高光譜成像國內(nèi)外研究與應(yīng)用

4前言隨著科學技術(shù)的進展，人們的感官得到了延長，生疏事物的力量也不斷的提高，其中光譜成像和雷達成像成為其中的佼佼者，高譜和圖像使人們能夠在大千世界更好的認識到事物。高光譜成像技術(shù)作為一項優(yōu)點顯著，有用的成像技術(shù)，從 20世紀80年月開頭得到了世界各國的重視，經(jīng)過深入的爭論和進展如今已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。高光譜遙感是當前遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域，它利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲得有關(guān)數(shù)據(jù)，它包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。高光譜遙感的消滅是遙感界的一場革命，它使原來在寬波段遙感中不行探測的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測。高光譜成像技術(shù)是基于格外多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，其中最突出的應(yīng)用是在遙感探測領(lǐng)域，并在民用領(lǐng)域有著更大的應(yīng)用前景。本文通過分析介紹高光譜圖像的成像原理，探討了高光譜圖像在國內(nèi)外進呈現(xiàn)狀及其應(yīng)用。高光譜圖像成像原理及特點11高光譜遙感根本概念高光譜遙感是通過高光譜傳感器探測物體反射的電磁波而獲得地物目標的空間和頻譜數(shù)據(jù)，成立于20波段無法探查到的物體，更加簡潔被探測到，所以高光譜遙感的消滅時成功的是革命性的。12高光譜圖像成像原理光源相機(成像光譜儀+ccd)裝備有圖像采集卡的計算機是高光譜成像技術(shù)的硬件組成，其光譜的掩蓋范圍為200-400nm,400-1000nm,900-1700nm,1000-2500nm 。其中光譜相機的主要組成局部為準直鏡，光柵光譜儀，聚焦透鏡以及面陣ccd。其掃描過程是當ccd探測器在光學焦面的垂直方向上做橫向掃描 (x),當橫向的平行光垂直入射到投身光柵是就形成了光柵光譜，這是象元經(jīng)過高光譜儀在 ccd上得出的數(shù)據(jù)，它的橫向式x方向上的像素點也就是掃描的象元，它的總想是各象元對應(yīng)的信息。在檢測系統(tǒng)輸送前進是排列的他測器完成縱向掃面(y)。綜合掃描信息即可得到物體的三圍高光譜數(shù)據(jù)。13高光譜遙感的特點波段多且寬度窄能夠使得高光譜遙感探測到別的寬波段無法探測到的物體。光譜響應(yīng)范圍更廣和光譜區(qū)分率高使得它能夠更加精細的發(fā)硬出被探測物的微小特征。它可以供給空間域和光譜域信息也就是“譜像合一”。數(shù)據(jù)量大和信息冗余多，由于高光譜數(shù)據(jù)的波段多，其數(shù)據(jù)量大，而且和相鄰波段的相關(guān)性比較高就使得信息冗余度增加很多。高光譜遙感的數(shù)據(jù)描述模型多能夠分析的更敏捷。常常使用的 3種模型有：圖像，光譜和特征模型。14高光譜的優(yōu)勢隨著高光譜成像的光譜區(qū)分率的提高，其探測力量也有所增加。因此，與全色和多光譜成像相比較，高光譜成像有以下顯著優(yōu)著：有著近似連續(xù)的地物光譜信息。高光譜影像在經(jīng)過光譜反射率重建后，能獵取與被探測物近似的連續(xù)的光譜反射率曲線，與它的實測值相匹配，將試驗室中被探測物光譜分析模型應(yīng)用到成像過程中。對于地表掩蓋的探測和識別力量極大提高。高光譜數(shù)據(jù)能夠探測具有診斷性光譜吸取特征的物質(zhì)，能準確的區(qū)分地表植被掩蓋類型，道路地面的材料等。地形要素分類識別方法是多種多樣的。