高光譜成像光譜儀簡介及其應用概述

　　高光譜成像光譜儀將成像技術和光譜技術結合在一起，在探測物體空間特徵的同時並對每個空間像元色散形成幾十個到上百個波段帶寬為10nm左右的連續光譜覆蓋。它以高光譜解析度獲取景物或目標的高光譜圖像。在陸地、大氣、海洋等領域的研究觀測中有廣泛的應用。

　　高光譜高光譜成像光譜儀–概述

　　高光譜高光譜成像光譜儀是20世紀80年代開始在多光譜遙感成像技術的基礎上發展起來的，它以高光譜解析度獲取景物或目標的高光譜圖像，在航空、太空飛行器上進行陸地、大氣、海洋等觀測中有廣泛的應用，高高光譜成像光譜儀可以應用在地物精確分類、地物識別、地物特徵信息的提取。建立目標的高光譜遙感信息處理和定量化分析模型後，可提高高光譜數據處理的自動化和智能化水平.。由於高光譜成像光譜儀高光譜解析度的巨大優勢，在空間對地觀測的同時獲取眾多連續波段的地物光譜圖像，達到從空間直接識別地球表面物質的目的，成為遙感領域的一大熱點，正在成為當代空間對地觀測的主要技術手段。地面上採用高光譜成像光譜儀也取得了很大的成果，如科學研究、工農林業環境保護等方面。

　　高光譜成像光譜儀主要性能參數是：(1)噪聲等效反射率差(NEΔp)，體現為信噪比(SNR);(2)瞬時視場角(IFOV)，體現為地面解析度;(3)光譜解析度，直觀地表現為波段多少和波段譜寬。

　　高光譜解析度遙感信息分析處理，集中於光譜維上進行圖象信息的展開和定量分析，其圖象處理模式的關鍵技術有：⑴超多維光譜圖象信息的顯示，如圖像立方體(見圖一)的生成;⑵光譜重建，即成像光譜數據的定標、定量化和大氣糾正模型與算法，依此實現成像光譜信息的圖象-光譜轉換;⑶光譜編碼，尤其指光譜吸收位置、深度、對稱性等光譜特徵參數的算法;⑷基於光譜資料庫的地物光譜匹配識別算法;⑸混合光譜分解模型;⑹基於光譜模型的地表生物物理化學過程與參數的識別和反演算法。

　　高光譜解析度成像光譜遙感起源於地質礦物識別填圖研究，逐漸擴展為植被生態、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大氣的研究中。

　　高光譜成像光譜儀的基本原理

　　1、系統工作原理與結構：高高光譜成像光譜儀將成像技術和光譜技術結合在一起，在探測物體空間特徵的同時並對每個空間像元色散形成幾十個到上百個波段帶寬為10nm左右(目前美國產SOC730高光譜成像光譜儀的帶寬已達到2nm)的連續光譜覆蓋。根據高光譜成像光譜儀的掃描方式，其工作原理也不盡相同，作為光學成像儀成像的一個例子，這裡簡述一下焦平面探測器推掃成像原理。

　　1.1、系統工作原理：焦平面探測器推掃成像原理，地面物體的反射光通過物鏡成像在狹縫平面，狹縫作為光欄使穿軌方向地面物體條帶的像通過，擋掉其他部分光。地面目標物的輻射能通過指向鏡，由物鏡收集並通過狹縫增強準直照射到色散元件上，經色散元件在垂直條帶方向按光譜色散，用會聚鏡會聚成像在傳感器使用的二維CCD面陣列探測元件被分布在光譜儀的焦平面上。焦平面的水平方向平行於狹縫，稱空間維，每一行水平光敏元上是地物條帶一個光譜波段的像;焦平面的垂直方向是色散方向，稱光譜維，每一列光敏元上是地物條帶一個空間採樣視場(像元)光譜色散的像。這樣，面陣探測器每幀圖像數據就是一個穿軌方向地物條帶的光譜數據，連續記錄光譜圖像，就得到地面二維圖像。

　　1.2、高光譜成像光譜儀數據獲取系統構成：高光譜成像光譜儀由光學系統、信號前端處理盒、數據採集記錄系統三部分組成。數據的回放及預處理通過專用軟體在高性能的微機上完成。軟體具有如下功能：數據備份;快速回放;數據規整和格式轉換;圖像分割截取;標準格式的圖像數據生成等。

