像，达到从空间直接识别地球表面物质的目的，成为遥感领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。地面上采用成像光谱仪也取得了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等方面。成像光谱仪主要性能参数是：（1）噪声等效反射率差（NE∆p），体现为信噪比（SNR）；（2）瞬时视场角（IFOV），体现为地面分辨率；（3）光谱分辨率，直观地表现为波段多少和波段谱宽。高光谱分辨率遥感信息分析处理，集中于光谱维上进行图象信息的展开和定量分析，其图象处理模式的关键技术有：⑴超多维光谱图象信息的显示，如图像立方体（见图一）的生成；⑵光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图象-光谱转换；⑶光谱编码，尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法；⑸混合光谱分解模型；⑹基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。高光谱分辨率成像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。成像光谱仪的基本原理36光谱技术知识讲堂2.11、系统工作原理与结构：高成像光谱仪将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右(目前美国产SOC730成像光谱仪的带宽已达到2nm)的连续光谱覆盖。根据成像光谱仪的扫描方式，其工作原理也不尽相同，作为光学成像仪成像的一个例子，这里简述一下焦平面探测器推扫成像原理。1．1、系统工作原理：焦平面探测器推扫成像原理，地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面，狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过，挡掉其他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜，由物镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上，经色散元件在垂直条带方向按光谱色散，用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，称光谱维，每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样，面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据，连续记录光谱图像，就得到地面二维图像。1．2、成像光谱仪数据获取系统构成：成像光谱仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成。数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。软件具有如下功能：数据备份；快速回放；数据规整和格式转换；图像分割截取；标准格式的图像数据生成等。图二：一种内置扫描装置的成像光谱仪SOC710HyperspectralImager成像光谱仪的应用成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域。目前，成像光谱仪在土地利用、农作物生长、分类，病虫害检测，海洋水色测量，城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面都有着很广泛和深远的应用前景。可见光近红外光谱范围超成像光谱仪最广阔的应用领域为植被和海洋；植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶绿素含量和成份，正常生长的植物有典型的光谱形状；当生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起反射强度比例变化和吸收光谱特征的微小位移，这种位移的观测要求超成像光谱仪具有优于5nm的光谱分辨率和100以上的信噪比。在光波范围能够观测水下状况的只有可见光，其中穿透性最好的波长范围为0．45～0．60μm(蓝光至黄光)，亦被称为“海洋窗口”。可见光超成像光谱仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况，但是获取海洋表层37光谱技术知识讲堂2.1中悬浮体物质在质量和数量方面的信息时，不仅需要高光谱分辨率，而且要很高的辐射灵敏度(信噪比500以上)。2．1在农林业上的应用在农林业上的应用很多，如农作物长势分析、作物类别鉴定、病虫害防治分析、产量评估、林业资源调查、伐林造林、森林草场调查、土地沙化、土壤侵蚀等。2．1．1、在农业、林业中的应用：高成像光谱仪可以用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品种因素与品质指标之间的相关性，还可以得出环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量、沉降值、吸水率、形成时间和稳定时间之间存在的相关性，并利用不同品种、不同肥水条件下的作物关键生育时期的生化参量与光谱指数进行分析，预测预报籽粒品质。2005年6月12日我国首次利用地物光谱仪高空监测小麦条锈病5。在位于昌平小汤山的“国家精准农业研究示范基地”小麦实验田，国家自然科学基金项目研究的“基于3S技术的小麦条锈病监测预警”采用热气球进行近地遥感监测小麦条锈病初步获得成功，这在我国尚属首次。