简析机载高光谱技术的五大特点

2023-12-29

高光谱技术是对地观测的高尖端技术之一，在地学领域具有广泛的应用前景。机载高光谱技术扩宽了人类的视野和视觉能力，为地学研究源源不断地提供高精度定位、高频度、多频谱不同级次的宏观影像。本文简单介绍了机载高光谱技术的五大特点。

1. 高光谱分辨率与高空间分辨率

美国科学家通过对AVIRIS数据所进行的一系列研究，包括低空和高空试验飞行后认为，20m/pixel 的空间分辨率能够对岩石矿物进行一定程度的识别，但是对更为精细信息(如植株信息. 的探测却较为困难。同时，高光谱仪幅宽普遍较窄(含星载数据. ，以致重复飞行造成飞行成本较高。因此随着高光谱应用技术的不断深入，以及对地物精微特征探测的需求，传感器更加趋向于朝高光谱分辨率、更高空间分辨率，以及更大幅宽方向发展。

20世纪90年代至21世纪初，高光谱技术已经由试验研究逐步走向商业化运营，其全球研究所需空间分辨率大致锁定在30m/pixel。 而军事和商业运营空间分辨率趋向几米甚至更小，数据获取幅宽也极大地提高，光谱分辨率也呈线性增长。利用高光谱仪所获取的海量数据，可以提供更为精细的地表信息，实现采用宏观手段对地表微观特征进行识别与研究，使人们可以在不同领域分别得到相关的、丰富的地物内在信息，从而从物质的内在本质进行宏观把控、可持续管理等；这样也促使地学研究将空间尺度的信息与地学机理有机结合，实现遥感地学应用的综合与模型化。

2. 网格化、系统化、工程化

一些国家， 尤其是一些发达国家从 20世纪70年代末至80年代初提出成像光谱遥感概念模型，并着手研制高光谱仪，目前已经形成涵盖不同空间及不同光谱波段区域的立体网络化高光谱遥感技术体系。例如，美国以其雄厚的资金与技术，一直引领着 世界成像光谱技术的发展，在各个领域均有所突破;拥有机载成像光谱仪AVIRIS、Probe-1、MASTER、SEBASS等，相继形成覆盖不同光谱范围、不同高度的成像光谱遥感技术网络体系，促使高光谱遥感技术不断朝工程化、系统化与产业化方向深入发展，并充分为美国的社会安全、资源探测与评价、环境监测与治理等提供不同层次的成像光谱数据。其他一些国家也相继研制了各自的系统，如澳大利亚e成功运营的商业性机载HyMap和加拿大商业性机载CASI/SASI,以及意大利商业性机载MIVIS等。

3. 业务化和商业化

许多国家都做了大量航空飞行试验、方法研究和应用示范工作，在数据获取、辐射定标、光谱重建、数据处理、地物识别等方面取得了很大的进步，发展了多种辐射校正、光谱重建、波形分析、光谱识别、定量反演等方法；在地质制图、固体矿产和油气调查、大气探测、植物长势监测和农业估产、环境监测、海水有机物探测等方面都取得了明显成效。近年来，各种新理论和新思维不断被引入高光谱数据处理中：MIA分析方法强调了多维数据的可视分析思想；证据推理及专家系统方法进一步强化了经验和知识在数据处理中的参与与应用；小波、分维、神经网络、并行处理等技术的应用研究也已广泛开展。所有这些都有力推动了数据处理和识别分类技术的不断发展。

在高分辨率遥感数据处理与分析软件开发方面，些商业软件具有 专业的光谱分析工具包，具有主成分变换、非监督神经网络分类、光谱角分类技术、亚像元分解算法，以及亚像元目标检测算法、光谱匹配滤波等功能。ERDAS在已有成像光谱图像处理功能的基础上，又增加了异常和目标探测、矿物填图和矿物识别等处理技术。分析成像与地球物理学( analytical imaging and geophysics, AIG.  已经开发完成了高光谱产品生产系统( hyperspectral product generation system, HGPS. ，即以大规模成像光谱数据处理为目的的“流水线处理”。科罗拉多大学开发的光谱图像处理系统( spectral image processing system, SIPS.  软件，包括了如光谱角制图等方法进行图像光谱和参考光谱(可来源于光谱库、野外目标测量或图像光谱. 的相似性填图。利用最小噪声分量(MNF. 变换的矿物和植被制图，以及利用像元纯度指数(PPI. 的空间数据缩减、端元选取和识别及混合谐调匹配滤波(MTMF. 填图，现已被应用于HyMap等高光谱遥感数据的处理。

4. 实用化

在矿产与能源调查领域，高光谱技术日益受到国外各大矿业公司的重视。其作用主要体现在以下两个方面:第一，随着矿产调查难度的增大，高光谱技术正逐步进入勘查前期的主流程，用于缩小找矿靶区，提高勘查效率和减低勘查风险。例如，利用HyMap数据在澳大利亚西部和南非南部皮尔巴拉( Pilbara. 地区HyMap数据对与金矿化关系密切的叶蜡石进行了识别填图，并由此发现了新的矿化远景区，实地验证证明该地区确实存在Au元素异常。第二，普遍关注由采矿活动引起的环境污染问题，充分利用高光谱技术直接对矿山开发环境进行评估和监测。例如，利用AVIRIS数据对亚马孙河流域原生酸化物与次生酸化物进行识别与制图。

5. 面向不同层次用户服务

随着高光谱预处理技术与信息提取技术的进一步发展，将来的高光谱技术可以将算法与应用模型等嵌入传感器中，直接向不同应用层次的用户提供所需要的产品，及时快速满足用户的应用需求，为用户省去许多不必要的中间环节。例如，MODIS的运行方式可以向不同的用户提供诸如云产品、气溶胶、温度产品及海洋水色产品等，直接利用ASTER数据可以获取温度和高程数据产品等。这也是高光谱遥感未来的应用模式，直接为用户提供丰富多彩的信息产品，满足不同层次用户的需求。