圖二： 一種內置掃描裝置的高光譜成像光譜儀SOC710 Hyperspectral Imager，僅重3Kg

　　高光譜成像光譜儀的應用

　　高光譜成像光譜儀的應用範圍遍及化學、物理學、生物學、醫學等多個領域。目前，高光譜成像光譜儀在土地利用、農作物生長、分類，病蟲害檢測，海洋水色測量，城市規劃、石油勘探、地芯地貌及軍事目標識別等方面都有著很廣泛和深遠的應用前景。可見光近紅外光譜範圍高光譜成像光譜儀比較廣闊的應用領域為植被和海洋;植被的反射光譜特徵主要取決於葉片中的葉綠素含量和成份，正常生長的植物有典型的光譜形狀;當生長不良、病蟲害、地下金屬礦物誘導病變等因素會引起反射強度比例變化和吸收光譜特徵的微小位移，這種位移的觀測要求超高光譜成像光譜儀具有優於5nm的光譜解析度和100以上的信噪比。在光波範圍能夠觀測水下狀況的只有可見光，其中穿透性好的波長範圍為0.45～0.60μm(藍光至黃光)，亦被稱為「海洋窗口」。可見光超高光譜成像光譜儀可以觀測海洋中沉積性懸浮物、浮遊生物、葉綠素的分布等海況，但是獲取海洋表層中懸浮體物質在質量和數量方面的信息時，不僅需要高光譜解析度，而且要很高的輻射靈敏度(信噪比500以上)。

　　2.1在農林業上的應用在農林業上的應用很多，如農作物長勢分析、作物類別鑑定、病蟲害防治分析、產量評估、林業資源調查、伐林造林、森林草場調查、土地沙化、土壤侵蝕等。

　　2.1.1、在農業、林業中的應用：高高光譜成像光譜儀可以用來研究品種因素對小麥品質的影響程度以及品種因素與品質指標之間的相關性，還可以得出環境條件下籽粒的白質含量與溼麵筋含量、沉降值、吸水率、形成時間和穩定時間之間存在的相關性，並利用不同品種、不同肥水條件下的作物關鍵生育時期的生化參量與光譜指數進行分析，預測預報籽粒品質。2005年6月12日我國首次利用地物光譜儀高空監測小麥條銹病5。在位於昌平小湯山的「國家精準農業研究示範基地」小麥實驗田，國家自然科學基金項目研究的「基於3S技術的小麥條銹病監測預警」採用熱氣球進行近地遙感監測小麥條銹病初步獲得成功，這在我國尚屬首次。這項研究以小麥條銹病為對象，根據全球定位系統(GPS)的精確定位，利用地理信息系統(GIs)研究其大區流行規律，利用遙感(Rs)技術探索其實時監測新途徑(合稱3S技術)，期望最終構建基於網絡的小麥條銹病監測預警信息系統，這項成果將為政府部門制訂小麥條銹病防治決策方案提供科學依據，也為信息技術在植物病害研究中的應用提供新的方法借鑑。項目研究的成功將會促進我國重大農作物病害監測與預警系統的規範化和實用化，實現病害大流行早知道，保障糧食生產，增加農民收入，縮小我國植物病害監測預警技術與國際前沿水平的差距。

　　2.1.2、農業作物長勢監測：主要利用紅外波段和近紅外波段的遙感信息，得到的植被指數(NDVI)與作物的葉面積指數和生物量正相關。利用NDVI過程曲線，特別是後期的變化速率預測冬小麥產量的效果很好，精度較高。在農業應用中，通過高空間和高光譜解析度的航空與航天遙感，來及時(平均2天～3天一次)地提供農作物長勢、水肥狀況和病蟲害情況，稱之為「徵兆圖」(Symptom Maps)，供診斷、決策和估產等使用。為了實時地獲取數據，需要反覆利用航空遙感或利用各個小衛星建立全球數據採集網。

　　高光譜遙感與精準農業研究的基礎問題還有待解決，如環境脅迫作用下的遙感機理和遙感標誌研究，遙感與GIS的集成對作物脅迫作用的診斷理論以及作物生長環境和收穫產量實際分布的空間差異性機理和環境脅迫作用與產量形成的遙感定量關係。為了解決上面的理論和應用問題，需要抓住高光譜、高解析度、雷達遙感等技術手段和「三S」集成技術等關鍵技術。

