第23卷第6期2003年11月
海 洋 测 绘
Vol.23,No.6Nov.,2003
高光谱遥感技术的发展与应用
杨哲海,韩建峰,宫大鹏,李之歆
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(1.解放军信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052;2.65015部队,辽宁大连 116023)
TheDevelopmentandApplicationof
Hyperspectral-Remote-SensingTechnology
YANGZhe-hai,HANJian-feng,GONGDa-peng,LIZhi-xin
摘要:高光谱遥感图像由于其高光谱分辨率的特点正在受到国内外的广泛关注。主要介绍了国内外有关成像光谱技术的发展过程,包括成像光谱仪的发展历程,高光谱数据处理技术的发展现状,对高光谱遥感技术在海洋遥感、地质勘探、军事等领域的应用,做了较为详细的介绍。最后对高光谱遥感的发展趋势作了展望。
关键词:遥感;高光谱;成像光谱仪
中图分类号:P237 文献标识码:B 文章编号:1671-3044(2003)06-0055-05
1 引 言
在20世纪,人类的一大进步是实现了太空对地观测,即可以从空中和太空对人类赖以生存的地球通过非接触传感器的遥感进行观测。最近几十年,
随着空间技术、计算机技术、传感器技术等与遥感密切相关学科技术的飞速发展,遥感正在进入一个以高光谱遥感技术、微波遥感技术为主要标志的时代。本文简要介绍了高光谱遥感技术的相关发展状况及其在相关领域,诸如海洋遥感、地质勘探、植被分析、军事应用等领域发挥的作用。2 高光谱遥感简介
高光谱遥感技术是近些年来迅速发展起来的一种全新遥感技术,它是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术。在成像过程中,它利用成像光谱仪以纳米级的光谱分辨率,以几十或几百个波段同时对地表地物成像,能够获得地物的连续光谱信息,实现了地物空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取,因而在相关领域具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。同其他常用的遥感手段相比,成像光谱仪获得的数据具有以下特点:
(1)波段多。成像光谱仪虽然基本上属于多光谱扫描仪的范畴,但是它的波段数目大大增加,一般
在可见光和近红外光谱区间内有几十甚至数百个波
段,图像上每一个像元的灰度值按照波长排列都可以得到一条影像波谱曲线,如果加上时间维,每一个像元即可定义为一个影像波谱曲面。
(2)光谱分辨率高。成像光谱仪采样的间隔小,一般为10nm左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征,使得在光谱域内进行遥感定量分析和研究地物的化学分析成为可能。
(3)相邻波段的相关性高,数据冗余大。
(4)空间分辨率较高。相对于MSS(80m)、TM(30m)和SPOT/HRV的多波段图像(20m),目前实用成像光谱仪有着较高的空间分辨率,加之其高光谱分辨率的特性,使得该种类型的传感器具有广阔的应用前景。
3 高光谱遥感的发展
3.1 高光谱成像技术的发展及传感器
如果把多光谱扫描成像的MSS(multi-spectralscanner)和TM(thematicmapper)作为遥感技术发展的第一代和第二代的话,那么高光谱成像(hyperspectralimagery)技术则是第三代的成像技术。
美国的成像技术发展较早,从20世纪80年代至今已经研制了三代高光谱成像光谱仪。第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪AIS,是由美国国家航空和航天管理局(NASA)所属的喷气推进实验室JPL
收稿日期:2003-09-05
作者简介:杨哲海(1975-),男,辽宁沈阳人,博士研究生,主要从事战场信息资源、军事地形分析研究。