影像分類既可以承受如貝葉斯判別、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機的模式識別方法，也可以承受基于被探測物的光譜數(shù)據(jù)庫的光譜進展匹配的方法。分類識別特征是既可以承受光譜診斷特征，也可以承受特征選擇與提取。地形要素的定量和半定量分類識別將成為可能。在高光譜影像中能估量出多種被探測物的狀態(tài)參量，大大的提高了成像高定量分析的精度和牢靠性。高光譜成像的進展在國內(nèi)的進展上世紀80年月初、中期，在國家科技攻關(guān)工程和863光譜成像技術(shù)的獨立進展打算。我國高光譜儀的進展，經(jīng)受了從多波段到成像光譜掃描，從光學機械掃描到面陣推掃的進展過程。依據(jù)我國的使用狀況先后開發(fā)出了滿足海洋環(huán)境監(jiān)測和森林探火的需求的以紅外和紫外波段以及以中波和長波紅外為主體的航空專用掃描儀，滿足地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘探方面的短波紅外光譜區(qū)間(2.0-2.5 mm)的6—8波段細分紅外光譜掃描儀(FIMS)和工作波段在8-12mm光譜范圍的航空熱紅外多光譜掃描儀(ATIMS)。在此以后我國又自行研制了更為先進的推帚式成像光譜儀 (PHI)和有用型模塊化成像光譜儀(OMIS)等并得到國內(nèi)外的屢次應(yīng)用，這些的成像光譜系統(tǒng)不僅在地質(zhì)和固體地球領(lǐng)域爭論中發(fā)揮巨大的作用，在生物地球化學效應(yīng)、農(nóng)作物和植被的精細分類、城市地物甚至建筑材料的分類和識別方面也都有很好的結(jié)果。2023年3月在我國載人航天打算中放射的第三艘試驗飛船“神舟三號”中，搭載了一臺我國自行研制的中區(qū)分率成像光譜儀。202310月24日我國放射的“嫦娥-1”探月衛(wèi)星上，成像光譜儀也作為一種主要載荷進入月球軌道。這是我國的第一臺基于富里葉變換的航天干預成像光譜儀，它具有光譜區(qū)分率高的特點。2023(HJ-1)外光譜區(qū)(0.45—0.95μm)、具有1285nm的高光譜成像儀。高光譜成像儀是天宮一號搭載的有效載荷之一。在軌運行期間，利用多個應(yīng)用單位由他的“火眼金睛”開展了地質(zhì)礦產(chǎn)和油氣資源勘查、森林水文生態(tài)監(jiān)測、環(huán)境污染監(jiān)測分析等都取得了豐碩的成果。2023年9月29日21時16分3秒在酒泉衛(wèi)星放射中心放射的天宮一號攜帶了我國最爭論出的高光譜成像儀。的高光譜成像儀由中科院長春周密機械與物理爭論所以及上海技術(shù)物理爭論所共同研制的，是目前我國空間區(qū)分率和光譜綜合指標最高的空間光譜成像設(shè)備，在空間區(qū)分率、波段范圍，數(shù)目以及地物分類等方面到達國際同類遙感器先進水平?！霸谔鞂m一號目標飛行器上安排高光譜遙感對地觀測，主要是利用高光譜成像儀性開展爭論?！陛d人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師張善從介紹說。在林業(yè)方面，高光譜成像儀在森林掩蓋制圖與變化監(jiān)測方面有寬闊的應(yīng)用前景。由于空間遙感可以獲得較大范圍的數(shù)據(jù)，因此利用遙感數(shù)據(jù)可較好地估算森林的生物量和碳儲量。高光譜成像儀在森林防火中發(fā)揮著重要作用。目前我國森林防火主要應(yīng)用的是中低空間區(qū)分率、高時間區(qū)分率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對于較大面積火場格外敏感，但對燃燒初期的明火通常較難探測到。天宮一號高光譜成像儀可同時獵取不同波譜范圍的數(shù)據(jù)，更好地滿足我國森林防火預警撲救的需求。海洋遙感是20世紀后期海洋科學取得重大進展的關(guān)鍵技術(shù)之一。國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心對天宮一號高光譜遙感數(shù)據(jù)進展解譯、信息提取，用于海岸帶信息與海冰信息監(jiān)測，同時針對土地利用、濱海濕地、潮間帶、岸線變遷、保護區(qū)、石油平臺監(jiān)測等信息進展了制圖。