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

高光譜成像技術(shù)是一種新型的檢測技術(shù)，它結(jié)合了光學、光譜學和成像學等多個學科的知識，能夠獲取目標的高光譜信息，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？本文簡單介紹了高光譜成像技術(shù)的應用行業(yè)。

在大氣科學研究中的應用

高光譜成像具有非常高的光譜分辨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，氣溶膠含量估計以及大氣光學特性評價等是高光譜成像技術(shù)在大氣研究中的突出應用。利用高光譜數(shù)據(jù)在準確探測大氣成分的基礎上，不僅能提高天氣預報、災害預警等的準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系統(tǒng)，用于同時測量大氣風和氣溶膠的光學性質(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)，同時采用雙邊緣監(jiān)測技術(shù)，可以獲得高精度的大氣風速信息。

對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，特別是在1.0～1.3μm光譜范圍的波段，可以獲得對冰雪粒徑大小的識別，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)系進行冰雪顆粒填圖，并提出波段面積標尺法，解決了信號建立在單波段上易受到傳感器噪聲影響的缺點。

在城市下墊面特征和環(huán)境研究中的應用

由于人類活動、城市下墊面特征與環(huán)境顯得異常復雜，同物異譜、同譜異物 及混合像元現(xiàn)象也非常嚴重。而高光譜成像的發(fā)展使得人們有能力對城市地物 的光譜特性進行深入研究，人們用實驗室光譜、地物光譜、航空和航天的高光譜遙感器對城市的光譜進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。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)合光譜檢測算法，對城市地物分類進行了研究，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，針對每一個圖斑進行統(tǒng)計分析與分類，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)測中的應用

高光譜成像是當前海洋成像前沿領域。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，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)海洋遙感應用基礎研究主要是一些數(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研究還未涉足。在海洋水質(zhì)監(jiān)測應用方面，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)測要素，進行上述要素的光譜波段敏感性研究，試獲得其探測的最佳波段，并進一步發(fā)展準確、快速識別和探測技術(shù)。在海洋表面溫度測量、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)象的研究等方面都開展了相應的研究。

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)測與管理。

在植被與生態(tài)研究中的應用

高光譜超多波段的成像光譜數(shù)據(jù)為植被分類識別提供了比以往更加詳細的信息，基于高光譜成像的植被識別精度遠遠超出了常規(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。

高光譜成像還應用于生態(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、植被和土地覆蓋精細制圖、土地利用動態(tài)監(jiān)測、礦物分布調(diào)查、水體富營養(yǎng)化檢測、大氣污染物監(jiān)測、植被覆蓋度和生物量調(diào)查、地質(zhì)災害評估等等。

植被高光譜數(shù)據(jù)，按獲取方式的不同，采用相應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)等領域。另外，高光譜的出現(xiàn)使植物化學成分估測成為可能。 

例如：1995年12月，中國科學院遙感應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,開展了濕地植被高光譜遙感監(jiān)測實驗。吳長山利用高光譜數(shù)據(jù)對導數(shù)光譜與群體葉綠素密度做相關(guān)分析，選取相關(guān)關(guān)系最高的波段與導數(shù)光譜進行線性擬合，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)主要的領域也是高光譜成像應用中最成功的一個領域。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）進行礦物識別可分為3 個層次：礦物種類識別、礦物含量識別和礦物成分識別。

① 基于單個診斷性吸收的特征參數(shù)；

② 基于完全波形特征；

③ 基于光譜知識模型）在礦物識別和礦物精細識別的基礎之上，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、成礦預測、巖性的識別與分類、油氣資源及災害探測、高光譜植被重金屬污染探測等方面也有應用。

例如：國內(nèi)也開展了類似的研究。謝紅接等運用 MAIS數(shù)據(jù)做了試驗性研究 工作，提取了研究區(qū)域的鈾礦特征信息(如蝕變和礦化等)。萬余慶等運用OMISI數(shù)據(jù)確定了燒變巖中3價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)識別和提取了礦化蝕變信息。王青華等運用 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，達到較準確識別巖類目的。王晉年等在新疆阿克蘇柯坪進行油氣勘探研究中，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，從一開始就被應用于軍事領域，并在實際應用中表明這種光譜成像技術(shù)在軍事上具有很高的應用價值，因而軍用衛(wèi)星上采用這種遙感器的趨勢正在快速增長。

在軍事偵察、識別偽裝方面，它能夠根據(jù)目標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發(fā)現(xiàn)目標；在調(diào)查武器生產(chǎn)方面，超光譜成像儀不但可探測目標的光譜特性、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，目前美國海軍設計的超光譜成像儀，可在0.4μm～2.5μm光譜范圍內(nèi)提供210個成像光譜數(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)，這對海軍近海作戰(zhàn)有十分重大的意義。