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设计,已于1984～1986年装在NASA的C-130飞机上使用。这是一台装有二维、近红外阵列探测器的实验仪器,有128个通道,光谱覆盖范围从1.2～2.4μm,并在内华达Cuprite地区的应用中取得很好的效果。
第二代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪AVIRIS,有224个通道,光谱范围为0.41～2.45μm。每个通道的波段宽约为10nm,曾放在改装后的高空U2飞机上使用,为目前最常用的航空光谱仪之一。
基于NASA仪器的成功应用及采矿工业和石油工业的需求,在AVIRIS之后,地球物理环境研究公司GER又研制了1台64通道的高光谱分辨率扫描仪GERIS。其中63个通道为高光谱分辨率扫描仪,第64通道是用来存储航空陀螺信息。该仪器由3个单独的线性阵列探测器的光栅分光计组成。它与其他仪器的区别是在不同的光谱范围区内,通道的光谱宽度是不同的。
第三代高光谱成像光谱仪为克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪FTHSI,适合在Cessna-206轻型飞机上使用。它的重量为35kg,采用256通道,光谱范围为400～1050nm,有2～10nm的光谱分辨率,视场角为150°。
在国内,成像光谱仪的研制工作由于跟踪国际前沿技术,成像光谱仪的研制已跻身于国际先进行列。先后研制成功了多光谱扫描仪、红外细分光谱扫描仪FIMS、热红外多光谱扫描仪TIMS、19波段多光谱扫描仪AMSS、71波段多光谱机载成像光谱仪MAIS、128波段OMIS系统、244波段的推扫式成像仪PHI等。3.2 高光谱数据处理技术的发展
尽管成像光谱仪具有其独特的优越性,但其数据量巨大,为应用和分析带来不便。在国内外成像光谱仪的遥感应用研究中,研究人员为高效利用成像光谱仪数据,充分发挥其高光谱分辨率和空间分辨率方面做出了许多尝试,所采用的方法可归纳为两大类。3.2.1 基于纯像元的分析方法
(1)基于成因分析的光谱分析方法
基于成因分析的方法研究地物的光谱特性,从地物光谱特征上发现表征地物的特征光谱区间和参数,最常用的是各种各样的植被指数。这种方法普遍用于MSS和TM图像的处理和分析应用中。成像光谱仪问世以后,许多研究人员沿用了这种方法,利用成像光谱仪数据的高光谱分辨率,选取影像的波段,发展了许多更为精细的植被指数。与此相对的方法,是别。这一方法通过对比分析地面实测的地物光谱曲线和由成像光谱仪图像得到的光谱曲线来区分地物。为了提高成像光谱仪数据分析处理的效率和速度,一般要对这些曲线进行编码或者提取表征曲线的参数。“光谱匹配”是利用成像光谱仪探测数据进行地物分析的主要方法之一,但由于野外实际情况的复杂性,很难建立一个比较通用的地物光谱库,这就限制了利用该法进行分析,目前仅仅在比较小的范围内(如岩石成分分析等)取得成功的运用。
(2)基于统计分析的图像分类和分析
基于统计分析的图像分类和分析认为每一波段的图像为随机变量,基于概率统计理论进行多维随机向量的分类。成像光谱仪图像波段多,分类很大程度上受限于数据的维数,面对数百个波段的数据,如果全部用于分类研究,在时间上往往是无法接受的。因此在图像分类之前必须压缩波段,同时又要尽可能地保留信息,即进行“降维”的研究。目前,压缩波段有两种途径,一是从众多的波段中挑选感兴趣的若干波段;二是利用所有波段,通过数学变换来压缩波段,最常用的如主成分分析法等。基于统计分析的图像分类和分析在理论上比较严谨,所以需要有充分的数据地学特征,否则得到的结果有时是不明确的物理解释。
3.2.2 基于混合像元的分析方法
由于传感器空间分辨率的限制以及地物的复杂多样性,混合像元普遍存在于遥感图像中,对地面地物分布比较复杂的区域尤其如此。如果将该像元归为一类,势必会带来分类误差,导致精度下降,不能反映真实的地物覆盖情况。
