高光谱遥感：新任务和新应用

近年来，高光谱遥感（HRS）已成为一种强大的工具， 具有广泛的应用范围， 从环境监测和资源管理到精准农业和矿产勘探。 高光谱数据提供广泛波长范围内的高分辨率光谱信息， 从而能够检测和表征表面特性和材料的细微变化。

高光谱遥感研究的最新进展包括数据采集、 处理和分析的新技术以及在不同领域的创新应用。 案例研究如下：

• 高光谱数据采集的进步，包括传感器设计、校准和数据融合技术；
• 处理和分析高光谱数据的新方法，例如机器学习、深度学习和大数据分析；
• 高光谱遥感在环境监测中的创新应用， 包括土地利用和土地覆盖测绘、植被测绘和监测以及水资源监测；
• 用于精准农业的高光谱遥感， 包括作物测绘、监测和产量预测，
• 用于矿产勘探和资源管理的高光谱遥感， 包括矿物识别和绘图、土壤分析和地质绘图；
• 高光谱遥感与其他地理空间技术（例如 LiDAR、SAR 和 GPS）的集成；
• 用于目标检测、分类和表征的高光谱图像处理技术的进展；
• 高光谱遥感数据和产品的验证与验证；
• 高光谱遥感研究与应用的未来方向与挑战；

遥感被认为是“在不与物体发生物理接触的情况下提取有关物体信息的研究领域”。 在这方面，遥感传感器捕获可以做出决策的特定信息。 例如，气象卫星可以获取遥感图像， 并通过适当的算法处理， 可以得出大气参数，最终可以推动决策。 通常，遥感传感器并不直接测量感兴趣的特定信息， 而是简单地记录数据， 从中可以提取或关联所需信息。

从更技术的意义上来说， 遥感是指记录被观察物体发射和/或反射的电磁辐射的一组技术仪器。 高光谱遥感是遥感的一个特定领域， 由用于捕获数据的相应传感器来识别。 80 年代中期，当时两个截然不同的技术领域融合在一起：光谱学和遥感， 这导致了“高光谱遥感”或“成像光谱学”的发展。 所生产的仪器称为高光谱传感器或成像光谱仪。 在进一步深入研究传感器的技术特性之前， 首先介绍更广泛的电光和红外遥感领域以及相应的术语是有益的。

高光谱传感器观测到的电磁光谱区域只是整个光谱的一小部分； 通常其范围为0.4至2.5μm。事实上， 这些传感器对这部分光谱很敏感， 这与我们星球的大气条件有关（下图）。 大气允许（传输）和阻挡（吸收）特定范围的波长， 传输的波长到达地球表面并被地球表面反射， 高光谱传感器记录反射的辐射。

地球大气层的不透明度。

不同的材料/物体以不同的比例反射和发射电磁辐射。 来自表面的反射光以独特的方式与每种材料、物体相互作用， 甚至轻微的变化也可以通过高光谱图像进行量化和记录。 这种光与物体相互作用的结果称为光谱特征， 被视为每个物体的光谱“指纹”。 高光谱遥感中的大多数方法和技术纯粹基于成像光谱仪记录的详细光谱特征。

高光谱传感器记录的数据具有 3 维结构， 也称为数据立方体或简称立方体。 前2个维度是空间维度（下图）， 而第3个维度是光谱维度。 每个空间像素都是一个包含光谱信息的向量（像素列或像素向量）， 即反射辐射率或反射率的值（下图）。 如果选择一个像素向量并将其值绘制为相应波长的函数， 则结果将是像素地面区域中覆盖的所有材料和物体的平均光谱特征。

高光谱立方体和像素光谱特征。

高光谱传感器：现状

NASA 于 2000 年 11 月成功地将第一个民用高光谱卫星传感器 Hyperion EO-1 发射到地球轨道。Hyperion 传感器被认为是卫星轨道上第一个主要的“真正的”星载高光谱仪器。 它安装在地球观察者一号 (EO-1) 卫星上， 该卫星由 NASA 新千年计划于 2000 年左右发射。 它共有 242 个光谱通道， 可获取 30 m 空间分辨率和 10 nm 光谱 分辨率的图像， Hyperion EO-1 传感器主要是为美国地质调查局准备矿物光谱库和矿物测绘而推出的。

CHRIS（紧凑型高分辨率成像光谱仪）于 2001 年在 ESA 的 PROBA 平台上成功推出。 ESA 的 CHRIS PROBA 用于收集双向反射分布 (BRDF) 函数信息， 以增强对光谱反射的了解。 Hyperion EO-1 传感器具有地面覆盖视场， 提供 7.5 km 的测绘带， 而 CHRIS 传感器是高空间分辨率高光谱仪（最低点 18 m）， 具有 14 km 的测绘带。

