中國高光譜成像遙感應(yīng)用研究進(jìn)展-萊森光學(xué)

20世紀(jì)80年代遙感領(lǐng)域最重要的發(fā)展之一就是高光譜遙感的興起。從20世紀(jì)90年代開始，高光譜遙感已成為國際遙感技術(shù)研究的熱門課題和光電遙感的最主要手段。高光譜遙感是指利用很多窄的電磁波波段獲取物體有關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)，它可在電磁波的紫外、可見光、近紅外、中紅外以至熱紅外區(qū)域，獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。這樣，在傳統(tǒng)的二維遙感的基礎(chǔ)上增加了光譜維，形成了一種獨特的三維遙感。對大量的地球表面物質(zhì)的光譜測量表明，不同的物體會表現(xiàn)出不同的光譜反射和輻射特征，這種特征引起吸收峰和反射峰的波長寬度在5~50nm左右，其物理內(nèi)涵是不同的分子、原子和離子的晶格振動，引起不同波長的光譜發(fā)射和吸收，從而產(chǎn)生了不同的光譜特征。運用具有高光譜分辨率的儀器，通過獲取圖像上任何一個像元或像元組合所反映的地球表面物質(zhì)的光譜特性，經(jīng)過計算機(jī)的圖像處理，就能達(dá)到快速區(qū)分和識別地球表面物質(zhì)的目的。

1高光譜成像遙感定標(biāo)模型研究

成像光譜儀數(shù)據(jù)在使用前需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中反射率反演是一項基本工作。反射率反演轉(zhuǎn)換過程是成像光譜儀數(shù)據(jù)應(yīng)用和動態(tài)監(jiān)測等工作的前提。通常利用的反射率反演方法主要有“經(jīng)驗線性法（FG）”和“輻射傳輸模型法（RT）”等。FG模型是一個比較簡便的定標(biāo)算法。輻射傳輸模型的反演方法中應(yīng)用大氣模式（如MODTRAN等）去除大氣影響，雖然精度滿足要求，但對應(yīng)成像光譜數(shù)據(jù)逐像元處理非常耗時。為此，“查找表”技術(shù)在反射率快速反演中得以應(yīng)用，如加拿大遙感中心的成像光譜數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中就有“查找表”的生成內(nèi)容。所謂的“查找表”是根據(jù)一些輸入參數(shù)，應(yīng)用模式算出相關(guān)的參數(shù)表，在處理成像光譜數(shù)據(jù)時就可以簡單地通過運算獲得與逐像元計算精度相當(dāng)?shù)姆囱萁Y(jié)果來。

通過對目前國際上流行的幾種光譜定標(biāo)模型的分析研究發(fā)現(xiàn)：基于RT定標(biāo)模型對水汽過分敏感；基于FG的定標(biāo)模型對地形要求嚴(yán)格。由此，在實際工作中，根據(jù)實際工作條件和應(yīng)用要求進(jìn)行定標(biāo)模型的選取是十分重要的。

2在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用

2.1巖礦信息提取

謝紅接等運用中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所研制的模塊式航空71波段高光譜儀（MAIS）影像數(shù)據(jù)，在純凈像元提取、混合像元分解、光譜角制圖、匹配濾波、光譜特征擬合等方面做了試驗性研究工作，提取了該區(qū)的鈾礦特征信息（如蝕變、礦化等），為高光譜圖像的地質(zhì)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

巖石地層的識別與提取，決定于對造巖礦物光譜特征的理解，尤其是對清晰的強吸收譜帶的理解。詳細(xì)的巖石光譜特征分析有助于發(fā)現(xiàn)該區(qū)巖石診斷性光譜特征，從而利用有效的技術(shù)方法來進(jìn)行巖類信息的識別。