概括起来,混合模型主要有两类,即线性光谱混合模型和非线性光谱混合模型。线性混合模型是迄今为止最受欢迎且使用最多的一种模型,其突出优点是简单。虽然它只能分离与波段数目相同的类别,但对于有着数百个波段的高光谱数据,完全可以克服这种限制。对于非线性混合模型可以利用某些方法来使之线性化,从而简化为线性模型。
近年来,混合像元的研究中比较有代表性的当属美国Maryland大学的Chang等人和英国Surey大学的Bosdogianni等人所做的研究。前者于1994年提出OSP(OrthogonalSubspaceProjection)法之后,又相继开发和介绍了一系列基于OSP的方法,并将Kalman滤波器用于线性混合模型中。这种线性分离Kalman滤波器不仅可以检测到像元内各种特征丰度的突然变化,而且能够检测对分类有用的目标
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杨哲海,等 高光谱遥感技术的发展与应用
遥感器评价提供可靠的依据。
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林及生态环境进行长期监测,建立了高阶矩的混和模型,同时他们也提出了利用Houghes变换进行混
合像元分类的方法。
总之,与高光谱遥感的硬件发展相比,高光谱数据的处理技术显得相对滞后。但由于高光谱数据的巨大优势,世界各国都将继续加强相关研究。在美国,NASA已把机载AVIRIS作为星载的雏形进行研究,并对高光谱图像所特有的一些难题,如高数据维的减小、算法复杂性等,进行重点攻关,并已研究出智能化比较高的实用高光谱图像处理系统,如成像光谱集成软件包ISIS、为卫星和航空高光谱遥感数据处理分析而设计的ENVI影像处理系统、著名的ERDAS影像处理系统等。在20世纪80年代中后期,我国开始着手发展高光谱图像处理系统,并积极开展国际合作,承担了一系列成像光谱技术研究,推动了高光谱遥感在国内的发展。但总体来看,国内高光谱图像的应用研究还处于起步阶段,大部分集中于成像光谱仪的定标及一些辐射校正研究,目前还没有比较成形的高光谱图像处理系统。4 高光谱遥感的应用
高光谱图像由于具有很高的光谱分辨率,因而能够提供更为丰富的地面信息,正在受到国内外的广泛关注,并在诸多领域发挥越来越重要的作用。4.1 在海洋遥感中的应用
海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之一,其主要目的是了解海洋、研究海洋、开发利用和保护海洋资源,因而具有十分重要的战略意义。随着科学技术的发展,高光谱遥感已成为当前海洋遥感前沿领域。由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点,因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它不仅可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测,也可用于海冰、海岸带等的探测。
由于海洋光谱特性是海洋遥感的一项重要研究内容,各国在发射海洋遥感卫星前后都开展了海洋波谱特性研究,其中包括大量的海洋光谱特性测量研究。在早期的海洋遥感应用中,所使用的传感器波段少,已满足不了现代定量遥感应用研究的需要。随着中分辨率成像光谱仪的应用,不仅促进了高维数据分析方法的研究,也将促进海洋高光谱特性研究的发展,可以更准确地了解海洋光谱结构,识别海水中不同物质成份的光谱特征,掌握近岸水域光学4.2 在植被研究中的应用
在植被中的应用是高光谱的另一个重要的应用。通过遥感确定植物叶子植冠的化学成分来监测大气和环境变化引起的植物功能的变化。植被中非光合作用组分以前用宽带光谱无法测量,现在用高光谱对植被组分中非光合作用组分进行测量和分离则较易实现。Bo-Cai利用木质素和纤维素在1.72μm的特征吸收作为其判别依据,并根据吸收强度作为这类化合物植冠丰度的一个指数;Johnson等人在分析了美国俄勒冈州中西地区的几块林冠上获取的AVIRIS高光谱数据和相应林冠冠层生化特性变化的关系后,指出冠层含氮量和木质素的变化与选择的AVIRIS波段数据变化存在着一般性对应关系;Maston等使用AVIRIS和小型机载成像光谱仪(CASI)数据证实冠层化学成分携有多种气候区生态系统变化过程的信息,并建议从高光谱数据中估计此类信息。此外,还有许多成功应用的实例。4.3 在地质调查中的应用