自 2013 年以来， ASI、德国 EnMAP（环境测绘和分析计划）和 NASA 的 HyspIRI（高光谱红外成像仪）概念开发的意大利 PRISMA（PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa；高光谱先驱应用任务）概念已使商业和应用成为可能。 与多光谱主题相比， 高光谱社区的研究主题进展。 HyspIRI 在 10 nm 连续波段中测量从可见光到红外的380–2500 nm 光谱范围， 而第2个多光谱仪器则在中红外 (MIR)–热红外 (TIR) 中测量 3 到 12 μm 的光谱范围。 第2张多光谱图像的空间分辨率为 60 米在最低点， 可见短波红外重访时间为 19 天，TIR 重访时间为 5 天。

ISRO（印度空间研究组织）的月球任务 Chandrayan-1 于 2008 年发射， 携带了 HySI 高光谱传感器， 该传感器可用于提供有关月球表面矿物成分、矿物分布图以及月球表面水分子存在情况的信息。 月球表面。ISRO还推出了“HySIS”。 该卫星拥有 55 个光谱带， 可用于作物和环境监测等一系列研究主题， 这对于精准农业的应用至关重要。

2017年6月23日， 一台小型轻量高光谱相机在Aalto-1纳米卫星上成功发射到太空， 测量波长范围为500-900 nm。 它是一种独特的高光谱可调谐光谱成像仪， 可在太空中运行， 因为它的尺寸很小， 相当于半个立方体卫星单元（0.5 U）的大小或 5×10×10 厘米， 这种可扩展的传感技术将为土地覆盖、 作物产量预测或其他研究领域的基于纳米卫星的新服务提供机会。

高光谱遥感技术的发展

机载高光谱遥感

机载高光谱遥感的发展历史可以追溯到1983年。 第一代成像光谱仪机载成像光谱仪（AIS）-1在这一年诞生。 光谱范围为 0.99 µm 至 2.4 µm， 64 个连续光谱带的光谱分辨率为 9.3 nm。 第二代成像光谱仪是AVIRIS， 同时它也是第一个成像传感器。 AVIRS 可以测量 0.4 µm 至 2.5 µm 范围内的 224 个波段的太阳反射光谱。 它在大气校正、生态与植被、冰雪水文学、内陆和沿海水域、生物质燃烧等方面发挥着重要作用。 随后，1989 年， 加拿大艾伯塔省的 ITRES 公司推出了推扫式成像光谱仪， 即紧凑型机载光谱成像仪 (CASI)， 它覆盖了 288 个光谱禁令的区域 (0.43–0.86 µm)。 它主要监测和研究水生和陆地应用。 1994年， GER推出了数字机载成像光谱仪（DAIS）系列， DAIS3715、DAIS7915、DAIS16115和DAIS21115， 澳大利亚也于1996年开发了HyMAP， 随后 CHRIS 于 2000 年 10 月在 ESA 的 PROBA 平台上推出。

我国从1980年代开始研制高光谱成像系统， 1991年第一套机载成像光谱模块（MAIS）运行， 标志着我国在机载成像光谱技术和应用方面取得了重大突破。 随后，中科院在MAIS的基础上成功研制了操作模块化成像光谱仪（OMIS）， 包括OMIS-1和OMIS-2， 属于推扫式高光谱成像仪（PHI）， 具有可见光128和68个光谱带TIR 波长在 0.46–12.5 µm 的光谱范围内， 它们主要用于地质、农业、森林、海洋等领域。 中国中分辨率成像光谱仪（CMODIS）是海洋颜色卫星测量光谱仪， 于2002年3月25日随“神舟三号”飞船发射升空。 此外，中国科学院西安光学精密机械研究所研制的干涉成像光谱仪于2007年10月搭载嫦娥一号环境减灾卫星（Env-DD）升空， 于2008年9月拍摄，GF-5将在不久的将来拍摄。 我国的各种成像光谱仪， OMIS和PHI代表了亚洲成像光谱仪的技术水平， 在国际上也占有重要地位。

星载高光谱遥感

星载高光谱遥感的历史比机载高光谱遥感要短， 第一颗高光谱遥感卫星于1997年发射， 名为LEWIS（失败）。 高分辨率成像光谱仪（HIRIS）和Orbview-4的计划也失败了。 但近30年来它发展得很好， 其价值也被提出来。

MODIS于1999年12月成功发射， 每隔1至2天，MODIS对地球进行一次回访并获取数据， 其光谱范围为0.4μm至14μm，共36个波段。 这些数据可以帮助我们更好地理解地球的全球动态。