在數(shù)字化土地利用監(jiān)測方面，目前大多光譜數(shù)據(jù)由于受空間、光譜區(qū)分率等限制，難以滿足現(xiàn)實需要。天宮一號高光譜成像儀具有較高光譜區(qū)分率，在類別細分方面具有肯定優(yōu)勢。中科院遙感與數(shù)字地球所爭論人員利用天宮一號高光譜數(shù)據(jù)對北京通州地區(qū)城市土地利用類型進展監(jiān)測，并與同一時期其他來源的遙感數(shù)據(jù)進展了比照?！氨日诊@示，天宮一號高光譜數(shù)據(jù)分類結(jié)果更精細，可清楚識別出主干道、細小河流、田塊邊界等。”遙感地球所爭論員劉良云說。6月中旬，我國將擇機放射神舟十號飛船，與天宮一號目標飛行器連續(xù)實施交會對接試驗?！吧袷蝿?wù)完畢后，我們還會安排開展高光譜成像儀相關(guān)專題應(yīng)用，比方湖泊生態(tài)監(jiān)測、青藏高原監(jiān)測以及城市環(huán)境監(jiān)測等?！敝锌圃嚎臻g應(yīng)用工程與技術(shù)中心系統(tǒng)工程部副主任李緒志說。高光譜遙感系統(tǒng)在我國的普遍應(yīng)用，標志著我國的高光譜遙感已逐步走向成熟。而在我國航空航天高光譜成像系統(tǒng)做出重大奉獻的分別是中國科學院上海技術(shù)物理爭論所和西安光學周密機械爭論所。在國外的進展1983AIS-1在美國研制成功，并在礦物填圖、植被生化特征等方面取得了成功，顯示出了高光譜遙感的魅力。在此后，很多國家都先后研制航空成像光譜儀。如美國的AVIRIS、DAIS,加拿大的FLI、CASI,德國的ROSIS,HyMap等。1983年的第一代成像光譜儀AIS-1,在1987NASA噴氣推動試驗室研制的航空可見光，紅外光成像光譜儀(AVIRIS)成為其次代高光譜成像儀。第三代高光譜成像光譜儀是克里斯特里爾傅立葉變換高光譜成像儀(FTHSI)它承受了256400～1050nm2～10nm,視場角為150。經(jīng)過20世紀80年月與90年月的進展，一系列高光譜成像系統(tǒng)在國際上被研制成功并在航 到20世紀90年月后，在高光譜遙感應(yīng)用上一系列重要 的定標，定量問題，以及成像光譜圖像信息可視化及多 知光譜信息的提取、大量數(shù)據(jù)信息的處理、光譜的匹配和光譜的識別、分類等問題得到了根本解決之后，高光譜遙感一方面將由試驗爭論階段逐步轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用階段，并且技術(shù)進展方面由以航空系統(tǒng)為主開頭轉(zhuǎn)向于航空和航天高光譜區(qū)分率遙感系統(tǒng)相結(jié)合的階段。至今為止國際上已有很多種航空成像光譜儀處于運行狀態(tài)，在試驗爭論以及信息的商業(yè)化方面發(fā)揮著重要作用。進展前景如今高光譜成像面對兩個問題：第一如何削減高光譜成像儀器的收集數(shù)據(jù)量。目前，高光譜系統(tǒng)捕獲了大量的的數(shù)據(jù)，過多的數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理帶來了沉重的負擔，對芯片數(shù)據(jù)的實時處理也帶來了比較高的要求。第預個問題是是把尺寸從大變?yōu)樾?，要實現(xiàn)性能、區(qū)分率、f/number、視場大小與設(shè)備尺寸之間的平衡。在商業(yè)上，制造商們依據(jù)集成、易用的原則制造出的高光譜成像儀器已經(jīng)取得了成功。但是商業(yè)化要求的高光譜儀器需要穩(wěn)定、耐用，在不同的測量環(huán)境中結(jié)果到達全都，特別是在工廠環(huán)境。高光譜成像的應(yīng)用領(lǐng)域高光譜如今主要被應(yīng)用在民用方面：地質(zhì)調(diào)查，植被遙感，農(nóng)業(yè)監(jiān)測，大氣遙感，水文學，災難環(huán)境遙感，上壤調(diào)查以及城市環(huán)境遙感。