区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的应用领域之一。地质是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。Kruse在美国加州和内华达的Grapevine北部山区利用绢云母在2.21μm、2.25μm和2.35μm的特征吸收,对石英—绢云母—黄铁矿蚀变带进行地质填图,利用蒙脱石在2.21μm的特征吸收确定包含蒙脱石的泥质蚀变带。在西班牙南部Rouda橄榄岩地区,Chabrillat等利用辉石很容易通过在1μm和2μm附近的两个特征Fe2+电子跃迁吸收,橄榄石由Fe2+在1～1.05μm吸收带和0.85～0.90μm左右的Fe3+吸收带的特征确定,利用航空高光谱数据进行地质填图和岩石鉴别。在国内,刘德长等人以广西苗儿山地区机载成像细分红外高光谱数据为依据,编制了一系列数据预处理软件,获得了高质量图像。在ENVI软件基础上建立了研究区野外实测光谱曲线库及分类子库,并对各子库进行了系统研究,提取了该区铀矿化的特征光谱信息,并探讨了高光谱数据的地质应用潜力,尤其在硅化带识别方面的应用取得了成功,发现了一系列的新的含铀硅化断裂带。王青华等人仔细分析了国产MAIS光谱仪对河北省张家口地区的高光谱遥感数据,指出可以借助高光谱丰富的光谱信息,依据实测的岩石矿物波谱特征,对不同岩石类型进行直接识别,达到直接提取岩性的目的。
4.4 在大气和环境遥感中的应用
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海 洋 测 绘第23卷
强烈反应,这些成分包括水汽、二氧化碳、氧气、臭氧、云和气溶胶等。其中水汽是主要的吸收成分,有大量的方法用于分析水汽。这些方法通常都是估算940nm水汽吸收强度与大气中总水柱丰度的关系。在国内,刘金涛等人提出了一套高光谱分辨率激光雷达系统,用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质,该系统可以分离大气气溶胶和分子散射,可以直接反射出大气的后向散射比和气溶胶的后相散射系数,同时采用双边缘监测技术,可以获得高精度的大气风速信息。
对于冬季覆盖北半球面积30%以上的冰雪,通过成像光谱的模拟试验,特别是在1.0～1.3μm光谱范围的波段,可以获得对冰雪粒径大小的识别,Anne等人利用航空成像光谱仪AVIRIS中心在1.03μm的波段与冰雪颗粒关系进行冰雪颗粒填图,并提出波段面积标尺法,解决了信号建立在单波段上易受到传感器噪声影响的缺点。4.5 在军事上的应用
高光谱影像由于其具有的丰富地面信息,从一开始就被应用于军事领域,并在实际应用中表明这种光谱成像技术在军事上具有很高的应用价值,因而军用卫星上采用这种遥感器的趋势正在快速增长。在军事侦察、识别伪装方面,它能够根据目标与伪装材料不同的光谱特性,利用成像光谱仪可以从伪装的物体中自动发现目标;在调查武器生产方面,超光谱成像仪不但可探测目标的光谱特性、存在状况,甚至可分析其物质成分,从而可采集工厂产生的烟雾,直接识别其物质成分,判定工厂生产的武器,特别是攻击性武器。在海军作战方面,目前美国海军设计的超光谱成像仪,可在0.4μm～2.5μm光谱范围内提供210个成像光谱数据,可获得近海环境目标的动态特性,例如海水的透明度、海洋深度、海
洋大气能见度、海流、潮汐、海底类型、生物发光、海滩特征、水下危险物、油泄漏、大气中水汽总量和次见度卷云等成像数据,这对海军近海作战有十分重大的意义。
4.6 在其他方面的应用
高光谱影像由于其具有丰富的地面信息,其应用领域正在迅速拓展。在实际应用中,远远不只局限于高光谱影像的若干主要应用领域。在其他方面诸如自然灾害监测、农业应用、林业遥感、宇宙和天文学等领域也有广阔的应用前景。随着科学技术的不断进步,高光谱的应用领域将会进一步拓宽,在各个领域的影响也会进一步增大。5 高光谱遥感展望
