淺談高光譜技術(shù)

淺談高光譜技術(shù)摘要:高光譜分辨率遙感是20世紀(jì)80年代興起的新型對地觀測技術(shù)，與傳統(tǒng)遙感相比，高光譜遙感具有更為廣泛的應(yīng)用前景。文中概述了高光譜遙感的特點(diǎn)、發(fā)展過程、發(fā)展程度及目前幾種典型的成像光譜儀數(shù)據(jù)特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：高光譜技術(shù) 成像光譜儀信息提取前言：高光譜技術(shù)處在國際遙感科技發(fā)展的前沿，高光譜遙感技術(shù)以其光譜分辨率高、光譜劃分精細(xì)、波段多、信息量豐富等獨(dú)特性能儀應(yīng)用于不同領(lǐng)域，有巨大的應(yīng)用潛力與前景。本文主要利用成像光譜儀獲取的高光譜數(shù)據(jù)。充分利用像素的光譜特性，針對產(chǎn)品的高光譜數(shù)據(jù)立方體對象，分類歸為純凈光譜，另類光譜和混合光譜，有效區(qū)分各類型，進(jìn)而可以分析產(chǎn)品的區(qū)域差異，用于技藝識(shí)別和文物保護(hù)。一、高光譜技術(shù)的概念及特點(diǎn)所謂高光譜遙感技術(shù)，即高光譜分辨率遙感，指利用很多很窄的電磁波波段（通常＜10nm）從感興趣的物體獲取有關(guān)數(shù)據(jù)；與之相對的則是傳統(tǒng)的寬光譜遙感，通常＞100nm，且波段并不連續(xù)。高光譜圖像是由成像光譜儀獲取的，成像光譜儀為每個(gè)像元提供數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段光譜信息，產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì)，在高光譜中能被探測。同其它傳統(tǒng)遙感相比，高光譜遙感具有以下特點(diǎn)：⑴波段多。成像光譜儀在可見光和近紅外光譜區(qū)內(nèi)有數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)波段。（2）光譜分辨率高。成像光譜儀采樣的間隔小，一般為10nm左右。精細(xì)的光譜分辨率反映了地物光譜的細(xì)微特征。（3）數(shù)據(jù)量大。隨著波段數(shù)的增加，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增加。（4）信息冗余增加。由于相鄰波段的相關(guān)性高，信息冗余度增加。二、高光譜技術(shù)的發(fā)展隨著成像光譜儀技術(shù)的快速發(fā)展，高光譜遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展也取得了突破性的進(jìn)展。高光譜遙感波段數(shù)眾多，致使其數(shù)據(jù)量也呈指數(shù)增加，海量的數(shù)據(jù)給研究人員的分析和應(yīng)用帶來不便。人們通過大量的科研實(shí)踐，發(fā)展了新的數(shù)據(jù)處理方法來適應(yīng)成像光譜數(shù)據(jù)做定量分析。（一） 基于純像元的分析方法基于光譜特征的分析方法?；诠庾V特征的分析方法主要從地物光譜特征上出發(fā)，表征地物的特征光譜區(qū)間和參數(shù)。這種方法普遍用于MSS和TM圖像的處理和分析應(yīng)用中。高光譜遙感中的吸收譜線較傳統(tǒng)的遙感更為細(xì)化和連續(xù),一些在傳統(tǒng)遙感的光譜曲線中不可分的特征變得顯著起來。所以許多研究人員沿用了這種方法，這一方法通過對比分析地面實(shí)測的地物光譜曲線來區(qū)分地物?！肮庾V匹配”是利用成像光譜儀探測數(shù)據(jù)進(jìn)行地物分析的主要方法之一?；诮y(tǒng)計(jì)模型的分類方法。基于統(tǒng)計(jì)模型的分類方法主要是對高光譜數(shù)據(jù)樣本的總體特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對樣本采樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分布特征的分析可以幫助識(shí)別不同的目標(biāo)物。按照距離來度量模式相似性的幾何分類法和基于Bayes準(zhǔn)則的最大似然法是統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的兩種基本方法。（二） 基于混合像元的分析由于傳感器空間分辨率的限制以及地物的復(fù)雜多樣性，遙感影像中的像元大多數(shù)都是幾種地物的混合體，而它的光譜特征也就成了幾種地物光譜特征的混合體。如果將該像元作為一種地物分析，勢必會(huì)帶來分類誤差，不能真實(shí)地反映地面情況。概括起來，混合模型有線性光譜混合模型、非線性光譜混合模型和模糊模型三種。