近20年來，高光譜遙感技術發展迅速，它集探測器技術、精密光學和機械、微弱信號檢測、計算機技術和信息處理技術於壹體，已成為遙感領域的前沿技術之壹。
高光譜遙感的起源與發展1.2.1
隨著基礎理論和材料科學的不斷進步，近20年來高光譜遙感技術發展迅速，已成為遙感領域除雷達遙感、激光遙感和超高分辨率遙感之外的又壹重要研究方向。
1.2.1.1國外高光譜成像儀的發展
由於高光譜遙感在探測地物屬性方面的巨大潛力，成像光譜技術越來越受到重視。
(1)機載超光譜成像儀
1983年，美國研制的航空成像光譜儀(AIS-1)獲取了第壹幅高光譜圖像，標誌著第壹代高光譜成像儀的出現。65438年至0987年，美國國家航空航天局噴氣推進實驗室(JPL)成功研制了機載可見/紅外成像光譜儀(AVIRIS)，標誌著第二代超光譜成像儀的出現。
(2)星載超光譜成像儀
在航天領域，由美國噴氣推進實驗室研制的地球觀測計劃中的中分辨率成像光譜儀(MODIS)隨著TER2RA衛星的發射成為第壹個在軌星載成像光譜儀，並於2000年開始向地面傳輸圖像。
2000年，美國國家航空航天局發射的EO21衛星搭載的地面分辨率為30m的高光譜成像儀(Hyperion)在礦產定量填圖中取得了良好的應用效果。2002年，美國NEMO衛星搭載的海岸海洋成像光譜儀(COIS)具備了自適應信號識別能力，滿足了軍用和民用的不同需求。此外，2007年6月交付給科特蘭空軍基地的超光譜成像傳感器將通過Tac2Sat23衛星裝載到太空。
目前，許多國家都在積極發展自己的高光譜傳感器，如德國環境監測與分析計劃的EnMAP、南非多傳感器小衛星成像儀的MSMI和加拿大高光譜環境與資源觀測者的HERO。
1.2.1.2國外高光譜圖像分析技術研究現狀
隨著成像光譜儀的快速發展，地物光譜數據庫和高光譜圖像分析技術的研究也迅速發展。
在地物光譜數據庫技術方面，美國是最先進的，代表性的有JPL標準光譜數據庫、USGS光譜數據庫、ASTER光譜數據庫和IGCP2264光譜數據庫。此外，美國空軍和環境保護局建立了AEDC/環境保護局光譜數據庫，用於空氣汙染和空氣成分的診斷，並為美國海軍研究實驗室開發的HYDICE成像光譜儀建立了森林超光譜數據庫。其他壹些國家也開始了光譜數據庫技術的研究和建設。例如，英國在20世紀90年代初建立了海水光譜數據庫，用於海水顏色研究。
美國國家航空航天局(美國國家航空航天局)、歐洲航天局(歐空局)、日本國家宇宙開發廳(NASDA)、大學和研究所都有專門的高光譜圖像應用分析研究機構。
國外商用遙感圖像處理系統相繼增加了成像光譜數據處理模塊，其中以RSI公司的ENVI、PCI Geomatics公司的PCI和MicroImages公司的TNTmips為代表。
1.2.1.3中國高光譜遙感技術發展現狀
中國緊跟國際高光譜遙感技術的發展，結合國內日益增長的應用需求，於20世紀80年代中後期開始研制自己的高光譜成像系統。主要的成像光譜儀有中科院上海技術物理研究所研制的推掃式成像光譜儀(PHI)系列、實用模塊化成像光譜儀(OMIS)系列、中科院長春光機所研制的高分辨率成像光譜儀(C2HRIS)、Xi安光機所研制的穩定大視場偏振幹涉成像光譜儀(SLPIIS)。中科院上海技術物理研究所研制的中分辨率成像光譜儀(CMODIS)於2002年隨神舟三號發射升空，成功獲取空間高光譜圖像。它獲得了從可見光到近紅外的30個波段，從中紅外到遠紅外的4個波段，空間分辨率為500米。
嫦娥1衛星於2007年6月5438+10月發射，搭載中國科學院Xi安光學精密機械研究所研制的幹涉成像光譜儀。它用於獲取月球表面的二維多光譜序列圖像和可分辨的地球光譜圖。通過與其他儀器的配合，分析月球表面有用元素和物質類型的含量和分布，並利用獲得的數據編制各元素的月球表面分布圖。
從2007年到2010年，中國將建立壹個用於環境和災害監測和預報的小衛星星座，該星座將攜帶壹個平均光譜分辨率為5納米的高光譜成像儀，地面分辨率為100米
在積極研制具有自主知識產權的成像光譜儀的同時，我國在地物光譜數據技術和高光譜圖像分析技術研究方面也取得了壹系列可喜的成果。