目前,成像光谱仪和成像雷达成为遥感技术与应用领域内的两大热点。但迄今为止,国内外常用的成像光谱仪还是以航空机载的为主,要进入实用阶段,需要由航空遥感转向卫星遥感。所以,未来携带更高光谱和空间分辨率成像光谱仪的卫星会陆续发射。
硬件上的进步仅仅是成像光谱仪遥感的前提条件,按照目前的数据处理手段,成像光谱仪遥感数据的使用仍然受到很大的限制,主要原因:一是数据的压缩和信息提取方法不成熟;二是缺乏比较通用的成像光谱仪图像处理系统,进行成像光谱数据的存储、显示和分析。可以预见,这两方面问题是目前乃至未来成像光谱仪遥感的主要研究方向。
此外,成像光谱仪和高光谱数据处理技术将会在得到有效改善的基础上,挖掘其地学应用的潜力。根据具体的应用领域和要解决的实际问题的特殊性,建立有效的应用模型也将成为成像光谱仪遥感研究的主要内容之一。
参考文献:
[1] 浦瑞良,宫 鹏.高光谱遥感及其应用[M].北京:高等教育出版社,2000.
[2] 张均萍,张 晔,周廷显.成像光谱技术超谱图像分类研究现状与分析[J].中国空间科学技术,2001,(1):37～44.[3] 舒 宁.国内外有关成像光谱数据影像分析方法研究[J].国土资源遥感,1998,(1):16～20.[4] 李天宏,杨海宏,赵永平.成像光谱仪遥感现状与展望[J].遥感技术与应用,1997,(2):54～58.[5] 翟国君.海洋测绘的现状与发展[J].测绘通报,2001,(6):7～9.[6] 唐军武.海洋波谱数据分析处理系统[J].海洋技术,1996,(4):10～17.
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YANGZhe-hai,HANJian-feng,GONGDa-peng,LIZhi-xin
摘要:高光谱遥感图像由于其高光谱分辨率的特点正在受到国内外的广泛关注。主要介绍了国内外有关成像光谱技术的发展过程,包括成像光谱仪的发展历程,高光谱数据处理技术的发展现状,对高光谱遥感技术在海洋遥感、地质勘探、军事等领域的应用,做了较为详细的介绍。最后对高光谱遥感的发展趋势作了展望。
关键词:遥感;高光谱;成像光谱仪
中图分类号:P237 文献标识码:B 文章编号:1671-3044(2003)06-0055-05
1 引 言
在20世纪,人类的一大进步是实现了太空对地观测,即可以从空中和太空对人类赖以生存的地球通过非接触传感器的遥感进行观测。最近几十年,
随着空间技术、计算机技术、传感器技术等与遥感密切相关学科技术的飞速发展,遥感正在进入一个以高光谱遥感技术、微波遥感技术为主要标志的时代。本文简要介绍了高光谱遥感技术的相关发展状况及其在相关领域,诸如海洋遥感、地质勘探、植被分析、军事应用等领域发挥的作用。2 高光谱遥感简介
高光谱遥感技术是近些年来迅速发展起来的一种全新遥感技术,它是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术。在成像过程中,它利用成像光谱仪以纳米级的光谱分辨率,以几十或几百个波段同时对地表地物成像,能够获得地物的连续光谱信息,实现了地物空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取,因而在相关领域具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。同其他常用的遥感手段相比,成像光谱仪获得的数据具有以下特点:
(1)波段多。成像光谱仪虽然基本上属于多光谱扫描仪的范畴,但是它的波段数目大大增加,一般
在可见光和近红外光谱区间内有几十甚至数百个波
段,图像上每一个像元的灰度值按照波长排列都可以得到一条影像波谱曲线,如果加上时间维,每一个像元即可定义为一个影像波谱曲面。
(2)光谱分辨率高。成像光谱仪采样的间隔小,一般为10nm左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征,使得在光谱域内进行遥感定量分析和研究地物的化学分析成为可能。
