我國高光譜遙感的發(fā)展

1、我國高光譜遙感的發(fā)展    遙感對地觀測要解決的兩個(gè)重要問題，一是幾何問題，二是物理問題。前者正是攝影測量的目標(biāo)，后者則要回答觀測的對象是什么？這就是遙感問題。圖像和光譜是人們在紛繁的大千世界中認(rèn)識事物，以至識別所要尋求的對象最重要的兩種依據(jù)。圖像為解決地物的幾何問題提供了基礎(chǔ)，光譜往往反映了地物所特有的物理性狀。現(xiàn)代遙感技術(shù)的發(fā)展，使得地物的成像范圍不僅延伸到人們不可見的紫外和紅外波長區(qū)，而且可以在人們需要的任何波段獨(dú)立成    遙感對地觀測要解決的兩個(gè)重要問題，一是幾何問題，二是物理問題。前者正是攝影測量的目標(biāo)，后者則要

2、回答觀測的對象是什么？這就是遙感問題。圖像和光譜是人們在紛繁的大千世界中認(rèn)識事物，以至識別所要尋求的對象最重要的兩種依據(jù)。圖像為解決地物的幾何問題提供了基礎(chǔ)，光譜往往反映了地物所特有的物理性狀。現(xiàn)代遙感技術(shù)的發(fā)展，使得地物的成像范圍不僅延伸到人們不可見的紫外和紅外波長區(qū)，而且可以在人們需要的任何波段獨(dú)立成像或連續(xù)成像。高光譜遙感的光譜分辨率高于百分之一波長達(dá)到納米(nm)數(shù)量級，其光譜通道數(shù)多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百。高光譜或成像光譜技術(shù)就是將由物質(zhì)成分決定的地物光譜與反映地物存在格局的空間影像有機(jī)地結(jié)合起來，對空間影像的每一個(gè)像素都可賦予對它本身具有特征的光譜信息。遙感影像和光譜的合一，實(shí)現(xiàn)了人們認(rèn)識

3、論中邏輯思維和形象思維的統(tǒng)一，大大提高了人們對客觀世界的認(rèn)知能力，為人們觀測地物、認(rèn)識世界提供了一種犀利手段，這無疑是遙感技術(shù)發(fā)展歷程中的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。    20多年來，高光譜遙感已發(fā)展成一個(gè)頗具特色的前沿技術(shù)，并孕育形成了一門成像光譜學(xué)的新興學(xué)科門類。它的出現(xiàn)和發(fā)展將人們通過遙感技術(shù)觀測和認(rèn)識事物的能力帶入了又一次飛躍，續(xù)寫和完善了光學(xué)遙感從全色經(jīng)多光譜到高光譜的全部影像信息鏈。由于高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的很大關(guān)注，并有了快速發(fā)展。其應(yīng)用領(lǐng)域已涵蓋地球科學(xué)的各個(gè)方面，在地質(zhì)找礦和制圖、大氣和環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和森林調(diào)查、海洋

4、生物和物理研究等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。    1983年，世界第一臺成像光譜儀AIS1在美國研制成功，并在礦物填圖、植被生化特征等研究方面取得了成功，初顯了高光譜遙感的魅力。在此后，許多國家先后研制了多種類型的航空成像光譜儀。如美國的AVIRIS、DAIS，加拿大的FLI、CASI，德國的ROSIS，澳大利亞的HyMap等。    在經(jīng)過航空試驗(yàn)和成功運(yùn)行應(yīng)用之后，90年代末期終于迎來了高光譜遙感的航天發(fā)展。1999年美國地球觀測計(jì)劃（EOS）的Terra綜合平臺上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）、號稱新千年計(jì)劃第一星的EO-

5、1，歐洲環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）上的MERIS，以及歐洲的CHRIS衛(wèi)星相繼升空，宣告了航天高光譜時(shí)代的來臨。    上世紀(jì)80年代初、中期，在國家科技攻關(guān)項(xiàng)目和863計(jì)劃的支持下，我國亦開展了高光譜成像技術(shù)的獨(dú)立發(fā)展計(jì)劃。我國高光譜儀的發(fā)展，經(jīng)歷了從多波段到成像光譜掃描，從光學(xué)機(jī)械掃描到面陣推掃的發(fā)展過程。根據(jù)我國海洋環(huán)境監(jiān)測和森林探火的需求，研制發(fā)展了以紅外和紫外波段以及以中波和長波紅外為主體的航空專用掃描儀。80年代中期，面向地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘探，又研制了工作在短波紅外光譜區(qū)間（2.02.5 mm）的68波段細(xì)分紅外光譜掃描儀（FIMS）和工作波段在812mm

6、光譜范圍的航空熱紅外多光譜掃描儀（ATIMS）。在此基礎(chǔ)上于80年代后期又研制和發(fā)展了新型模塊化航空成像光譜儀（MAIS）。這一成像光譜系統(tǒng)在可見近紅外短波紅外具有64波段，并可與6-8波段的熱紅外多光譜掃描儀集成使用，從而使其總波段達(dá)到7072個(gè)。這一系列高光譜儀器的研制成功，為中國遙感科學(xué)家提供了新的技術(shù)手段。通過在我國西部干旱環(huán)境下的地質(zhì)找礦試驗(yàn)，證明這一技術(shù)對各種礦物的識別以及礦化蝕變帶的制圖十分有利，成為地質(zhì)研究和填圖的有效工具。    此后，中國又自行研制了更為先進(jìn)的推帚式成像光譜儀（PHI）和實(shí)用型模塊化成像光譜儀（OMIS）等，并在國內(nèi)外得到多次應(yīng)

