高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

1、文章編號(hào):0494-0911(200810-0001-04中圖分類號(hào):P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀楊國鵬,余旭初,馮伍法,劉 偉,陳 偉(信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院遙感信息工程系,河南鄭州450052The D evel op m ent and Applicati on of H yperspectral RS TechnologyYANG Guo -peng ,YU X u -chu ,FENG W u -fa ,L I U W e,i CHEN W e i摘要:20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的高光譜遙感技術(shù),將反映目標(biāo)輻射屬性的光譜信息與反映目標(biāo)空間幾何關(guān)系的圖像信息有機(jī)地

2、結(jié)合在一起,與傳統(tǒng)的全色、多光譜遙感相比,在地物識(shí)別方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。高光譜遙感技術(shù)在許多國家的重視下發(fā)展迅速,其應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛并更加成熟。對(duì)高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵詞:高光譜影像;高光譜遙感;發(fā)展;應(yīng)用收稿日期:2008-04-24作者簡介:楊國鵬(1982-,男,山東聊城人,博士生,研究方向?yàn)閳D像處理與模式識(shí)別、高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的高光譜遙感,在光譜分辨率上具有巨大的優(yōu)勢(shì),被稱為遙感發(fā)展的里程碑。世界各國對(duì)該類遙感的發(fā)展都十分重視,成像光譜儀技術(shù)發(fā)展迅速,高光譜影像處理技術(shù)日趨成熟與深入,應(yīng)用日益廣泛。 一、高光譜遙感技術(shù)成像光譜儀能獲取

3、許多波段狹窄且連續(xù)的影像,光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)。利用高光譜數(shù)據(jù)反演得到的地物反射光譜特征,能研究地球表面物體的分類、物質(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動(dòng)態(tài)變化1。1.高光譜遙感技術(shù)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的全色、多光譜遙感影像相比較,高光譜影像具有以下特點(diǎn)2,3:1.光譜響應(yīng)范圍廣,光譜分辨率高。成像光譜儀響應(yīng)的電磁波長從可見光延伸到近紅外,甚至到中紅外;光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)。2.光譜信息與圖像信息有機(jī)結(jié)合。在高光譜影像數(shù)據(jù)中,每一像元對(duì)應(yīng)于一條光譜曲線,整個(gè)數(shù)據(jù)是光譜影像的立方體,具有空間圖像維和光譜維。3.數(shù)據(jù)描述模型多,分析更加靈活。高光譜影像通常有三種描述模型:圖像模型、光譜模型與特征模型。4

4、.數(shù)據(jù)量大,信息冗余多。高光譜數(shù)據(jù)的波段眾多,其數(shù)據(jù)量巨大,而且波段之間相關(guān)性大。2.高光譜遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)高光譜遙感的光譜分辨率的提高,使地物目標(biāo)的屬性信息探測(cè)能力有所增強(qiáng)。因此,較之全色和多光譜遙感,高光譜遙感有以下顯著優(yōu)勢(shì)3,4:1.蘊(yùn)含著近似連續(xù)的地物光譜信息。高光譜影像經(jīng)過光譜反射率重建,能獲取地物近似連續(xù)的光譜反射率曲線,與地面實(shí)測(cè)值相匹配,將實(shí)驗(yàn)室地物光譜分析模型應(yīng)用到遙感過程中。2.地表覆蓋的識(shí)別能力極大提高。高光譜數(shù)據(jù)能夠探測(cè)具有診斷性光譜吸收特征的物質(zhì),能夠準(zhǔn)確區(qū)分地表植被覆蓋類型、道路的鋪面材料等。3.地形要素分類識(shí)別方法靈活多樣。影像分類既可以采用各種模式識(shí)別方法,如貝葉

5、斯判別、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等,又可以采用基于地物光譜數(shù)據(jù)庫的光譜匹配方法。分類識(shí)別特征,可以采用光譜診斷特征,也可以進(jìn)行特征選擇與提取。4.地形要素的定量或半定量分類識(shí)別成為可能。在高光譜影像中,能估計(jì)出多種地物的狀態(tài)參量,提高遙感高定量分析的精度和可靠性。3.高光譜影像應(yīng)用中面臨的難題高光譜影像在應(yīng)用的過程中,還面臨著以下關(guān)鍵技術(shù)需要解決:1.高光譜影像光譜重建技術(shù)。高光譜影像記錄的DN 值,根據(jù)成像光譜儀的輻射定標(biāo)、光譜定標(biāo)數(shù)據(jù),經(jīng)過各種輻射校正,反演出地物反射率,這是高光譜遙感定量分析的基礎(chǔ)。2.高光譜影像分類識(shí)別技術(shù)。傳統(tǒng)影像分類算法,如最大似然估計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都是基于大數(shù)定

