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簡析機載高光譜技術的五大特點

2023-12-29

高光譜技術是對地觀測的高尖端技術之一，在地學領域具有廣泛的應用前景。機載高光譜技術擴寬了人類的視野和視覺能力，為地學研究源源不斷地提供高精度定位、高頻度、多頻譜不同級次的宏觀影像。本文簡單介紹了機載高光譜技術的五大特點。

1. 高光譜分辨率與高空間分辨率

美國科學家通過對AVIRIS數據所進行的一系列研究，包括低空和高空試驗飛行后認為，20m/pixel 的空間分辨率能夠對巖石礦物進行一定程度的識別，但是對更為精細信息(如植株信息. 的探測卻較為困難。同時，高光譜儀幅寬普遍較窄(含星載數據. ，以致重復飛行造成飛行成本較高。因此隨著高光譜應用技術的不斷深入，以及對地物精微特征探測的需求，傳感器更加趨向于朝高光譜分辨率、更高空間分辨率，以及更大幅寬方向發展。

20世紀90年代至21世紀初，高光譜技術已經由試驗研究逐步走向商業化運營，其全球研究所需空間分辨率大致鎖定在30m/pixel。而軍事和商業運營空間分辨率趨向幾米甚至更小，數據獲取幅寬也極大地提高，光譜分辨率也呈線性增長。利用高光譜儀所獲取的海量數據，可以提供更為精細的地表信息，實現采用宏觀手段對地表微觀特征進行識別與研究，使人們可以在不同領域分別得到相關的、豐富的地物內在信息，從而從物質的內在本質進行宏觀把控、可持續管理等；這樣也促使地學研究將空間尺度的信息與地學機理有機結合，實現遙感地學應用的綜合與模型化。

2. 網格化、系統化、工程化

一些國家，尤其是一些發達國家從 20世紀70年代末至80年代初提出成像光譜遙感概念模型，并著手研制高光譜儀，目前已經形成涵蓋不同空間及不同光譜波段區域的立體網絡化高光譜遙感技術體系。例如，美國以其雄厚的資金與技術，一直引領著世界成像光譜技術的發展，在各個領域均有所突破;擁有機載成像光譜儀AVIRIS、Probe-1、MASTER、SEBASS等，相繼形成覆蓋不同光譜范圍、不同高度的成像光譜遙感技術網絡體系，促使高光譜遙感技術不斷朝工程化、系統化與產業化方向深入發展，并充分為美國的社會安全、資源探測與評價、環境監測與治理等提供不同層次的成像光譜數據。其他一些國家也相繼研制了各自的系統，如澳大利亞e成功運營的商業性機載HyMap和加拿大商業性機載CASI/SASI,以及意大利商業性機載MIVIS等。

3. 業務化和商業化

許多國家都做了大量航空飛行試驗、方法研究和應用示范工作，在數據獲取、輻射定標、光譜重建、數據處理、地物識別等方面取得了很大的進步，發展了多種輻射校正、光譜重建、波形分析、光譜識別、定量反演等方法；在地質制圖、固體礦產和油氣調查、大氣探測、植物長勢監測和農業估產、環境監測、海水有機物探測等方面都取得了明顯成效。近年來，各種新理論和新思維不斷被引入高光譜數據處理中：MIA分析方法強調了多維數據的可視分析思想；證據推理及專家系統方法進一步強化了經驗和知識在數據處理中的參與與應用；小波、分維、神經網絡、并行處理等技術的應用研究也已廣泛開展。所有這些都有力推動了數據處理和識別分類技術的不斷發展。

在高分辨率遙感數據處理與分析軟件開發方面，些商業軟件具有專業的光譜分析工具包，具有主成分變換、非監督神經網絡分類、光譜角分類技術、亞像元分解算法，以及亞像元目標檢測算法、光譜匹配濾波等功能。ERDAS在已有成像光譜圖像處理功能的基礎上，又增加了異常和目標探測、礦物填圖和礦物識別等處理技術。分析成像與地球物理學( analytical imaging and geophysics, AIG. 已經開發完成了高光譜產品生產系統( hyperspectral product generation system, HGPS. ，即以大規模成像光譜數據處理為目的的“流水線處理”。科羅拉多大學開發的光譜圖像處理系統( spectral image processing system, SIPS. 軟件，包括了如光譜角制圖等方法進行圖像光譜和參考光譜(可來源于光譜庫、野外目標測量或圖像光譜. 的相似性填圖。利用最小噪聲分量(MNF. 變換的礦物和植被制圖，以及利用像元純度指數(PPI. 的空間數據縮減、端元選取和識別及混合諧調匹配濾波(MTMF. 填圖，現已被應用于HyMap等高光譜遙感數據的處理。

4. 實用化

在礦產與能源調查領域，高光譜技術日益受到國外各大礦業公司的重視。其作用主要體現在以下兩個方面:第一，隨著礦產調查難度的增大，高光譜技術正逐步進入勘查前期的主流程，用于縮小找礦靶區，提高勘查效率和減低勘查風險。例如，利用HyMap數據在澳大利亞西部和南非南部皮爾巴拉( Pilbara. 地區HyMap數據對與金礦化關系密切的葉蠟石進行了識別填圖，并由此發現了新的礦化遠景區，實地驗證證明該地區確實存在Au元素異常。第二，普遍關注由采礦活動引起的環境污染問題，充分利用高光譜技術直接對礦山開發環境進行評估和監測。例如，利用AVIRIS數據對亞馬孫河流域原生酸化物與次生酸化物進行識別與制圖。

5. 面向不同層次用戶服務

隨著高光譜預處理技術與信息提取技術的進一步發展，將來的高光譜技術可以將算法與應用模型等嵌入傳感器中，直接向不同應用層次的用戶提供所需要的產品，及時快速滿足用戶的應用需求，為用戶省去許多不必要的中間環節。例如，MODIS的運行方式可以向不同的用戶提供諸如云產品、氣溶膠、溫度產品及海洋水色產品等，直接利用ASTER數據可以獲取溫度和高程數據產品等。這也是高光譜遙感未來的應用模式，直接為用戶提供豐富多彩的信息產品，滿足不同層次用戶的需求。