高光谱分辨率遥感基本概念

高光谱分辨率遥感(Hyperspectral Remote Sensing)是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据。它的基础是测谱学(Spectroscopy)。测谱学早在20世纪初就被用于识别分子和原子及其结构(Skoog等，1998),20世纪80年代才开始建立成像光谱学(Imaging Spectroscopy)。它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术(Lillesand & Kiefer,1994)。成像光谱议(ImagingSpectrometer)为每个像元提供数十至数百个窄波段(通常波段宽度<10 imaging="" vane="">100nm,且波段在波谱上不连续，并不完全覆盖整个可见光至红外光(0.4～2.4μm)光谱范围。例如一个TM波段内只记录一个数据点，而用航空可见光/红外光成像光谱仪(AVIRIS)记录这一波段范围的光谱信息需用10个以上数据点，如图1.3所示。这并不是简单的数据量的增加，而是信息量的增加，信息量可增加十倍以至数百倍。

成像光谱技术的发展早已引起了遥感地学科学家们的兴趣。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命。它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱遥感中能被探测。研究表明许多地表物质(虽然并不包括全部)的吸收特征在吸收峰深度(banddepth)一半处的宽度为20～40 nm(Hunt,1980)。由于成像光谱系统获得的连续波段宽度一般在10nm以内，因此这种数据能以足够的光谱分辨率区分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质。这一点在地质矿物分类及成图上具有广泛的应用前景。而陆地卫星传感器，像MSS和TM,则无法探测这些具有诊断性光谱吸收特征的物质，因为它们的波段宽度一般在100～200 nm(远宽于诊断性光谱宽度),且在光谱上并不连续(Vane & Goetz,1988;和Goetz等，1985)。类似地，假如矿物成分有特殊的光谱特征，用这种高光谱分辨率数据也能将混合矿物或矿物像元中混有植被光谱的情形，在单个像元内计算出各种成分的比例。在地物探测和环境监测研究中，利用高光谱遥感数据，可采用确定性方法(模型),而不像宽波段遥感采用的统计方法(模型)。其主要原因也是因为成像光谱测定法能提供丰富的光谱信息，并借此定义特殊的光谱特征(Goetz等，1985)。

发展阶段

20世纪80年代遥感技术的最大成就之一是高光谱遥感技术的兴起(郑兰芬和王晋年，1992)。在1983年，第一幅由航空成像

光谱仪(AIS-1)获取的高光谱分辨率图像以全新的面貌呈现在科学界面前。它要求利用新的处理手段来操作和提取信息(Goetz等，1985;Vane & Goetz,1988;和Lillesand & Kiefer,1994)。虽然这种高光谱遥感雏形已经在70年代末开始(Chiu & Collins,1978),但它的正式出现标志着第一代高光谱分辨率传感器面世。

第一代成像光谱仪以AIS-1和AIS-2为代表(Vincent,1997;Vane &Goetz,1988)。这类成像光谱仪以推扫①方式的二维面阵列成像。工作原理与推扫式线阵列非常相似(Vincent,1997)。AIS-1用32×32面阵列成像，而AIS-2则用64×64面阵列成像。

在以后几年中，AIS数据被成功地应用在多个地学研究领域中。这类高光谱分辨率数据由于二维固体阵列探测器宽度的限制而使获得的图像宽度(每行像元数)非常有限。这一点阻碍了这一仪器的商业性发展。尽管如此，它确实开创了高光谱和高空间分辨率兼有、光谱和图像合一的高光谱遥感技术的新时代。

1987年，第二代高光谱成像仪问世。美国宇航局(NASA)喷气推进实验室(JPL)从1983年开始研制一种叫做航空可见光/红外光成像光谱仪(AVIRIS)。它是第二代成像光谱仪的代表。终于在1987年获得第一幅AVIRIS图像(Green等，1998)。AVIRIS是首次测量全部太阳辐射覆盖的波长范围(0.4～2.5μm)的成像光谱仪。1987年后，AVIRIS每年为科学研究和实际应用提供大量的图像数据。截止到1998年，已经发表与AVIRIS数据有关的研究论文(摘要)有250多篇，在过去的10多年里已多次召开与AVIRIS数据有关的研讨班、学术交流会(Green等，1998;和Vane& Goetz,1993)。AVIRIS与AIS的主要区别在于AVIRIS以掸扫①式线阵列成像。与AIS传感器相比，AVIRIS在传感器本身、定标、数据系统及飞行高度等方面都有很大的改进，以满足研究人员在科研和应用中对AVIRIS数据质量的要求。在AIS之后很快投入运行的荧光线成像仪(FLI)(Hollinger等，1987)和先进的固体阵列光谱辐射仪(ASAS)(Huegel,1987)亦为研究人员提供了不少高光谱分辨率图像。这两种成像光谱仪主要覆盖可见光和近红外光谱区。几乎与AVIRIS并存的加拿大研制的小型机载成像光谱仪(CASI)有很高的光谱分辨率(1.8 nm),288个波段覆盖的光谱范围包括可见光和部分近红外区域(430～870 nm)。由美国研制的高光谱数字图像实验仪(HYDICE)在1996年开始使用。它的探测范围与AVIRIS相同(400～2500nm),但用CCD推扫式技术成像。HYDICE有210个波段，宽度3～20 nm不等。它们均为地学、植被研究与应用提供了大量有价值的高光谱数据(宫鹏等，1996)。

最初发展成像光谱仪虽然亦用于植被遥感，但主要是为地质矿物识别研究之用(Goetz等，1985)。但是，1988年以后，成像光谱测定法已被成功地应用在大气科学、生态、地质、水文和海洋等学科中(Vane & Goetz,1993)。所有这些充分证实了高光谱遥感的应用潜力。