高光譜成像技術(shù)有什么用？高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)

高光譜成像技術(shù)是一種新型的檢測(cè)技術(shù)，它結(jié)合了光學(xué)、光譜學(xué)和成像學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，能夠獲取目標(biāo)的高光譜信息，包括其反射、輻射和散射等特性。那么，高光譜成像技術(shù)有什么用？本文簡(jiǎn)單介紹了高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)。

在大氣科學(xué)研究中的應(yīng)用

高光譜成像具有非常高的光譜分辨率它不僅可以探測(cè)到常規(guī)成像更精細(xì)的被探測(cè)物的信息，而且也能探側(cè)到大氣吸收特征。

大氣的分子和粒子的成份在反射光譜波段反映非常的強(qiáng)烈能夠被高光譜儀器監(jiān)測(cè)到。云蓋制圖，云頂高度和云層狀態(tài)參數(shù)估算，大氣水汽含量與分布估算，氣溶膠含量估計(jì)以及大氣光學(xué)特性評(píng)價(jià)等是高光譜成像技術(shù)在大氣研究中的突出應(yīng)用。利用高光譜數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確探測(cè)大氣成分的基礎(chǔ)上，不僅能提高天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警等的準(zhǔn)確性更能提高其可靠性。

例如：在國內(nèi)，劉金濤等人提出了一套高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于同時(shí)測(cè)量大氣風(fēng)和氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)，該系統(tǒng)可以分離大氣氣溶膠和分子散射，可以直接反射出大氣的后向散射比和氣溶膠的后相散射系數(shù)，同時(shí)采用雙邊緣監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以獲得高精度的大氣風(fēng)速信息。

對(duì)于冬季覆蓋北半球面積 30 %以上的冰雪，通過成像光譜的模擬試驗(yàn)，特別是在1.0～1.3μm光譜范圍的波段，可以獲得對(duì)冰雪粒徑大小的識(shí)別，Anne等人利用航空成像光譜儀AVIRIS中心在1.03μm的波段與冰雪顆粒關(guān)系進(jìn)行冰雪顆粒填圖，并提出波段面積標(biāo)尺法，解決了信號(hào)建立在單波段上易受到傳感器噪聲影響的缺點(diǎn)。

在城市下墊面特征和環(huán)境研究中的應(yīng)用

由于人類活動(dòng)、城市下墊面特征與環(huán)境顯得異常復(fù)雜，同物異譜、同譜異物 及混合像元現(xiàn)象也非常嚴(yán)重。而高光譜成像的發(fā)展使得人們有能力對(duì)城市地物 的光譜特性進(jìn)行深入研究，人們用實(shí)驗(yàn)室光譜、地物光譜、航空和航天的高光譜遙感器對(duì)城市的光譜進(jìn)行了一系列的深入分析。研究的內(nèi)容包括城市地物的光譜 特性及可分性，為城市環(huán)境遙感分析及制圖提供基礎(chǔ)。城市遙感研究中，由于城市下墊面地物類型繁多，而且許多地物類型的光譜曲線相似性很高，所要想很精 確的區(qū)分出城市地物，診斷出微小的吸收波段是必要的，這對(duì)高光譜數(shù)據(jù)的圖像光譜質(zhì)量提出了很高要求。

例如：國內(nèi)劉建貴等人，利用高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合光譜檢測(cè)算法，對(duì)城市地物分類進(jìn)行了研究，將高光譜分辨率的PHI成像光譜數(shù)據(jù)和高空間分辨率的彩紅外照 片結(jié)合，利用高空間分辨率圖像數(shù)據(jù)的高幾何清晰度，檢測(cè)出城市各地物的輪廓線，以此形成多邊形圖斑，然后利用高光譜數(shù)據(jù)的光譜信息，針對(duì)每一個(gè)圖斑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與分類，以確定它的類別歸屬，最終可產(chǎn)生很規(guī)范的地物圖斑邊界，將圖像分割為水體及陰影、植被、瀝青表面、水泥表面、大理石表面和裸土6大類典型地物。