(3)相邻波段的相关性高,数据冗余大。
(4)空间分辨率较高。相对于MSS(80m)、TM(30m)和SPOT/HRV的多波段图像(20m),目前实用成像光谱仪有着较高的空间分辨率,加之其高光谱分辨率的特性,使得该种类型的传感器具有广阔的应用前景。
3 高光谱遥感的发展
3.1 高光谱成像技术的发展及传感器
如果把多光谱扫描成像的MSS(multi-spectralscanner)和TM(thematicmapper)作为遥感技术发展的第一代和第二代的话,那么高光谱成像(hyperspectralimagery)技术则是第三代的成像技术。
美国的成像技术发展较早,从20世纪80年代至今已经研制了三代高光谱成像光谱仪。第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪AIS,是由美国国家航空和航天管理局(NASA)所属的喷气推进实验室JPL
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作者简介:杨哲海(1975-),男,辽宁沈阳人,博士研究生,主要从事战场信息资源、军事地形分析研究。
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设计,已于1984～1986年装在NASA的C-130飞机上使用。这是一台装有二维、近红外阵列探测器的实验仪器,有128个通道,光谱覆盖范围从1.2～2.4μm,并在内华达Cuprite地区的应用中取得很好的效果。
第二代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪AVIRIS,有224个通道,光谱范围为0.41～2.45μm。每个通道的波段宽约为10nm,曾放在改装后的高空U2飞机上使用,为目前最常用的航空光谱仪之一。
基于NASA仪器的成功应用及采矿工业和石油工业的需求,在AVIRIS之后,地球物理环境研究公司GER又研制了1台64通道的高光谱分辨率扫描仪GERIS。其中63个通道为高光谱分辨率扫描仪,第64通道是用来存储航空陀螺信息。该仪器由3个单独的线性阵列探测器的光栅分光计组成。它与其他仪器的区别是在不同的光谱范围区内,通道的光谱宽度是不同的。
第三代高光谱成像光谱仪为克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪FTHSI,适合在Cessna-206轻型飞机上使用。它的重量为35kg,采用256通道,光谱范围为400～1050nm,有2～10nm的光谱分辨率,视场角为150°。
在国内,成像光谱仪的研制工作由于跟踪国际前沿技术,成像光谱仪的研制已跻身于国际先进行列。先后研制成功了多光谱扫描仪、红外细分光谱扫描仪FIMS、热红外多光谱扫描仪TIMS、19波段多光谱扫描仪AMSS、71波段多光谱机载成像光谱仪MAIS、128波段OMIS系统、244波段的推扫式成像仪PHI等。3.2 高光谱数据处理技术的发展
尽管成像光谱仪具有其独特的优越性,但其数据量巨大,为应用和分析带来不便。在国内外成像光谱仪的遥感应用研究中,研究人员为高效利用成像光谱仪数据,充分发挥其高光谱分辨率和空间分辨率方面做出了许多尝试,所采用的方法可归纳为两大类。3.2.1 基于纯像元的分析方法
(1)基于成因分析的光谱分析方法
基于成因分析的方法研究地物的光谱特性,从地物光谱特征上发现表征地物的特征光谱区间和参数,最常用的是各种各样的植被指数。这种方法普遍用于MSS和TM图像的处理和分析应用中。成像光谱仪问世以后,许多研究人员沿用了这种方法,利用成像光谱仪数据的高光谱分辨率,选取影像的波段,发展了许多更为精细的植被指数。与此相对的方法,是别。这一方法通过对比分析地面实测的地物光谱曲线和由成像光谱仪图像得到的光谱曲线来区分地物。为了提高成像光谱仪数据分析处理的效率和速度,一般要对这些曲线进行编码或者提取表征曲线的参数。“光谱匹配”是利用成像光谱仪探测数据进行地物分析的主要方法之一,但由于野外实际情况的复杂性,很难建立一个比较通用的地物光谱库,这就限制了利用该法进行分析,目前仅仅在比较小的范围内(如岩石成分分析等)取得成功的运用。