6、理,高光譜影像維數(shù)高、波段相關(guān)性大,會(huì)遇到/維數(shù)災(zāi)難0現(xiàn)象,需要研究面向高光譜影像的分析方法。3.海量影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算。高光譜影像數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性強(qiáng),面臨著數(shù)據(jù)壓縮問題;影像分析處理的過程中,需要巨大的計(jì)算資源。4.高光譜遙感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)伴隨著成像光譜技術(shù)的逐漸成熟,高光譜影像分析研究的不斷深入,應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛,高光譜遙感技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出了以下趨勢(shì):成像光譜儀的光譜探測(cè)能力將繼續(xù)提高,成像光譜儀獲取影像的空間分辨率逐步提高,正由航空遙感為主轉(zhuǎn)為航空和航天遙感相結(jié)合階段,逐步從遙感定性分析階段發(fā)展到定量分析階段,應(yīng)用范圍越來越廣,應(yīng)用研究日益深入。二、高光譜遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀高光譜遙感技術(shù)是集

7、探測(cè)器技術(shù)、精密光學(xué)機(jī)械、微弱信號(hào)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的綜合性技術(shù),技術(shù)成果主要表現(xiàn)為成像光譜儀研制、高光譜影像分析兩方面1,5。1.國外的成像光譜儀研制情況由于高光譜遙感在地物屬性探測(cè)方面的巨大潛力,成像光譜技術(shù)得到了普遍重視5,6。(1機(jī)載成像光譜儀1983年,第一幅高光譜影像由美國研制的航空成像光譜儀(AIS.1獲取,標(biāo)志著第一代高光譜成像儀的面世。1987年,美國宇航局(NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL研制成功航空可見光/紅外成像光譜儀(AV I R I S,這標(biāo)志著第二代高光譜成像儀的問世。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,許多國家開始從事成像光譜儀研制,具有代表性的機(jī)載成像光譜儀

8、如表1所示。表1國外主要的機(jī)載成像光譜儀傳感器中文名稱國別/運(yùn)營商啟用時(shí)間/年波段數(shù)波長/L m AV I R IS機(jī)載可見光近紅外成像光譜儀美國/NA S A,Am es19872240.412.45 CASI緊密機(jī)載成像光譜儀加拿大國際研究有限公司19902880.430.86 M AS M OD IS機(jī)載模擬器NA S A Am es&G SFC1992500.5414.52 CHR ISS緊密機(jī)載高分辨率成像光譜儀美國科技應(yīng)用國際股份公司1992400.430.86DA IS7915 DA IS16115 DA IS21115數(shù)字機(jī)載成像光譜儀德國/GER19943779160

9、2110.4012.0YD ICE高光譜數(shù)字圖像采集實(shí)驗(yàn)美國/海軍研究實(shí)驗(yàn)室/ER I M19942060.402.50Hym ap機(jī)載高光譜掃描儀系列美國/JPL1996126110.402.503.005.008.0010.00A SI VN I R-640A SI VN I R-1600S W I R-320i S W I R-320m 機(jī)載光譜成像儀挪威/N o rsk E lek tro O pti kk A S2003128/641601602560.41.00.41.00.91.71.32.5A PEX機(jī)載棱鏡實(shí)驗(yàn)傳感器歐空局20043121990.381.00.942.5AH

10、I機(jī)載高光譜成像儀美國H a w a ii大學(xué)32/256711.5(2星載成像光譜儀在航天領(lǐng)域,由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃中的中分辨率成像光譜儀(MODIS,隨TER-RA衛(wèi)星發(fā)射,成為第一顆在軌運(yùn)行的星載成像光譜儀,從2000年開始向地面?zhèn)魉蛨D像。到目前為止,已發(fā)射的具有代表性的星載成像光譜儀如表2所示。2000年,NASA發(fā)射的EO-1衛(wèi)星上搭載的高光譜成像儀(H yperion,地面分辨率為30m,已在礦物定量填圖方面取得了很好的應(yīng)用效果。2002年美國的海軍測(cè)繪觀測(cè)(NE MO衛(wèi)星攜帶的海岸海洋成像光譜儀(CO I S具有自適應(yīng)性信號(hào)識(shí)別能力,滿足軍用和民用的不同需求。另

