成像光谱技术研究动态
王立平 刘洪博
1 引言ap什么意思
地物的反射辐射光谱特征是遥感的主要物理基础，是开展地球表层物质的物性和空间结构分析，进而加以识别的主要依据。成像光谱技术具有高光谱分辨率、超多波段和图谱合一的特点，在大尺度范围内探测地表物质连续光谱特性的同时，还获取了地物的空间形态和状态信息。成像光谱仪的光谱分辨率越高，所反映地物光谱特征就越精细，甚至可获取与实验室或地面实测光谱类似的曲线，为地物或地物成份的遥感识别奠定了基础。
2 成像光谱技术的发展与现状
成像光谱遥感所用的仪器是成像光谱仪。从世界范围来看，美国的成像技术发展较早，也最具代表性。从20世纪80年代到现在，美国已经研制了三代成像光谱仪。
第一代成像光谱仪的代表是航空成像光谱仪AIS。它由美国国家航空和航天管理局NASA所属sourcing
的喷气推进实验室JPL设计，已于1984-1986年装在NASA的C-130飞机上飞行。这是一台装有二维、近红外阵列探测器的实验仪器，128个通道，光谱覆盖范围从1.2~2.4μm，并在内华达Cuprite地区的应用中取得很好的效果。
第二代成像光谱仪的代表是机载可见光/近红外成像光谱仪AVIRIS，它有224个通道，使用光谱范围为0.41~2.45μm，每个通道的波段宽约为10nm。曾放在改装后的高空U2飞机上使用．为目前最常用的航空光谱仪之一。
基于NASA仪器的成功应用，也基于采矿工业及石油工业的需求，在AVIRIS之后，地球物理环境研究公司GER新东方雅思词汇书又研制了l台64考研政治历年真题通道的高光谱分辨率扫描仪GERIS。其中63个通道为高光谱分辨率扫描仪，第64通道是用来存储航空陀螺信息。该仪器由拥挤的英文单词3个单独的线性阵列探测器的光栅分光计组成。它与其他仪器的区别是在不同的光谱范围区内，通道的光谱宽度是不同的。
第三代高光谱成像光谱仪的代表是克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪FTHSI，适合在Cessna-206轻型飞机上使用。它的重量为35kg，采用256通道，光谱范围为400~1050nm，有2～10nm的光谱分辨率。视场角为15度。
在国内，成像光谱仪的研制工作主要由中国科学院上海技术物理研究所负责。由于“七五”和“八五”期间跟踪国际前沿技术，成像光谱仪的仪器研制已跻身于国际先进行列。先后研制成功了多光谱扫描仪、红外细分光谱扫描仪FIMS、热红外多光谱扫描仪TIMS、19瘦背瑜伽波段多光谱扫描仪AMSS、71波段多光谱机载成像光谱仪MAIS、128波段OMIS系统、244波段的推扫式成像仪PHI等，我国成像光谱仪的技术研究，正在紧跟国际的先进水平。
3 成像光谱遥感的理论基础
高光谱分辨率的遥感技术(简称高光谱遥感),通常又称之为成像光谱遥感技术。成像光谱学就是利用高光谱分辨率、超多波段遥感图像与光谱合二为一的特点,研究地球表层物质,识别其类型并鉴别物质成份,分析存在状态,变化动态的新型学科。它的理论基础就是地表物质与电磁波的相互作用及其所形成的光谱辐射特性。遥感成像光谱学所研究的光谱波长范围包括有可见光、近红外(VIS-NIR)、短波红外(SWIR)以及中-热红外MIR-TIR波段(5.0~14.00μm)。
在可见光、近红外以及短波红外波段,地物以反射太阳的能量为主,除了固体岩矿物质具有明显的特征谱带之外,水体、冰雪、植被及土壤等物质也都具有诊断性识别信息的特征谱。
在热红外区,一些特征吸收带与岩石、矿物及土壤中所含硅酸盐或碳酸盐的成分有直接关系。随着岩石中碳酸盐比例的增加,其吸收峰向长波方向漂移,而硅酸盐的比例增高时,其吸收峰的位置向短波方向移动。此外,辐射温度及物体的比辐射率也是十分重要的特征信息。任何物体的自身辐射能量均与该物体的辐射温度的4次方及其比辐射率成正比。一般说来,物体的比辐射率与波长有关,因此,温度和比辐射率都可作为物质识别的判据。
4 成像光谱数据处理分析的方法技术
一方面,高光谱分辨率的成像光谱遥感技术是对多光谱遥感技术的继承,发展和创新,因此,绝大部分多光谱遥感数据处理分析方法,仍然可用于高光谱数据;另一方面,成像光谱技术具有与多光谱技术不一样的技术特点,即高光谱分辨率、超多波段(波段<1000,通常为100~200个左右)和甚高光谱(Ultra Spectral)分辨率(波段数>1000,主要用于探测大气化学成份)的海量数据。因此,常规多光谱数据处理方法就不适合于成像光谱数据的定量分析,于是, 成像光谱数据处理和分析技术应运而生。在成像光谱数据处理和分析方法中,关键性的技术问题是地物光谱重建,光谱特征的量化及提取,混合像元的分解和定量分析及模型识别。
4.1地物光谱重建技术
按照不同的模型及算法,从成像光谱数据中把地物的光谱特性反演出来的过程就是地物光谱重建技术。根据不同的工作情况及条件,采取不同反演模型来重建地物光谱,是实现成像光谱数据遥感定量化分析的第一步。若对其不进行反演,则没有一个统一物理量进行对比。目前,光谱反演模型大体可分为3大类型:基于大气传输理论的大气传输模型,基于统计分析的统计模型以及基于地面地物同步观测的经验回归模型。