(2)基于统计分析的图像分类和分析
基于统计分析的图像分类和分析认为每一波段的图像为随机变量,基于概率统计理论进行多维随机向量的分类。成像光谱仪图像波段多,分类很大程度上受限于数据的维数,面对数百个波段的数据,如果全部用于分类研究,在时间上往往是无法接受的。因此在图像分类之前必须压缩波段,同时又要尽可能地保留信息,即进行“降维”的研究。目前,压缩波段有两种途径,一是从众多的波段中挑选感兴趣的若干波段;二是利用所有波段,通过数学变换来压缩波段,最常用的如主成分分析法等。基于统计分析的图像分类和分析在理论上比较严谨,所以需要有充分的数据地学特征,否则得到的结果有时是不明确的物理解释。
3.2.2 基于混合像元的分析方法
由于传感器空间分辨率的限制以及地物的复杂多样性,混合像元普遍存在于遥感图像中,对地面地物分布比较复杂的区域尤其如此。如果将该像元归为一类,势必会带来分类误差,导致精度下降,不能反映真实的地物覆盖情况。
概括起来,混合模型主要有两类,即线性光谱混合模型和非线性光谱混合模型。线性混合模型是迄今为止最受欢迎且使用最多的一种模型,其突出优点是简单。虽然它只能分离与波段数目相同的类别,但对于有着数百个波段的高光谱数据,完全可以克服这种限制。对于非线性混合模型可以利用某些方法来使之线性化,从而简化为线性模型。
近年来,混合像元的研究中比较有代表性的当属美国Maryland大学的Chang等人和英国Surey大学的Bosdogianni等人所做的研究。前者于1994年提出OSP(OrthogonalSubspaceProjection)法之后,又相继开发和介绍了一系列基于OSP的方法,并将Kalman滤波器用于线性混合模型中。这种线性分离Kalman滤波器不仅可以检测到像元内各种特征丰度的突然变化,而且能够检测对分类有用的目标
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杨哲海,等 高光谱遥感技术的发展与应用
遥感器评价提供可靠的依据。
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林及生态环境进行长期监测,建立了高阶矩的混和模型,同时他们也提出了利用Houghes变换进行混
合像元分类的方法。
总之,与高光谱遥感的硬件发展相比,高光谱数据的处理技术显得相对滞后。但由于高光谱数据的巨大优势,世界各国都将继续加强相关研究。在美国,NASA已把机载AVIRIS作为星载的雏形进行研究,并对高光谱图像所特有的一些难题,如高数据维的减小、算法复杂性等,进行重点攻关,并已研究出智能化比较高的实用高光谱图像处理系统,如成像光谱集成软件包ISIS、为卫星和航空高光谱遥感数据处理分析而设计的ENVI影像处理系统、著名的ERDAS影像处理系统等。在20世纪80年代中后期,我国开始着手发展高光谱图像处理系统,并积极开展国际合作,承担了一系列成像光谱技术研究,推动了高光谱遥感在国内的发展。但总体来看,国内高光谱图像的应用研究还处于起步阶段,大部分集中于成像光谱仪的定标及一些辐射校正研究,目前还没有比较成形的高光谱图像处理系统。4 高光谱遥感的应用
高光谱图像由于具有很高的光谱分辨率,因而能够提供更为丰富的地面信息,正在受到国内外的广泛关注,并在诸多领域发挥越来越重要的作用。4.1 在海洋遥感中的应用
海洋遥感是20世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之一,其主要目的是了解海洋、研究海洋、开发利用和保护海洋资源,因而具有十分重要的战略意义。随着科学技术的发展,高光谱遥感已成为当前海洋遥感前沿领域。由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点,因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它不仅可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测,也可用于海冰、海岸带等的探测。