軍用方面主要利用高光譜圖像識別偽裝以及利用高光譜辨識固體液體氣體和化學爭取更具體的獵取戰(zhàn)場信息包括障礙物，地表特征，土壤鑒別，水下障礙等等。3.1在地質(zhì)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)用中最成功的一個領(lǐng)域。如今地面光譜儀主要有澳大利亞的PIMA,美國的ASD,GER,FT-IR等，OMISPHI等。max.book1183個層次：礦物種類識別、礦物含量識別和礦物成分識別。(1.基于單個診斷性吸取的特征參數(shù)；2.基于完全波形特征；3.基于光譜學問模型)在礦物識別和礦物精細識別的根底之上，依據(jù)礦物共生組合56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)用的不斷擴展和日益深入，高光譜遙感技術(shù)和方法也在不斷改進。近年來在基于高光譜數(shù)據(jù)的礦物精細識別、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)探測等方面取得了突出的進展。高光譜遙感在地質(zhì)成因環(huán)境探測、蝕變礦物與礦化帶的探測、成礦推測、巖性的識別與分類、油氣資源及災難探測、高光譜植被重金屬污染探測等方面也有應(yīng)用。32在植被爭論中的應(yīng)用高光譜超多波段的成像光譜數(shù)據(jù)為植被分類識別供給了比以往更加具體的信息，基于高光譜遙感的植被識別精度遠遠超出了常規(guī)所能獵取信息的準確性和牢靠性，表達出高光譜在植被信息獵取力量方面的巨大優(yōu)勢。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、土壤屬性反演、植被和土地掩蓋精細制圖、土地利用動態(tài)監(jiān)測、礦物分布調(diào)查、水體富養(yǎng)分化檢測、大氣污染物監(jiān)測、植被掩蓋度和生物量調(diào)查、地質(zhì)災難評估等等。植被高光譜數(shù)據(jù)，按獵取方式的不同，承受相應(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，植被長勢監(jiān)測及估產(chǎn)等領(lǐng)域。另外，高光譜的消滅使植物化學成分估測成為可能。33在大氣科學爭論中的應(yīng)用高光譜成像具有格外高的光譜區(qū)分率它不僅可以探測到常規(guī)成像更精細的被探測物的信息，而且也能探側(cè)到大氣吸取特征。大氣的分子和粒子的成份在反射光譜波段反映格外的猛烈能夠被高光譜儀器監(jiān)測到。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，氣溶膠含量估量以及大氣光學特性評價等是高光譜成像技術(shù)在大氣爭論中的突出應(yīng)用。利用高光譜數(shù)據(jù)在準確探測大氣成分的根底上，不僅能提高天氣預報、災難預警等的準確性更能提高其牢靠性。34在海洋爭論中的應(yīng)用高光譜成像是當前海洋成像前沿領(lǐng)域。由于中區(qū)分率成像光譜儀具有光譜掩蓋范圍廣、區(qū)分率高和波段多等很多優(yōu)點，因此已成為海洋水色、水溫的有效探測工具。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，還可用于海冰、海岸帶等的探測。國內(nèi)海洋遙感應(yīng)用根底爭論主要是一些數(shù)學模型的構(gòu)建。關(guān)于如何解決水體的低反射率、大氣對藍紫波段光譜的散射影響等難題的爭論還未涉足。在海洋水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用方面，只有可見光光譜能夠觀測水下的狀況。