4.2地物光谱特征的量化、提取，定量分析及识别模型
成像光谱数据经过光谱重建模型处理后,获得了地物的光谱特征谱线。不同地物光谱具有不同的诊断特征谱带,如特征吸收峰,特征谱线的微积分变化,波形变化等等。如何有效地开展地物特征定量分析和识别地物,首先要弄清楚如何去量化及提取地物的光谱特征。因此,开展基于地物特征谱的量化提取是十分必要的。
4.3混合象元分解模型
混合像元问题是遥感技术的研究难点和热点。由于成像光谱技术的光谱分辨率从微米(μm)提高到纳米级(nm),因此,其混合像元分析、分解及其模型研究就显得更为重要。
目前,开展高光谱遥感混合像元研究的方法技术,首先从实验着手,进行地物混合光谱的测试、分析、数字模拟、分解模型开发研究,然后将其外推到遥感图像上,进行典型地物混合像元分析,主要包括空-地同步观测获取典型地物(或可通过人工布标)数据,经模型分析后,对混合像元的地物进行分解,或混合光谱模拟合成。
混合像元分解模型大体分为线性模型和非线性模型2大类。在遥感混合像元中,绝大多数反射率相似的地物,可以用线性模型来分解端元成分,如:土壤与植被、不同含水量的耕地、岩石露头与草地、荒地等等。在一幅图像中,事先知道有N种端元(地物种类),并且也知道各种端元的光谱反射率,那么就可以用线性模型：
这里是波段C上混合像元的DN值或反射率; 垃圾桶的英文是第i种端元在混合像元中所占比例(或权系数); 是C波段上第i种端元的DN值(或反射率); 是C波段上拟合误差。对每个像元都按照最小二乘法解方程,进行分解。在图像中,端元的DN值(或反射率值)要么可以从训练区取值,要么地面实测。端元成分的确定过程实质上是一个迭代过程,迭代结果使M个波段上总误差最小(且N<M)。
求得像元中各种端元成分之后,就可以定量或半定量地对端元分类,制作丰度等专题图件。
用非线性模型开展混合像元分解不多见,但已有这方面的研究,如模糊分割模型(Jin-Ⅱkim,1996),概率混合模型,几何光学模型(Charles Ichoku, 1996)及基于神经网络模型的混合像元分解(王喜鹏等,1998)等等。
5 高光谱遥感的应用
5.1 在海洋遥感中的应用
地球表面有71％被海洋覆盖，海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之一，其丰要目的是了解海洋、研究海洋、开发利用和保护海洋资源。凶而具有十分重要的战略意义。随着科学技术的发展成像光谱遥感己成为当前海洋遥感前沿领域。山于中分辨牢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，正越来越受到遥感技术发达州家的关注，并已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它不仅可用十海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测，也可用于海冰、海岸带、黄色物质等的探测。
此外，由于海洋光谱特性是海洋遥感的一项重要研究内容，因而历来受到海洋遥感学界高度重视。各国在发射海洋遥感卫星前后都开展了海洋波谱特性研究，其中包括大量的海洋光谱特性测量研究。在早期的海洋遥感应用中，所使用的传感器波段少，己满足不了现代定量遥感应用研究的需要。随着中分辨率成像光谱仪的应用，不仅促进了高维数据分析方法的研究，也将促进海洋高光谱特性研究的发展，可以更准确地了解海洋光谱结构，识别海水中不同物质成份的光谱特征，掌握近岸水域光学参数的分布、变化规律，为海洋遥感应用和海洋光学遥感器评价提供可靠的依据。
combine5.2 在植被研究中的应用
在植被中的应用是成像光谱的另一个重要的应用，植物叶子中的水、叶绿素、辅助色素、纤维素、木质素和其他组成部分与植冠结构相结合构成植被的反射率。遥感通过确定植冠的化学成分来监测大气和环境变化引起的植物功能的变化，有很多科学家从事这方面成像光谱研究，植被中非光合作用组分以前用宽带光谱无法测量，现在用成像光谱对植被组分中非光和作用组分进行测量和分离则较易实现。Bo-Cai利用木质素和纤维素在1.72μm的特征吸收作为其判别依据，并根据吸收强度作为这类化合物植冠丰度的一个指数；长袖衬衫Johnson等人在分析了美国俄勒冈州中西地区的几块林地上获取的AVIRIS成像光谱数据和相应冠层生化特性变化的关系后，指出冠层全氮量和木质素的变化与选择的会计学习软件AVIRIS波段数据变化存在着一般性对应关系；Maston等使用AVIRIS和小型机载成像光谱仪(CASI)数据证实冠层化学成分携有多种气候区生态系统变化过程的信息，并建议从成像光谱数据中估计此类信息。此外，还有许多关于植被分析成功应用的实例。