这项研究以小麦条锈病为对象，根据全球定位系统(GPS)的精确定位，利用地理信息系统(GIs)研究其大区流行规律，利用遥感(Rs)技术探索其实时监测新途径(合称3S技术)，期望最终构建基于网络的小麦条锈病监测预警信息系统，这项成果将为政府部门制订小麦条锈病防治决策方案提供科学依据，也为信息技术在植物病害研究中的应用提供新的方法借鉴。项目研究的成功将会促进我国重大农作物病害监测与预警系统的规范化和实用化，实现病害大流行早知道，保障粮食生产，增加农民收入，缩小我国植物病害监测预警技术与国际前沿水平的差距。2．1．2、农业作物长势监测：主要利用红外波段和近红外波段的遥感信息，得到的植被指数(NDVI)与作物的叶面积指数和生物量正相关5。利用NDVI过程曲线，特别是后期的变化速率预测冬小麦产量的效果很好，精度较高。在农业应用中，通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥感，来及时(平均2天～3天一次)地提供农作物长势、水肥状况和病虫害情况，称之为“征兆图”(SymptomMaps)，供诊断、决策和估产等使用。为了实时地获取数据，需要反复利用航空遥感或利用各个小卫星建立全球数据采集网。高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有待解决，如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标志研究，遥感与GIS的集成对作物胁迫作用的诊断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥感定量关系。为了解决上面的理论和应用问题，需要抓住高光谱、高分辨率、雷达遥感等技术手段和“三S”集成技术等关键技术。对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷量等生物物理参数进行分析和估算。在精准农业研究中，高光谱遥感具有广阔的应用前景。比如可以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参数，就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的生物和农学参数的反演。这种研究可以用来研究生态系统过程，如光合作用、C、N循环等，也可以用来对生态系统进行描述和模拟。最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的光谱特征农学遥感机理，将其应用于遥感估产，做到对农作物生长势的动态监测、病虫害的早期诊断和产量的早期预报。可以用于农业自然灾害(水、旱、火、虫、38光谱技术知识讲堂2.1病等)的遥感实时动态监测和损失评估，主要农作物的长势、播种面积的监测和产量预报以及草地估产、草畜平衡估算，进行农业自然资源与环境的动态监测与评估，进行全国耕地变化的遥感动态监测。2．2、环境监测：环境监测主要应用在1．石化工业：如对油品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析等，还可对其有害元素含量是否超标进行分析监测；2．生态环保：污水或水中有害金属分析，植物中残余无机元素的分析；3．建筑、建材工业：结合城市地物和人工目标的检识等，对水泥、玻璃及耐火材料分析。2．3、自然灾害和灾情评估：目前我国在加紧研制的环境灾害监测卫星，计划在2005年前研制出由两个光学卫星和一个雷达卫星组成的小卫星星座。在2010年前研制出由四个光学卫星和4个雷达卫星组成的小卫星星座，开展对环境和灾害全天时、全天候的监测。自然灾害监测和灾情评估可以包括很多种，如洪涝、干旱、雪灾、森林大火、地震、海洋状况等。赤潮是指海洋微藻、细菌和原生动物在海水中过度增殖或聚集致使海水变色的一种现象。随着经济发展，沿海富营养化加剧，近年来赤潮的频繁发生和规模的不断扩大，破坏了渔业资源和海产养殖业，赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安全。2002年我国海域共发现赤潮79次，累计面积超过10，000平方公里，直接经济损失2300万元。利用机载高成像光谱仪，获得了赤潮爆发现场8G高光谱数据。通过海监船的现场取样和事后数据分析，上海技物所高成像光谱仪利用赤潮种类鉴别软件，数据质量良好，很好地反映了赤潮光谱特性。所以，利用高成像光谱仪获得的数据，可以迅速对赤潮做出反应，有利于赤潮的及早发现、分类、控制和治理，从而减小赤潮的危害。2．4、海洋资源普查：利用成像光谱仪可获得海陆相互作用区域的高分辨率图像，可以兼顾海洋和陆地的需求，目前高成像光谱仪已经应用于我国海岸带重点地区(黄河口、长江口和珠江口)的资源和植被调查、海岸带动态监测，以及海岸带变迁的长期研究。叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营养化、赤潮等密切相关的指标，同时，也是研究全球气候变化的重要依据。目前利用高成像光谱仪已能够较准确地确定大洋和远海的叶绿素分布，但近岸水体的叶绿素分布的反演精度还需进一步提高。除了以上实际应用外，目前高成像光谱仪在自然科学的大部分领域起着主要的作用。随着面阵探测器阵列制造技术的进一步提高，一些新型的成像光谱技术得到了应用，具有这些技术的光谱仪更具有可靠性和稳定性的特点，并且体积小、重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更宽（如美国产的SOC710成像光谱仪，其光谱分辨率小于5nm，重量仅3kg，不需要配备云台，非常方便野外使用，见图二）。这种成像光谱仪将会成为新一代成像光谱仪的代表，科学研究人员也会对此类光谱仪投入更多的关注而使其得到更广泛的应用。（本节完）39