　　對植被的葉面積指數、生物量、全氮量、全磷量等生物物理參數進行分析和估算。在精準農業研究中，高光譜遙感具有廣闊的應用前景。比如可以從遙感數據中提取生物物理和生物化學的參數，就是用高空的高光譜遙感數據對一些重要的生物和農學參數的反演。這種研究可以用來研究生態系統過程，如光合作用、C、N循環等，也可以用來對生態系統進行描述和模擬。

　　最具潛力和效益的應用前景就是研究作物的光譜特徵農學遙感機理，將其應用於遙感估產，做到對農作物生長勢的動態監測、病蟲害的早期診斷和產量的早期預報。可以用於農業自然災害(水、旱、火、蟲、病等)的遙感實時動態監測和損失評估，主要農作物的長勢、播種面積的監測和產量預報以及草地估產、草畜平衡估算，進行農業自然資源與環境的動態監測與評估，進行全國耕地變化的遙感動態監測。

　　2.2、環境監測：環境監測主要應用在1.石化工業：如對油品、塑料、添加劑、催化劑等中的元素分析等，還可對其有害元素含量是否超標進行分析監測;2.生態環保：汙水或水中有害金屬分析，植物中殘餘無機元素的分析;3.建築、建材工業：結合城市地物和人工目標的檢識等，對水泥、玻璃及耐火材料分析。

　　2.3、自然災害和災情評估：目前我國在加緊研製的環境災害監測衛星，計劃在2005年前研製出由兩個光學衛星和一個雷達衛星組成的小衛星星座。在2010年前研製出由四個光學衛星和4個雷達衛星組成的小衛星星座，開展對環境和災害全天時、全天候的監測。自然災害監測和災情評估可以包括很多種，如洪澇、乾旱、雪災、森林大火、地震、海洋狀況等。

　　赤潮是指海洋微藻、細菌和原生動物在海水中過度增殖或聚集致使海水變色的一種現象。隨著經濟發展，沿海富營養化加劇，近年來赤潮的頻繁發生和規模的不斷擴大，破壞了漁業資源和海產養殖業，赤潮毒素也嚴重威脅著人類的生命安全。2002年我國海域共發現赤潮79次，累計面積超過10，000平方公裡，直接經濟損失2300萬元。利用機載高高光譜成像光譜儀，獲得了赤潮爆發現場8G高光譜數據。通過海監船的現場取樣和事後數據分析，上海技物所高高光譜成像光譜儀利用赤潮種類鑑別軟體，數據質量良好，很好地反映了赤潮光譜特性。所以，利用高高光譜成像光譜儀獲得的數據，可以迅速對赤潮做出反應，有利於赤潮的及早發現、分類、控制和治理，從而減小赤潮的危害。

　　2.4、海洋資源普查：利用高光譜成像光譜儀可獲得海陸相互作用區域的高解析度圖像，可以兼顧海洋和陸地的需求，目前高高光譜成像光譜儀已經應用於我國海岸帶重點地區(黃河口、長江口和珠江口)的資源和植被調查、海岸帶動態監測，以及海岸帶變遷的長期研究。葉綠素分布是與海洋初級生產力、海水富營養化、赤潮等密切相關的指標，同時，也是研究全球氣候變化的重要依據。目前利用高高光譜成像光譜儀已能夠較準確地確定大洋和遠海的葉綠素分布，但近岸水體的葉綠素分布的反演精度還需進一步提高。

　　除了以上實際應用外，目前高高光譜成像光譜儀在自然科學的大部分領域起著主要的作用。隨著面陣探測器陣列製造技術的進一步提高，一些新型的成像光譜技術得到了應用，具有這些技術的光譜儀更具有可靠性和穩定性的特點，並且體積小、重量輕、光譜解析度高、實時性更好、光譜範圍更寬(如美國產的SOC710高光譜成像光譜儀，其光譜解析度小於5nm，重量僅3kg，不需要配備雲臺，非常方便野外使用，見圖二)。這種高光譜成像光譜儀將會成為新一代高光譜成像光譜儀的代表，科學研究人員也會對此類光譜儀投入更多的關注而使其得到更廣泛的應用。