上世紀90年代初，中國科學院安徽光機所、遙感所等單位收集了大量典型地物，建立了我國第壹個綜合性的“地物光譜特征數據庫”。1998期間，中國國土資源航空物探遙感中心建立了“典型巖礦光譜數據庫”，收錄了我國500多種主要典型巖礦。2000年，中科院遙感所開發了基於GIS和網絡技術的典型地物光譜數據庫及其管理系統，記錄了10000多個地物光譜，並動態生成相應的光譜曲線和遙感器模擬波段，實現了光譜數據庫與“3 S”技術的鏈接。
1.2.2高光譜成像儀介紹
1.2.2.1國外高光譜成像儀系統介紹
(1)航空高光譜成像儀
1983年，世界上第壹臺成像光譜儀AIS-1(aero imaging Spectrometer-1)在美國噴氣推進實驗室研制成功，並成功應用於植被研究、礦物制圖等方面，向世界展示了高光譜成像技術的潛力。此後，美國機載先進可見紅外成像光譜儀(AVIRIS)、加拿大熒光線成像光譜儀(FLI)和在此基礎上發展起來的小型機載成像光譜儀(AIS)、美國Deadalus公司的MIVIS、GER公司的79波段機載成像光譜儀(OMI-10和OMI-20)、美國海軍研究所實驗室的超光譜數字圖像采集測試儀(HY)
表1.1國外主要機載高光譜成像儀信息
近年來，成像光譜技術在資源調查、作物生長、病蟲害、土壤條件、地質勘探等方面的成功應用，使世界各國看到了這壹新技術的巨大前景和潛力，世界上壹些有條件的國家競相投入成像光譜技術的開發和應用。同時，許多國家參考了現有成像光譜儀的先進技術，使得新研制的系統繼承了舊系統的優點，同時在許多方面得到了進壹步的改進，在穩定性、探測效率、綜合性能等方面都有了長足的進步。其中有代表性的有美國的Probe、澳大利亞的HyMap、美國GER公司為德士古石油公司專門開發的TEEMS系統等。
Probe-1和Probe-2是地球搜索科學公司開發的另壹個有影響力的航空成像光譜儀系統。該系統在0.4 ~ 2.5微米範圍內有128個波段，光譜分辨率為18 nm。
HyMap是hyperspectral mapper的縮寫，主要由澳大利亞Intergrated Spectronics公司開發。HyMap在0.25 ~ 0.45微米的光譜範圍內有126個波段，在3 ~ 5微米和8 ~ 10 μ m的波長區域設置了兩個可選波段，* *有128個波段。其數據在光譜定標、輻射定標、信噪比等方面實現了高性能，整體光譜定標精度優於0.5nm；。短波紅外波段(2.0 ~ 2.5微米)的信噪比高於500∶1，部分波段的信噪比甚至高達1000∶1。
TEEMS是德士古能源與環境多光譜成像光譜儀的縮寫。這是壹臺實用的高光譜成像儀，擁有200多個波段，性能先進，是美國地球物理與環境研究公司(ger)應德士古技術公司的要求，與德士古專家合作專門研制的。該系統具有紫外、可見光、近紅外、短波紅外和熱紅外波段的成像能力，因此在石油地質勘探中，特別是在探索與油氣藏有關的特征方面具有巨大的潛力。
近年來，熱紅外成像光譜儀取得了實質性進展。最具代表性的是美國航空航天公司開發的空間增強寬帶陣列光譜系統(SEBASS)。SEBASS有兩個光譜區:中紅外，3.0 ~ 5.5微米，帶寬0.025微米；長波紅外，7.8 ~ 13.5μ m，帶寬0.04μm..在中波紅外區和長波紅外區分別有100波段和142波段。所用探測器為兩個Si: As焦平面128*128，有效幀頻120Hz，溫度靈敏度0.05℃，信噪比> 2000。熱紅外成像光譜儀為更好地反映地物的性質提供了有價值的數據，已在探礦、地質填圖、環境監測、農林資源填圖、植被生長等諸多領域得到應用。
(2)空間超光譜成像儀
美國先後研制了中分辨率成像光譜儀(MODIS)和EO-1高光譜衛星，與日本合作研制了先進衛星熱發射/反射輻射計和美軍的“威力-衛星”高光譜衛星，在世界空間成像光譜技術研究方面壹直遙遙領先。