7、用，成為世界航空成像光譜儀大家庭中的一員。PHI成像光譜儀在可見到近紅外光譜區(qū)具有2448波段，中波紅外區(qū)（3.05.0m）8波段，熱紅外區(qū)（8.012.5m）68波段。新的成像光譜系統(tǒng)不僅繼續(xù)在地質(zhì)和固體地球領(lǐng)域研究中發(fā)揮作用，而且在生物地球化學(xué)效應(yīng)研究、農(nóng)作物和植被的精細(xì)分類、城市地物甚至建筑材料的分類和識別方面都有很好的結(jié)果。    在航空高光譜技術(shù)取得成功的基礎(chǔ)上，2002年3月在我國載人航天計(jì)劃中發(fā)射的第三艘試驗(yàn)飛船“神舟三號”中，搭載了一臺我國自行研制的中分辨率成像光譜儀。這是繼美國EOS計(jì)劃MODIS之后，幾乎與歐洲環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）上的ME

8、RIS同時(shí)進(jìn)入地球軌道的同類儀器。它在可見光到熱紅外波長范圍（0.4-12.5m）具有34個(gè)波段。2007年10月24日我國發(fā)射的“嫦娥-1”探月衛(wèi)星上，成像光譜儀也作為一種主要載荷進(jìn)入月球軌道。這是我國的第一臺基于富里葉變換的航天干涉成像光譜儀，它具有光譜分辨率高的特點(diǎn)。在我國計(jì)劃于2008年發(fā)射的環(huán)境與減災(zāi)小衛(wèi)星（HJ-1）星座中，也將搭載一臺工作在可見光近紅外光譜區(qū)（0.450.95m）、具有128個(gè)波段、光譜分辨率優(yōu)于5nm的高光譜成像儀。它將對廣大陸地及海洋環(huán)境和災(zāi)害進(jìn)行不間斷的業(yè)務(wù)性觀測。即將發(fā)射升空的我國“風(fēng)云-3”氣象衛(wèi)星也將中分辨率光譜成像儀作為基本觀測儀器，納入大氣、海洋、

9、陸地觀測體系，為對地球的全面觀測和監(jiān)測提供服務(wù)。高光譜遙感系統(tǒng)在我國的普遍應(yīng)用，標(biāo)志著我國的高光譜遙感已逐步走向成熟。特別應(yīng)該指出的是中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和西安光學(xué)精密機(jī)械研究所在發(fā)展我國航空航天高光譜成像系統(tǒng)中作出了重大貢獻(xiàn)。    高光譜遙感影像數(shù)據(jù)的一個(gè)重要特征是超多波段和大數(shù)據(jù)量，對它的處理也就成為其成功應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。對于高光譜圖像處理和分析來說，其研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)主要體現(xiàn)在對高光譜圖像的壓縮、糾正和地物分類、目標(biāo)識別等方面。在高光譜圖像的大氣糾正方面，除了基于地面光譜輻射測量和大氣模型的糾正方法之外，基于圖像自身大氣吸收波段的大氣糾正模型是

10、當(dāng)前的熱點(diǎn)；而基于平臺精確姿態(tài)和位置的圖像幾何糾正算法已在我國大面積航空高光譜圖像幾何自動糾正方面取得了很好的效果。    高光譜圖像的分類和識別，歸納起來主要有兩種方法，即基于地物光譜特征的分類識別方法和基于統(tǒng)計(jì)的分類識別方法。前者是利用光譜庫中已知的光譜數(shù)據(jù)，采用匹配算法來鑒別和識別圖像中地物類型。這種方法既可采用全波長的比較和匹配，也可用感興趣的光譜特征或部分波長的光譜或光譜組合參量進(jìn)行匹配，達(dá)到分類和識別的目的。    基于統(tǒng)計(jì)特征的分類，可采用非監(jiān)督和監(jiān)督分類兩種方法，非監(jiān)督方法甚至不需要有對數(shù)據(jù)的先驗(yàn)知識，也可以直接應(yīng)用原

11、始高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)來進(jìn)行分類，雖然精度有所欠缺，但簡單易行，也是常用的方法之一。    高光譜遙感應(yīng)用的普及和深入在很大程度上與處理分析軟件的發(fā)展息息相關(guān)。伴隨著航空航天遙感的不斷發(fā)展，國際上遙感商業(yè)軟件的市場競爭也日益激烈。到目前為止，國際上已經(jīng)開發(fā)了十余套專用的高光譜圖像處理與分析軟件系統(tǒng)，對高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用的普及和發(fā)展起到了很大的推動作用。自上世紀(jì)90年代末期，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所著手對高光譜遙感圖像處理和分析系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。近年來，在863計(jì)劃支持下，利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室這一平臺，已形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高光譜遙感圖像處理和分析軟件系統(tǒng)（HIPAS V1.0）。這一系統(tǒng)采用了模塊化思路和組件技術(shù)，具有很強(qiáng)的可移植性和跨平臺支持能力；它的開放式外存儲結(jié)構(gòu)，幾乎能兼容業(yè)內(nèi)所有主流遙感影像格式。HIPAS系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是它的專業(yè)應(yīng)用模塊，如光譜分析模塊、礦物填圖模塊、目標(biāo)提取模塊等。