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爭論工作也在開展，爭論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)測要素，進展上述要素的光譜波段敏感性爭論，試獲得其探測的最佳波段，并進一步進展準確、快速識別和探測技術(shù)。在海洋外表溫度測量、海洋表層懸浮泥沙濃度的定性或半定量的觀測、海洋動力現(xiàn)象的爭論等方面都開展了相應(yīng)的爭論?，F(xiàn)在國際上開展的主要爭論有：海洋碳通量爭論；海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系爭論；海岸帶環(huán)境監(jiān)測與治理。35在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用成像信息定量獵取的領(lǐng)域被高光譜成像技術(shù)所拓寬，由于運用越來越廣泛也漸漸成為農(nóng)業(yè)成像應(yīng)用的重要前沿技術(shù)手段。在農(nóng)業(yè)方面作物長勢狀況，災難監(jiān)控和農(nóng)業(yè)治理等方面我們都可以使用高光譜數(shù)據(jù)不僅能準確地反映田間作物本身的光譜特征以及作物之間光譜差異，也可以更精準地獲取一些農(nóng)學的信息，比方作物含水量，葉綠素的含量，葉面積指數(shù) (lai)等生態(tài)物理參數(shù)，更更好的推測作物長勢和產(chǎn)量。如今高光譜技術(shù)在作物葉片光譜特征爭論，作物分類與識別，作物生態(tài)物理參數(shù)反演和提取，作物養(yǎng)分診斷與監(jiān)測爭論，作物長勢監(jiān)測與產(chǎn)量推測，農(nóng)業(yè)成像信息模型爭論，農(nóng)業(yè)災難監(jiān)測中已經(jīng)取得了巨大的進步和進展。隨著農(nóng)業(yè)方面爭論的深入，光譜和空間區(qū)分率的在不斷的提高，不久以后高光譜在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用就可以從理論走向運作。36在軍事方面的應(yīng)用由于高光譜遙感在地面目標識別方面的優(yōu)勢，很早就被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域并且逐步取代多光譜遙感成為主要偵察手段戰(zhàn)場具體偵察高光譜遙感儀器能夠在連續(xù)的工作波段上同時對目標進展探測，可以直接反響被測的物體的光譜特征，能夠區(qū)分出目標外表成分和狀態(tài)，可以得到空間探測信息與地面實際目標之間存在的準確對應(yīng)關(guān)系。以色列的科學家利用CASI高光譜成像光譜儀在特拉維夫市進展了爭論，從CASI圖像中選擇典型的地物作為端元數(shù)據(jù)，對河流、沙土、植被等地物都取得了很好的識別效果。美國海軍設(shè)計的高光譜成像儀，可在0.4~2.5m光譜范圍內(nèi)供給210個波段的光譜數(shù)據(jù)，可獲得近海環(huán)境目標的動態(tài)特性，例如海水的透亮度、海洋深度、海流、海底特征、水下危急物、油泄漏等成像數(shù)據(jù)，為海軍近海作戰(zhàn)供給參考美國提出了數(shù)字化地球爭論目標是建立全球地表每平方米的數(shù)據(jù)庫包括目標和背景特征光譜在內(nèi)的多種參數(shù).數(shù)據(jù)庫建立以后，全球任何地方的軍事目標都會處于其監(jiān)控和打擊之下。識別偽裝目標在軍事目標偵察、識別偽裝方面，高光譜遙感能夠依據(jù)背景與偽裝目標不同的光譜特性覺察軍事裝備通過光譜特征曲線可反演出目標的組成成分從而揭露與背景環(huán)境不同的目標及其偽裝綠色偽裝材料檢測的一個重要手段就是利用植物的紅邊效應(yīng)植被在680~720nm綠色偽裝材料的光譜曲線大體上可以與植被相吻合在多光譜偵察條件下能夠滿足偽裝要求但是在高光譜微小的區(qū)分力量下經(jīng)過偽裝的目標便無所遁形劉凱龍等以植被的紅邊作為根本識別特征識別準確率到達了99%。機載高光譜設(shè)備ElbitHermes450