MODIS是EOS-AM1衛星(1999年2月發射)和EOS-PM 1(2002年5月發射)-中分辨率成像光譜儀上的主要探測儀器，也是EOS Terra平臺上唯壹的直播對地觀測儀器。通過MODIS可以獲得0.4 ~ 14μ m範圍內36個波段的高光譜數據，為自然災害、生態環境監測、全球環境與氣候變化、全球變化的綜合研究提供了重要的數據源。
MODIS是terra和aqua衛星上搭載的重要傳感器，是唯壹通過X波段直接向全球廣播實時觀測數據的星上儀器，可以接收數據並免費使用。MODIS可以獲取0.4 ~ 14μ m範圍內36個波段的高光譜數據，為生態環境研究、自然災害監測、全球環境和氣候變化研究提供了重要的數據源。
Terra衛星搭載的ASTER星載熱輻射與反輻射儀器於1999 12 18發射，由日本通商產業省制造。壹個日美技術合作小組負責儀器的校準確認和數據處理。ASTER是對地表圖像進行高分辨率分析的唯壹傳感器。其主要任務是通過14通道獲取整個地表的高分辨率分析影像數據——黑白立體照片。ASTER可以在4到16天內對同壹區域進行成像，具有重復覆蓋地球表面變化區域的能力。ASTER數據的壹個特點是基於用戶要求的觀測，即可以根據用戶要求隨時隨地獲取影像。ASTER的寬光譜覆蓋範圍和高分辨率為科學家提供了許多學科的識別信息，如監測冰川的進退，監測潛在的活火山，識別作物，監測雲的形態和物理條件，濕地評估，熱汙染監測，珊瑚礁退化，土壤和地質的表面溫度繪圖，以及測量表面熱平衡。
美國國家航空航天局的地球軌道-1 (EO-1)是美國國家航空航天局新千年計劃的壹部分。2000年6月165438+10月21推出。地球觀測衛星1和LandSat-7覆蓋同壹地面軌道，兩顆衛星在同壹地面的探測時間相差約1分鐘。EO-1有三個基本遙感系統，即高級陸地成像儀(ALI)、超光譜成像儀(HYPERION)和線性金屬成像光譜儀陣列大氣校正(LAC)。搭載在EO-1上的高光譜遙感器Hyperion，是新壹代空間成像光譜儀的代表，是唯壹的星載高光譜成像光譜儀，也是唯壹可以公開獲取數據的高光譜測量儀器。* * *擁有242個波段，光譜範圍為400-2500 nm，光譜分辨率達到10nm，空間分辨率為30m。
2000年7月，美國發射的MightSat-II衛星上的傅裏葉變換高光譜成像儀(FTHSI)是幹涉成像光譜儀的成功典範。
歐洲航天局於2001基於機載自主小衛星PROBA成功研制出緊湊型高分辨率成像光譜儀(CHRIS)並成功發射。CHRIS在415 ~ 1050μ m的成像範圍內有五種成像模式，不同模式下的波段數、光譜分辨率和空間分辨率不同，波段數分別為18、37和62，光譜分辨率為5 ~ 15nm，空間分辨率為17 ~ 20m或34。克裏斯可以從五個不同的角度(觀察模式)觀察地面物體，這種設計使他能夠獲得地面物體反射的方向特征。
繼美國AM-1 MODIS之後，歐洲航天局於2002年3月成功發射了Envisat衛星，這是壹顆先進的極軌地球觀測衛星，具有組合式大平臺。其中，分辨率成像光譜儀(MERIS)為推掃式中分辨率成像光譜儀，視場為68.5。其地面分辨率為300米，可見-近紅外光譜區有15個波段。光譜帶的布局可以通過程序控制來選擇和改變。
在ADEOS-1之後，日本於2002年2月發射了其後繼衛星ADEOS-2，攜帶了來自NASDA的兩個遙感器(AMSR和GLI)和由國際或國內夥伴提供的三個遙感器(極地、ILAS-2、海風)。GLI在可見-近紅外和短波紅外分別有23個和6個波段，在中紅外和熱紅外有7個波段。到目前為止，已經發射的具有代表性的星載成像光譜儀見表1.2。
表1.2國外主要星載高光譜成像儀
1.2.2.2中國高光譜成像儀系統介紹
(1)航空高光譜成像儀
我國成像光譜儀的發展經歷了從多波段掃描儀到成像光譜掃描，從機電掃描到面陣CCD探測器固態掃描的發展過程。
“八五”期間，新型模塊化航空成像光譜儀(MAIS)的研制成功，標誌著我國航空成像光譜儀技術和應用取得重大突破。自此，中國研制的推掃式成像光譜儀(PHI)和實用模塊化成像光譜儀系統(OMIS)在世界航空成像光譜儀家族中占據了重要地位。
(2)空間超光譜成像儀