11、外,2007年6月交付美K irtland空軍基地的高光譜成像傳感器將通過Tac-Sa-t3衛(wèi)星載入太空。目前,許多國家都在積極研制自己的高光譜傳感器,已明確有發(fā)射計(jì)劃的有德國環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析計(jì)劃的En MAP,南非的多傳感器小衛(wèi)星成像儀M S M I和加拿大高光譜環(huán)境與資源觀測(cè)者HERO。表2國外主要的星載成像光譜儀傳感器中文名稱國別/運(yùn)營商啟用時(shí)間/年波段數(shù)波長M OD IS中分辨率成像光譜儀美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室1999360.45914.38 FTVH SI F our i er可見光成像光譜儀K estre l Corp,F I T2000145/2560.452.35 HR ST高再用性

12、空間運(yùn)輸計(jì)劃美國/J PL20002100.402.50 FTH SI傅里葉高光譜成像儀美國空軍研究室20002560.351.05 H ype rion衛(wèi)星成像光譜儀NASA G oddard空間飛行中心20002200.402.50 C HR IS緊密式、推掃式成像光譜儀歐空局2001620.4151.05 CO IS空間技術(shù)開發(fā)公司海軍實(shí)驗(yàn)室空間技術(shù)發(fā)展公司/海軍研究實(shí)驗(yàn)室20022100.402.50 GL I高級(jí)地球觀測(cè)衛(wèi)星日本/NA SDA2002360.381.20AR I ES-Ñ澳大利亞資源信息環(huán)境衛(wèi)星澳大利亞空間有限公司2005640.401.05 2.002.5

13、0PR IS M歐空局ESA/EOS20052000.452.502.國外的高光譜影像分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀在成像光譜儀快速發(fā)展的同時(shí),地物光譜數(shù)據(jù)庫、高光譜影像分析技術(shù)研究也得到了迅速發(fā)展。地物光譜數(shù)據(jù)庫技術(shù)方面,以美國最為先進(jìn),有代表性的主要有JPL標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)庫、USGS波譜數(shù)據(jù)庫、ASTER波譜數(shù)據(jù)庫和I GCP-264波譜數(shù)據(jù)庫6。此外,美國空軍部門和環(huán)保局針對(duì)大氣污染和空氣成分的診斷建立了AEDC/EPA光譜數(shù)據(jù)庫,并針對(duì)美國海軍研究室研制的HYDI CE成像光譜儀建立了森林高光譜數(shù)據(jù)庫等。部分其他國家也展開了光譜數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究和建設(shè)工作,如英國在20世紀(jì)90年代初針對(duì)海水顏色研究建立

14、了海水光譜數(shù)據(jù)庫。美國國家航空航天局(NASA、歐洲航天局(ESA、日本國家空間發(fā)展局(NASDA和大學(xué)及研究所都有專門的高光譜影像應(yīng)用分析的研究機(jī)構(gòu)7。國外商業(yè)遙感圖像處理系統(tǒng),相繼增加成像光譜數(shù)據(jù)處理模塊,其中具有代表性的有RSI公司的ENV I,PC I Geo m atics公司的PC I,M icroI m ages公司TNTm ips等。3.國內(nèi)高光譜遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國緊密跟蹤國際高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展,并結(jié)合國內(nèi)不斷增長的應(yīng)用需求,于20世紀(jì)80年代中后期著手發(fā)展自己的高光譜成像系統(tǒng)。主要的成像光譜儀有中科院上海技術(shù)物理研究所研制的推掃式成像光譜儀(PH I系列、實(shí)用型模塊化成像

15、光譜儀(OM I S系列、中科院長春光機(jī)所研制的高分辨率成像光譜儀(C-HR I S和西安光機(jī)所研制的穩(wěn)態(tài)大視場(chǎng)偏振干涉成像光譜儀(SLPII S。中科院上海技術(shù)物理研究所研制的中分辨率成像光譜儀(C MOD I S于2002年隨/神舟0三號(hào)發(fā)射升空,并成功獲取航天高光譜影像,其獲取影像從可見光到近紅外共30波段,中紅外到遠(yuǎn)紅外的4波段,空間分辨率為500m。2007年10月年發(fā)射的/嫦娥1號(hào)0衛(wèi)星已攜帶中科院西安光機(jī)所研制的干涉成像光譜儀升空,用于獲取月球表面二維多光譜序列圖像及可分辨地元光譜圖,通過與其他儀器配合使用對(duì)月球表面有用元素及物質(zhì)類型的含量與分布進(jìn)行分析,獲得的數(shù)據(jù)用于編制各元素