線性混合模型假定混合像元的反射率為它的端元組分的反射率的線性組成，這種模型較為簡單，因而也是目前使用最廣泛的一種模型。美國馬里蘭大學(xué)的研究人員提出了一種正交子空間投影方法（OSP），他們將224個(gè)波段的AVIRIS影像數(shù)據(jù)去掉噪聲較大的波段后得到158個(gè)波段，再針對五種主要地物類型，采用OSP方法得到5個(gè)分量影像,每個(gè)分量各表示一種地物類型的分布情況。經(jīng)檢驗(yàn)，成圖的分類結(jié)果與地面觀測是一致的。這一方法既考慮了混合光譜問題，又考慮了數(shù)據(jù)壓縮問題，還在處理過程中加入了去噪聲的操作，是目前比較有代表性的混合像元處理技術(shù)。三、高光譜技術(shù)的應(yīng)用高光譜遙感由于具有極高的光譜分辨率，在植被研究中的應(yīng)用已使得植被遙感的范圍被擴(kuò)大到生態(tài)意義上l5。通過對來源不同的植被高光譜遙感數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的技術(shù)處理后，可將其用于植被參數(shù)估算與分析，植被長勢監(jiān)測以及估產(chǎn)。（一） 在植被檢測中的應(yīng)用①植物的“紅邊”效應(yīng)：“紅邊”是位于紅光低谷及紅光過渡到近紅外區(qū)域的拐點(diǎn)，通過其位置和斜率的特征來體現(xiàn)。是植物光譜曲線最典型的特征,能很好地描述植物的健康及色素狀態(tài)。當(dāng)綠色植物葉綠素含量高、生長活力旺盛時(shí)，“紅邊”會(huì)向紅外方向偏移，當(dāng)植物患病時(shí)葉綠素減少，“紅邊”會(huì)向藍(lán)光方向移動(dòng)。植物缺水等原因造成葉片枯黃，“紅邊”會(huì)向近紅外方向移動(dòng)。當(dāng)植物覆蓋度增大時(shí)“紅邊”的斜率會(huì)變陡。②植被指數(shù):植被指數(shù)是利用遙感光譜數(shù)據(jù)監(jiān)測地面植物生長和分布、定性、定量評估植被的一種有效方法。根據(jù)不同的研究目的，人們已經(jīng)提出了幾十種植被指數(shù)，如歸一化植被指數(shù)NDVI，比值植被指數(shù)RVI，土壤調(diào)整植被指數(shù)SAVI等等。目前，植被指數(shù)已廣泛用來定性和定量評價(jià)植被覆蓋及其生長狀況。（二） 在大氣和環(huán)境方面的應(yīng)用大氣中的分子和粒子成分在太陽反射光譜中有強(qiáng)烈反應(yīng)，這些成分包括水汽、二氧化碳、氧氣、臭氧、云和氣溶膠等。傳統(tǒng)寬波段遙感方法無法識(shí)別出由于大氣成分的變化而引起的光譜差異，而波段很窄的高光譜則能夠識(shí)別出這種光譜差異。（三） 在壁畫修復(fù)方面的應(yīng)用模擬壁畫顏料與標(biāo)準(zhǔn)顏料光譜曲線的形狀特征及其一階導(dǎo)數(shù)特征峰和計(jì)算顏料光譜匹配度，有效準(zhǔn)確地甄別出藍(lán)銅礦、孔雀石、雌黃、藤黃、雄黃、鉛丹和朱砂，但無法判別胭脂。同時(shí)，高光譜技術(shù)鑒定出的西藏拉薩大昭寺轉(zhuǎn)經(jīng)廊壁畫中藍(lán)銅礦、孔雀石、鉛丹和朱砂顏料，與便攜式X射線熒光元素成分結(jié)果一致。四、結(jié)束語高光譜遙感以其光譜分辨率高、圖譜合一的特點(diǎn)受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。從二十世紀(jì)八十年代開始到現(xiàn)在的二十多年中，無論在成像光譜儀等硬件方面還是在圖像處理系統(tǒng)等軟件方面都得到了的迅速的發(fā)展。目前主要應(yīng)用于地質(zhì)、植被調(diào)查、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、軍事等領(lǐng)域。迄今為止，國內(nèi)外常用的成像光譜儀還是以航空機(jī)載的為主，要進(jìn)入實(shí)用階段,需要由航空遙感轉(zhuǎn)向衛(wèi)星遙感。所以，未來攜帶更高光譜和空間分辨率成像光譜儀的衛(wèi)星會(huì)陸續(xù)發(fā)射。當(dāng)前，面向高光譜遙感應(yīng)用，發(fā)展以地物精確分類、地物識(shí)別、地物特征信息提取為目標(biāo)的高光譜遙感信息處理和定量化分析模型，提高高光譜數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和智能化水平，開發(fā)專用的高光譜遙感數(shù)據(jù)處理分析軟件系統(tǒng)和地物光譜數(shù)據(jù)庫仍是高光譜遙感研究的主要任務(wù)，旨在將高光譜遙感更精確地應(yīng)用于更多更廣的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)梅安新，彭望碌.遙感