中國於2002年3月發射了神舟三號無人飛船，搭載了壹臺中分辨率成像光譜儀(CMODIS ),它有34個波段，波長範圍為0.4 ~ 12.5μ m..此外，環境減災衛星搭載了115波段的高光譜遙感器。風雲三號氣象衛星搭載的中分辨率成像光譜儀有20個波段，成像範圍包括可見光、近紅外、中紅外和熱紅外。嫦娥壹號衛星搭載了中國研制的幹涉成像光譜儀，用於探測月球物質。
1.2.3高光譜遙感成像特征及數據表達
高光譜成像獲得的圖像包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。其主要特點是將傳統的影像維與光譜維信息合二為壹，在獲取地表空間影像的同時，獲得每個地物的連續光譜信息。高光譜數據是光譜圖像的立方體，由空間圖像維、光譜維(從高光譜圖像的每個像素點可以得到壹條“連續”的光譜曲線)和特征空間維(高光譜圖像提供了壹個超維度的特征空間，挖掘高光譜信息需要深入了解地物在高光譜數據形成的N維特征空間中的分布特征和行為)。
1.2.4高光譜遙感的主要應用領域
由於高光譜遙感能夠提供更詳細的光譜信息，壹些學者已經將高光譜遙感的研究從最初的礦物識別擴展到水體、植被與生態、環境資源等的探索。，但目前主要集中在地質、植被、水環境等研究領域。
1.2.4.1在植被監測中的應用
高光譜遙感以其超高的光譜分辨率為植被參數估計與分析、植被長勢監測和產量估算提供了強有力的支持。
1)植物的“紅邊”效應:“REP”是綠色植物光譜曲線在680 ~ 740nm之間變化速率最快的點，也是該區間壹階導數光譜的拐點。“紅邊”是植物光譜曲線最典型的特征，可以很好地描述植物的健康和色素狀態。當“紅邊”向紅外方向移動時，壹般可以判斷綠色植物葉綠素含量高，生長活力旺盛；反之，當“紅邊”向藍光方向移動時，壹般可能是植物因缺水等原因，處於黃葉等不健康狀態。當植物覆蓋度增加時，“紅邊”的坡度會變得更陡。
2)植被指數:植被指數主要反映植被在可見光和近紅外波段的反射與土壤背景的差異，各植被指數可用於定量說明壹定條件下植被的生長情況，是利用遙感光譜數據監測地面植物生長分布和定性定量評價植被的有效方法。根據不同的研究目的，人們提出了幾十種植被指數，如比植被指數RVI、歸壹化植被指數NDVI、差分環境植被指數DVIEVI、垂直植被指數PVI、土壤調節植被指數SAVI等。
1.2.4.2在農業上的應用
高光譜遙感在農業中的應用主要表現在快速準確提取作物長勢信息、作物長勢監測、估算植被(作物)的初級生產力和生物量、估算光能利用率和蒸散量、遙感監測和預測作物品質，從而相應調整物質的投入，達到減少浪費、增加產量、提高質量、保護農業資源和環境質量的目的。利用高光譜遙感數據估算農作物農業參數的方法主要有兩種:壹種是利用多元回歸方法建立光譜數據或由其導出的植被指數與農作物農業參數之間的關系；二是通過作物的紅邊參數來估計作物的物候特征和農藝參數。
1.2.4.3在大氣和環境中的應用
高光譜遙感憑借其超高的光譜分辨率，可以識別寬帶遙感無法識別的大氣成分變化引起的光譜差異，使人們利用高光譜遙感定量分析周圍生態環境成為可能。可以利用高光譜技術檢測汙染區域化學物質的差異，從而確定汙染區域和汙染原因；高光譜圖像還可用於檢測有害環境因素，如準確識別有害廢棄礦物、繪制特殊蝕變礦物分布圖、評估野火風險等級、識別和檢測燃燒區域等。
1.2.4.4在地質學中的應用
地質礦產調查是高光譜遙感應用最成功的領域。各種礦物和巖石在電磁波譜上的診斷光譜特征，可以幫助人們識別不同的礦物成分。在地質學上，主要用於檢測巖石和礦物的吸收和反射的診斷特征，從而對巖石和礦物進行分類、填圖和勘探。
1.2.4.5的軍事應用
高光譜圖像包含豐富的地物信息，可用於準確識別地物類型，已成功應用於軍事偵察、識別和偽裝。美國海軍設計的高光譜成像儀可以在0.4微米~ 2.5微米的光譜範圍內提供210個成像光譜數據，可以獲得近海環境目標的動態特征，如海水透明度、海洋深度、海洋大氣能見度、洋流、潮汐、海底類型、生物發光、海灘特征、水下危害、漏油、大氣中水汽總量、卷雲等，對近海作業非常有用。