高光谱遥感技术：遥感领域的新锐力量

一、高光谱遥感技术工作原理

高光谱遥感技术是通过搭载高光谱传感器的卫星、无人机等平台，对地物表面进行光谱成像。高光谱传感器能够捕捉到地物表面反射、吸收、散射等光谱信息，并将其转化为图像数据。这些图像数据包含了丰富的光谱信息，可以被用于各种应用领域。

二、高光谱遥感技术应用领域

环境监测

高光谱遥感技术可以用于监测大气污染、水质、土地利用变化等方面。通过分析地物的光谱特征，可以实时监测环境变化，为环境保护和可持续发展提供有力支持。

用高光谱遥感发现“物质指纹”

高光谱遥感就像一只“眼睛”，只是它探测的光谱范围比人眼宽得多，也精细得多。而地面上的每种物体都有自己独特的光谱特征，就像“指纹”一样，专家通过高光谱遥感卫星获得的光谱信息就能识别出地物成分。

可以识别“指纹”的“天眼”

在高光谱观测卫星上，一共装载着七台遥感仪器，包含两台陆表成像仪与五台大气成分探测仪，探测谱段覆盖了从紫外到长波红外谱段，采用高光谱及高精度偏振等多种手段，获取大气和地表的空间几何、辐射、光谱和偏振等多种信息。

之所以说高光谱观测卫星就像“眼睛”，是因为卫星和人眼一样，都是通过获取光谱来采集信息的。但是，人眼的观测范围十分有限，仅限于对可见光频率范围内的观测，而高光谱观测卫星的“可见”范围要广得多。毛星介绍说，遥感仪器除了探测可见光到短波红外，还可以探测紫外、中红外和热红外等波段。如果把高光谱设备比作一台相机，它的功能就是可以在每个光谱波段拍一张照片，比如有的传感器在400—2500纳米范围内有330个光谱通道，就意味着，它一次能拍摄同一个区域的330张照片。

农业

高光谱遥感技术在农业领域也有广泛的应用，如作物生长状况监测、病虫害检测、土壤质量评估等。通过分析作物的光谱特征，可以实时监测作物生长状况，为精准农业发展提供有力支持。遥感可以获得大量的信息，多平台和多分辨率， 快速、覆盖范围广等，是遥感数据的一个重要的优势。农业遥感技术是遥感技术和农业科学技术相结合形成的，是可以及时掌握农业资源、作物生长以及农业灾害信息等的最佳方式，在调查和评估，以 及 农 业 生产的监测和管理中具有独特的作用。现代农业 遥感发展的新兴技术，可以实时监测湖泊和水库水 面 的高度以及评价区域水资源和农业干旱，包括作物 品 种质量监控和鉴定。

由于高光谱遥感不会对农作物造成损害，因而被广泛应用于监测农作物的叶片面积。这弥补了传统遥感技术获取农作物叶面积指数时间过长的缺点，从 而 获得最准确、损害最小的遥感监测数据。通过 高 光 谱 的观测和分析，可以得到更为精确的农作物叶面积指数，形成不同的遥感反演模型。如，使用地物光谱仪测量冬小麦在特定波段范围内的反射率和透射率，使 用冠层分析仪对冬小麦进行分析，形成光谱曲线；经 过观测，形成遥感反演模型，并将模型估计值与实际 观测值进行对比，结果显示，明显提高了遥感反演模 型的整体精度。现阶段，我国农业现代化发展的主要 方向和目标是精细农业，在农业监测中高光谱遥感 技 术具有快速高效、准确、无损的特点，已经成为了农业遥感监测中被广泛应用的手段。精细农业可以通 过 科学、系统的管理方法对农业资源利 用进行合理规 划，在不污染环境的前提下，通过遥感技术提高农产 品产量和质量。考虑到精细农业对数 据和信息的需 求，传统的分析方法已不能满足现代农业发展的需 要。因此，３Ｓ技术的综合被应用到农业监测中。高 光谱遥感在精准农业的发展中得到了广泛的应用。利 用高光谱技术获得更完整和更准确的农作物参数，为 农作物的种植与管理提供了有利的保障。高光谱遥感技术除了上述内容，在全面的农作物质量监测，通过获取农作物在不同生长时期的数据特征进 行 全面的预测以及最后的生产，目前主要集中在不同农作物的种植面积和产量以及质量监测过程中的数据访 问与存储。虽然高光谱技术已经全面、准确应 用 于 农 业中，但还需要进一步的研究。如何将高光谱 遥 感 技 术应用于作物机理和农业信息的监测以及完善农业光 谱信息数据库，为进一步提高农业信息监测模型的 适 用性和准确性提供支持。