在海洋及內(nèi)陸水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

高光譜成像是當(dāng)前海洋成像前沿領(lǐng)域。由于中分辨率成像光譜儀具有光譜覆蓋范圍廣、分辨率高和波段多等許多優(yōu)點(diǎn)，因此已成為海洋水色、水溫的有效探測(cè)工具。它既可用于海水中葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、某些污染物和表層水溫探測(cè)，還可用于海冰、海岸帶等的探測(cè)。

國內(nèi)海洋遙感應(yīng)用基礎(chǔ)研究主要是一些數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。關(guān)于如何解決水體的低反射率、大氣對(duì)藍(lán)紫波段光譜的散射影響等難題的研究還未涉足。在海洋水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，只有可見光光譜能夠觀測(cè)水下的狀況。另外，陸源污染、海水養(yǎng)殖、灘涂等海岸帶典型要素的光譜特性研究工作也在開展，研究人員以航空高光譜圖像為數(shù)據(jù)源，選取陸源污染、海水養(yǎng)殖、灘涂為監(jiān)測(cè)要素，進(jìn)行上述要素的光譜波段敏感性研究，試獲得其探測(cè)的最佳波段，并進(jìn)一步發(fā)展準(zhǔn)確、快速識(shí)別和探測(cè)技術(shù)。在海洋表面溫度測(cè)量、海洋表層懸浮泥沙濃度的定性或半定量的觀測(cè)、海洋動(dòng)力現(xiàn)象的研究等方面都開展了相應(yīng)的研究。

現(xiàn)在國際上開展的主要研究有:海洋碳通量研究；海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究；海岸帶環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理。

在植被與生態(tài)研究中的應(yīng)用

高光譜超多波段的成像光譜數(shù)據(jù)為植被分類識(shí)別提供了比以往更加詳細(xì)的信息，基于高光譜成像的植被識(shí)別精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)所能獲取信息的精確性和可靠性，體現(xiàn)出高光譜在植被信息獲取能力方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

高光譜成像還應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境梯度制圖、光合作用色素含量提取、植被干物質(zhì)信息提取、植被生物多樣性監(jiān)測(cè)、土壤屬性反演、植被和土地覆蓋精細(xì)制圖、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦物分布調(diào)查、水體富營養(yǎng)化檢測(cè)、大氣污染物監(jiān)測(cè)、植被覆蓋度和生物量調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等等。

植被高光譜數(shù)據(jù)，按獲取方式的不同，采用相應(yīng)的高光譜信息處理技術(shù)處理后可用于植被參數(shù)估算與分析，植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)及估產(chǎn)等領(lǐng)域。另外，高光譜的出現(xiàn)使植物化學(xué)成分估測(cè)成為可能。 

例如：1995年12月，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所與國外合作采用模塊化航空成像光譜儀( MAI S)與地面同步光譜測(cè),開展了濕地植被高光譜遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。吳長(zhǎng)山利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)導(dǎo)數(shù)光譜與群體葉綠素密度做相關(guān)分析，選取相關(guān)關(guān)系最高的波段與導(dǎo)數(shù)光譜進(jìn)行線性擬合，估算葉綠素密度。

在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中的應(yīng)用

區(qū)域地質(zhì)制圖和礦產(chǎn)勘探是高光譜技術(shù)主要的領(lǐng)域也是高光譜成像應(yīng)用中最成功的一個(gè)領(lǐng)域。如今地面光譜儀主要有澳大利亞的PIMA，美國的ASD，GER,熱紅外FT-IR等，國內(nèi)的有中科院研發(fā)的OMIS系列，PHI等。

利用高光譜遙感（含熱紅外高光譜）進(jìn)行礦物識(shí)別可分為3 個(gè)層次：礦物種類識(shí)別、礦物含量識(shí)別和礦物成分識(shí)別。