ASTER 是一种在 Terra 上飞行的成像仪器。 ASTER的目标是通过对地球系统的观测和建模来发现地球是如何变化的， 并了解地球上生命的重要性。 MightySat-II 于2000年7月19日发射， 是第三代成像光谱仪，太阳同步轨道。

中国的航天技术发展迅速， 环境一号A卫星于2008年9月发射。 高光谱成像仪提供100 m空间分辨率和5 nm光谱分辨率的地球图像， 光谱范围为0.45 µm至0.95 µm。 2011年9月29日， 携带中国星载高光谱图像的天宫一号飞船登上长征二号F火箭， 从酒泉航天发射场发射升空。 星载高光谱图像具有最高的光谱和空间分辨率， 其光谱区域是从 VIS 到 SWIR。 高光谱图像数据广泛应用于国土资源调查、林业、农业、油气勘探、矿产、海洋、城市热岛效应、 大气环境检测、材料科学等领域。

高光谱遥感在各个领域的应用

高光谱遥感（HRS）已广泛应用于地球研究。 随着 HRS 的发展， 人们对沿海和内陆水域研究、减灾、地质、天文学、城市研究、土地覆盖、制药、医学和军事用途等各个领域的研究和应用越来越感兴趣。

植物生态调查

在农业研究中，及时、准确地监测大范围作物的生长状况具有重要意义。 科研人员开发了一个基于多光谱和高光谱卫星数据预测和计算作物参数的模型， 使用遥感技术评估叶绿素含量和叶面积指数（LAI）可以在精准农业中进行估算。 此外，高光谱遥感还应用于植被、火灾后植被恢复图、评估同质和异质森林的物种多样性， 以及区分不同的森林树种。 研究了高光谱遥感技术以确定其是否可以用于准确测量工厂危险废物场地的指标。

大气环境评价

高光谱遥感（HRS）的应用，大气环境遥感是最重要的内容之一， 它主要监测400-2500光谱范围内的O 3、CO 2、N 2 O、CO、O 2、CH 4 、气溶胶。 研究表明，这些可以在两个大气窗口中检测到， 即 400-750 nm 可见光范围以及 NIR 和 MIR 的 0.85 nm、1.06 nm、1.22 nm、1.60 nm 和 2.20 nm 光谱带。 科研人员提出了一种新的基于物理的方法， 从高光谱图像数据中获取 550 nm 处的气溶胶光学厚度， 该方法仅使用 VIR/NIR 光谱域中固有的辐射信息。

地质勘探

高光谱遥感（HRS）在矿产勘查、油气勘探、矿产资源勘查、矿山环境监测、矿山生态恢复与评价等地质勘探中也得到了有效的应用。 HRS技术可以通过图像中记录的数十或数百条带来精细识别矿物， 并构建每个像素的完整反射光谱。 利用高光谱数据绘制了巴芬岛南部 VIS 和 NIR-SWIR 范围之间的岩性图， 并成功判别了 1 个主要岩性群和 3 个成分单元。

水质监测

HRS 图像已广泛用于监测开放水域水生生态系统的水质。 这些研究主要是关于水体有机物含量的监测和估算， 使用高光谱数据获得叶绿素11-a 浓度， 利用机载高光谱仪和模拟 MERIS 数据对 Secchi 深度、浊度、叶绿素进行分类， 并检测了三种水质中的总磷。 通过改变遥感反射率， 观察到马胡里河地表水中高浓度的矿物质颗粒。 采用半操作方法反演了叶绿素11-a浓度， 并显示了湖水的光谱形状特征和营养性的变化。

军事应用

高光谱数据已成为军事领域的主要侦察手段并逐渐取代多光谱遥感。 在军事侦察领域，利用高光谱遥感可以进行伪装识别和战场环境侦察， 根据目标的不同光谱特征， 可以获得目标表面的成分和状态。 利用AVIRIS、CASI或Hyperion的机载和空间反射光谱数据， 可以从伪装材料和背景中检测和识别绿色植被和沙漠中伪装和隐身的真实军事目标（军用车辆或导弹发射架）。

从 AVIRIS 传感器生成的合成图像和单个 AVIRIS 图像中提取了五个目标（飞机）。 在空间分辨率为 3.5*3.5 m 的 AVIRIS 图像和 OMIS 图像的每个区域中检测到三个平面， 分析了加拿大沿海温带森林特征的各种光谱波长， 这可能有助于识别伪装的人工目标。 另外，在军事行动中， 复杂背景下的捕获跟踪往往要克服多个目标移动的影响。 然而，由于目标位置的快速变化， 使得跟踪变得困难，有时跟踪对象与目标跟踪相似。 这种情况下，普通的侦察技术就发挥不了作用了。 高光谱图像可以采用捕获目标轮廓、去除噪声信号并最终锁定被跟踪目标的跟踪方法。