16、的月面分布圖。從2007年到2010年,我國將組建環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座,將攜帶超光譜成像儀,采用0.450.95L m波段,平均光譜分辨率為5nm,地面分辨率為100m。我國在積極研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成像光譜儀的同時(shí),在地物光譜數(shù)據(jù)技術(shù)、高光譜影像分析技術(shù)等方面的研究中也取得了部分的成果。20世紀(jì)90年代初期,中科院安徽光機(jī)所、遙感所等單位對(duì)大量的典型地物進(jìn)行了波譜采集,建立了我國第一個(gè)綜合性/地物波譜特性數(shù)據(jù)庫0。1998年,中國國土資源航空物探與遙感中心建立了/典型巖石礦物波譜數(shù)據(jù)庫0,其中包含了我國主要的典型巖石和礦物500余種。2000年,中國科學(xué)院遙感所基于G I S和網(wǎng)絡(luò)

17、技術(shù)研制了典型地物波譜數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng),記錄了10000多條地物波譜,并能動(dòng)態(tài)生成相應(yīng)的波譜曲線和遙感器模擬波段,實(shí)現(xiàn)了波譜數(shù)據(jù)庫與/3S0技術(shù)的鏈接。三、高光譜遙感應(yīng)用領(lǐng)域1.軍事領(lǐng)域應(yīng)用先進(jìn)的科技成果往往最先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。高光譜影像的軍事應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域4,6。1.目標(biāo)偵察。高光譜衛(wèi)星圖像可大大拓寬對(duì)目標(biāo)種類識(shí)別范圍并提高識(shí)別的準(zhǔn)確率。2.近海環(huán)境監(jiān)測(cè)。應(yīng)用于海軍和潛艇部隊(duì)需要淺水區(qū)探測(cè)、海底結(jié)構(gòu)類型、探測(cè)水下危險(xiǎn)事件、海水清晰度等。3.偽裝與反偽裝。高光譜遙感能夠完成對(duì)多種偽裝目標(biāo)或工程的可靠揭露,同時(shí)還可用來提高部隊(duì)的偽裝技術(shù)水平。4.打擊效果評(píng)估。用目標(biāo)受損后其自身和環(huán)境的

18、細(xì)微光譜特征變化來實(shí)現(xiàn)或輔助毀傷識(shí)別。2.民用領(lǐng)域應(yīng)用在民用方面,高光譜遙感在對(duì)地觀測(cè)和環(huán)境調(diào)查中廣泛應(yīng)用,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面8,9:1.測(cè)繪地形圖,制作專題圖。例如精細(xì)農(nóng)業(yè)中的農(nóng)作物、森林、草場(chǎng)等植被分布圖,地質(zhì)探測(cè)中的礦物、土壤、冰川10等專題分布圖等。2.海部要素監(jiān)測(cè)。例如海洋資源普查、水色水質(zhì)變化、葉綠素和浮游生物含量分析、海岸帶和海洋生態(tài)變化及海洋污染監(jiān)測(cè)等。3.資源環(huán)境調(diào)查與災(zāi)害評(píng)估。例如土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)11、礦物分布調(diào)查12、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。4.大氣遙感。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,能提高天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害

19、預(yù)警等的準(zhǔn)確性與可靠性。參考文獻(xiàn):1萬余慶,譚克龍,周日平.高光譜遙感應(yīng)用研究M.北京:科學(xué)出版社,2006.30-49.2楊國鵬.基于核方法的高光譜影像分類與特征提取D.鄭州:信息工程大學(xué),2007.3路威.面向目標(biāo)探測(cè)的高光譜影像特征提取與分類技術(shù)研究D.鄭州:信息工程大學(xué),2005.4余旭初,馮伍法,林麗霞.高光譜遙感測(cè)繪的新機(jī)遇J.測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2006,23(2:101-105. 5童慶禧,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感原理、技術(shù)與應(yīng)用M.北京:高等教育出版社,2006.129-289. 6KRAM ER.Earth O bservati on H i story on T echno l ogy In-7楊哲海.高光譜影像分類若干關(guān)鍵技術(shù)的研究D.鄭州:信息工程大學(xué),2006.8浦瑞良,宮鵬.高光譜遙感及