① 基于單個(gè)診斷性吸收的特征參數(shù)；

② 基于完全波形特征；

③ 基于光譜知識(shí)模型）在礦物識(shí)別和礦物精細(xì)識(shí)別的基礎(chǔ)之上，根據(jù)礦物共生組合規(guī)律和礦物自身的地質(zhì)意義指示作用，直觀地反演各種地質(zhì)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，可提高高光譜在地質(zhì)應(yīng)用中分析和解決地質(zhì)問題的效能。

隨著高光譜遙感地質(zhì)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和日益深入，高光譜遙感技術(shù)和方法也在不斷改進(jìn)。近年來在基于高光譜數(shù)據(jù)的礦物精細(xì)識(shí)別、高光譜影像地質(zhì)環(huán)境信息反演、基于高光譜遙感的行星地質(zhì)探測(cè)等方面取得了突出的進(jìn)展。高光譜遙感在地質(zhì)成因環(huán)境探測(cè)、蝕變礦物與礦化帶的探測(cè)、成礦預(yù)測(cè)、巖性的識(shí)別與分類、油氣資源及災(zāi)害探測(cè)、高光譜植被重金屬污染探測(cè)等方面也有應(yīng)用。

例如：國內(nèi)也開展了類似的研究。謝紅接等運(yùn)用 MAIS數(shù)據(jù)做了試驗(yàn)性研究 工作，提取了研究區(qū)域的鈾礦特征信息(如蝕變和礦化等)。萬余慶等運(yùn)用OMISI數(shù)據(jù)確定了燒變巖中3價(jià)鐵離子含量與某些波段反射率的定量關(guān)系，提出了利用 高光譜遙感圖像提取3價(jià)鐵離子的方法。張宗貴等利用HyMap數(shù)據(jù)，開展了基于地物光譜特征成像光譜遙感礦物識(shí)別方法研究，有效地填繪出了礦物在該航帶上的分布情況。甘甫平等利用成像光譜遙感技術(shù)識(shí)別和提取了礦化蝕變信息。王青華等運(yùn)用 MAIS影像數(shù)據(jù)，采用不同的圖像處理方法，較好地提取了巖石信息，達(dá)到較準(zhǔn)確識(shí)別巖類目的。王晉年等在新疆阿克蘇柯坪進(jìn)行油氣勘探研究中，根據(jù)礦物吸收指數(shù)成功地區(qū)分了該地區(qū)從寒武、奧陶、志留、泥盆到二疊系的地層。

在軍事中的應(yīng)用

高光譜影像由于其具有的豐富地面信息，從一開始就被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，并在實(shí)際應(yīng)用中表明這種光譜成像技術(shù)在軍事上具有很高的應(yīng)用價(jià)值，因而軍用衛(wèi)星上采用這種遙感器的趨勢(shì)正在快速增長(zhǎng)。

在軍事偵察、識(shí)別偽裝方面，它能夠根據(jù)目標(biāo)與偽裝材料不同的光譜特性，利用成像光譜儀可以從偽裝的物體中自動(dòng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；在調(diào)查武器生產(chǎn)方面，超光譜成像儀不但可探測(cè)目標(biāo)的光譜特性、存在狀況，甚至可分析其物質(zhì)成分，從而可采集工廠產(chǎn)生的煙霧，直接識(shí)別其物質(zhì)成分，判定工廠生產(chǎn)的武器，特別是攻擊性武器。在海軍作戰(zhàn)方面，目前美國海軍設(shè)計(jì)的超光譜成像儀，可在0.4μm～2.5μm光譜范圍內(nèi)提供210個(gè)成像光譜數(shù)據(jù)，可獲得近海環(huán)境目標(biāo)的動(dòng)態(tài)特性，例如海水的透明度、海洋深度、海洋大氣能見度、海流、潮汐、海底類型、生物發(fā)光、海灘特征、水下危險(xiǎn)物、油泄漏、大氣中水汽總量和次見度卷云等成像數(shù)據(jù)，這對(duì)海軍近海作戰(zhàn)有十分重大的意義。