地质勘探

高光谱遥感技术在地质勘探领域具有重要的应用价值，如矿产资源勘查、地质灾害预警等。通过分析地物的光谱特征，可以识别出不同的矿产资源和地质灾害风险区域，为地质勘探和资源开发提供有力支持。高光谱影像包含了丰富的地表空间、光谱和辐射的三重信息，它同时表现了地物的空间分布并获得了以像元为目标的地物光谱信息。随着成像光谱仪的光谱分辨率和空间分辨率的不断提高，高光谱遥感广泛的应用于地质调查、植被研究、海洋遥感、农业遥感、大气及环境遥感等领域中，并发挥越来越重要的作用，其中地质是高光谱遥感技术应用最成功的一个领域。高光谱遥感通过搭载于航空或航天平台上的成像光谱仪测量岩石、矿物等地物的光谱特性、获取图谱合一的信息来识别地物、探测环境,即获取光谱数据的空间模式。地物的光谱特性是高光谱遥感的基础。

高光谱遥感岩矿识别

岩石光谱识别是指通过对岩石矿物光谱和实验室测量的参考光谱进行匹配或岩石矿物光谱与参考光谱数据库进行比较, 求出它们之间的相似或差异性, 从而直接识别矿物、提取 岩性、蚀变、矿化等信息。高光谱遥感的最大优势在于利用有限细分的光谱波段, 去再现象元对应物的波谱曲线。利用整个光谱曲线进行岩石、矿物识别, 可以在一定程度上改善单个波形的不确定影响如光谱漂移、变异等,提高识别精度。基于整个波形的识别技术方法关键是合理选择一定函数来测定实测光谱与参考光谱数据库中对应的光谱的相似性。

对做过预处理(辐射校正、几何校正、大气校正)的高光谱遥感图像,依据对谱形特征研究 角度的不同,可以分为基于特征谱带(单个谱形特征)的矿物识别方法和基于完全波形特征(整个谱形特征)的矿物识别方法(如图1所示) 。

军事侦察

高光谱遥感技术在军事侦察领域也有广泛的应用，如侦察目标识别、战场环境监测等。通过分析地物的光谱特征，可以实时监测战场环境，为军事决策提供有力支持。

高光谱目标探测和识别在军事领域的应用

高光谱探测和识别技术在军事领域具有极为广阔的应用前景。目前，基于高光谱数据的目标探测及精准识别技术已在多个国家制定了实用可靠的发展计划。美国作为高光谱遥感大国和军事强国，在高光谱遥感技术制备方面一直处于国际领先地位，其HMD（Hyperspectral Mine Detection，高光谱地雷探测）计划、HRST（Hyperspectral Remote Sensing Technology，高光谱遥感技术）计划和 Dark Horse计划均对高光谱探测识别开展了研究。此外，以色列科学家利用CASI高光谱成像光谱仪在特拉维夫市（Tel Aviv Yafo）进行研究，通过CASI图像选择典型的地物作为端元数据，实施可靠的战场详细侦察。在军事目标侦察、识别伪装方面，高光谱遥感能够依据背景与伪装目标不同的光谱特性发现军事装备，通过光谱特征曲线可反演出目标的组成成分，从而揭露与背景环境不同的目标及其伪装。在军事作战环境下，对绿色伪装材料的检测是伪装检测过程中的重要环节，基于高光谱图像开展伪装检测可以利用植物的红边效应（植被在680~720nm波段范围反射率升高），通过检测其位置和斜率的特征就可以识别植被的种类和状态；而现有绿色伪装材料的光谱曲线大体上可以与植被相吻合，但是在高光谱细微的分辨能力下，经过伪装的目标也无所遁形。现有研究表明，以植被的红边作为基本识别特征，高光谱图像的伪装目标识别准确率达到了99%。

高光谱遥感技术是遥感领域的一种新兴技术，具有广泛的应用前景和发展空间。在未来，随着技术的不断进步和创新，高光谱遥感技术将为人类社会带来更多的便利和福祉。