3在海洋研究中的應(yīng)用

3.1海洋遙感應(yīng)用基礎(chǔ)研究

在海洋水色高光譜遙感信息分析研究方面，潘德爐等人把輻射傳輸機(jī)理與數(shù)學(xué)中逼近理論相結(jié)合，發(fā)展了海洋水色高光譜信息多因子反演算法，研究了葉綠素、懸浮泥沙及黃色物質(zhì)等多因子對離水輻射率的定量關(guān)系，提出了多因子離水輻射模型。

1991年，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所利用MAIS成像光譜數(shù)據(jù)制作了澳大利亞達(dá)爾文市海水葉綠素濃度分布圖。唐軍武等建立了海洋光學(xué)三維MonteCarlo模型，模擬了不同太陽天頂角、水體成分等參數(shù)對離水輻射率方向特性的影響。模擬結(jié)果表明，在一定的遙感器、太陽和像元幾何條件下，同一水體的光場二向性帶來的離水輻射率變化可能大于已有的業(yè)務(wù)化水色大氣修正算法反演離水輻射率的誤差。模擬結(jié)果對水色遙感中正確進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取及遙感與地面數(shù)據(jù)對比有一定的意義。根據(jù)剖面輻射計和熒光計的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，傅克忖等給出了黃海葉綠素的估算模式?？梢?，國內(nèi)海洋遙感應(yīng)用基礎(chǔ)研究主要是一些數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。關(guān)于如何解決水體的低反射率、大氣對藍(lán)紫波段光譜的散射影響等難題的研究還未涉足。

3.2海洋與海岸帶資源環(huán)境研究

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，其中穿透性最強的波長范圍為0.45~0.6μm（藍(lán)光至黃光），被稱為“海洋窗口”，利用成像光譜技術(shù)可以觀測到海洋中沉積性懸浮物、浮游生物、葉綠素的分布等海況，例如，用于估值海洋沉淀物和葉綠素含量，而葉綠素含量的估值可以用于監(jiān)視海藻的生長和推斷水產(chǎn)研究中浮游生物的分布和魚群位置。對我國而言，隨著沿海地區(qū)工業(yè)化、城市化的發(fā)展，海洋環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。海洋污染給國家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

4在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

4.1植被參數(shù)分析

歸一化植被指數(shù)（NDVI），被定義為近紅外波段（NIR）與可見光紅波段（R）數(shù)值之差和這兩個波段數(shù)值之和的比值，即NDVI=（NIR-R）/（NIR+R）。NDVI在運用遙感圖像進(jìn)行植被以及植物物候研究方面得到廣泛應(yīng)用，它是植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子，與植被分布密度呈線性相關(guān)。但實驗表明，NDVI對土壤背景的變化較為敏感。張良培等利用在鄱陽湖地區(qū)測得的數(shù)據(jù)，選擇波長676nm和832.6nm進(jìn)行NDVI中的計算。在這兩個波長位置上，土壤的反射值相差很小。因此，利用高光譜數(shù)據(jù)可以消除土壤信號在NDVI中的作用。

4.2植被生長監(jiān)測

冠層的理化特性在一定程度上控制著森林的初級生產(chǎn)力(NPP)。比如葉面積、葉厚度和氮含量通過控制光合作用和傳輸速率來影響NPP。

5在大氣和環(huán)境遙感中的應(yīng)用

5.1植被參數(shù)分析

大氣中分子和粒子成份在太陽反射光譜中有強烈反映，這些成份包括水汽、二氧化碳、氧氣、臭氧、云和氣溶膠等，其中水汽是主要吸收成份。有大量的方法用于分析水汽。這些方法通常都是估算940nm處水汽吸收強度與大氣中總水柱豐度的關(guān)系。

隨著人們對環(huán)境問題的重視，這方面的研究也不斷向縱深發(fā)展。如在沿海和陸地水體方面，用于探測葉綠素、浮游主物類、溶解的有機(jī)物、本地或遠(yuǎn)處搬運來的懸浮物等等。在環(huán)境監(jiān)測方面，可以探測直接或間接危害環(huán)境的地表成分，如酸雨和重金屬，同時可以用來監(jiān)測有害礦物的遷移。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯 黃昊宇