由于海洋光谱特性是海洋遥感的一项重要研究内容,各国在发射海洋遥感卫星前后都开展了海洋波谱特性研究,其中包括大量的海洋光谱特性测量研究。在早期的海洋遥感应用中,所使用的传感器波段少,已满足不了现代定量遥感应用研究的需要。随着中分辨率成像光谱仪的应用,不仅促进了高维数据分析方法的研究,也将促进海洋高光谱特性研究的发展,可以更准确地了解海洋光谱结构,识别海水中不同物质成份的光谱特征,掌握近岸水域光学4.2 在植被研究中的应用
在植被中的应用是高光谱的另一个重要的应用。通过遥感确定植物叶子植冠的化学成分来监测大气和环境变化引起的植物功能的变化。植被中非光合作用组分以前用宽带光谱无法测量,现在用高光谱对植被组分中非光合作用组分进行测量和分离则较易实现。Bo-Cai利用木质素和纤维素在1.72μm的特征吸收作为其判别依据,并根据吸收强度作为这类化合物植冠丰度的一个指数;Johnson等人在分析了美国俄勒冈州中西地区的几块林冠上获取的AVIRIS高光谱数据和相应林冠冠层生化特性变化的关系后,指出冠层含氮量和木质素的变化与选择的AVIRIS波段数据变化存在着一般性对应关系;Maston等使用AVIRIS和小型机载成像光谱仪(CASI)数据证实冠层化学成分携有多种气候区生态系统变化过程的信息,并建议从高光谱数据中估计此类信息。此外,还有许多成功应用的实例。4.3 在地质调查中的应用
区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的应用领域之一。地质是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。Kruse在美国加州和内华达的Grapevine北部山区利用绢云母在2.21μm、2.25μm和2.35μm的特征吸收,对石英—绢云母—黄铁矿蚀变带进行地质填图,利用蒙脱石在2.21μm的特征吸收确定包含蒙脱石的泥质蚀变带。在西班牙南部Rouda橄榄岩地区,Chabrillat等利用辉石很容易通过在1μm和2μm附近的两个特征Fe2+电子跃迁吸收,橄榄石由Fe2+在1～1.05μm吸收带和0.85～0.90μm左右的Fe3+吸收带的特征确定,利用航空高光谱数据进行地质填图和岩石鉴别。在国内,刘德长等人以广西苗儿山地区机载成像细分红外高光谱数据为依据,编制了一系列数据预处理软件,获得了高质量图像。在ENVI软件基础上建立了研究区野外实测光谱曲线库及分类子库,并对各子库进行了系统研究,提取了该区铀矿化的特征光谱信息,并探讨了高光谱数据的地质应用潜力,尤其在硅化带识别方面的应用取得了成功,发现了一系列的新的含铀硅化断裂带。王青华等人仔细分析了国产MAIS光谱仪对河北省张家口地区的高光谱遥感数据,指出可以借助高光谱丰富的光谱信息,依据实测的岩石矿物波谱特征,对不同岩石类型进行直接识别,达到直接提取岩性的目的。
4.4 在大气和环境遥感中的应用
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海 洋 测 绘第23卷
强烈反应,这些成分包括水汽、二氧化碳、氧气、臭氧、云和气溶胶等。其中水汽是主要的吸收成分,有大量的方法用于分析水汽。这些方法通常都是估算940nm水汽吸收强度与大气中总水柱丰度的关系。在国内,刘金涛等人提出了一套高光谱分辨率激光雷达系统,用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质,该系统可以分离大气气溶胶和分子散射,可以直接反射出大气的后向散射比和气溶胶的后相散射系数,同时采用双边缘监测技术,可以获得高精度的大气风速信息。
对于冬季覆盖北半球面积30%以上的冰雪,通过成像光谱的模拟试验,特别是在1.0～1.3μm光谱范围的波段,可以获得对冰雪粒径大小的识别,Anne等人利用航空成像光谱仪AVIRIS中心在1.03μm的波段与冰雪颗粒关系进行冰雪颗粒填图,并提出波段面积标尺法,解决了信号建立在单波段上易受到传感器噪声影响的缺点。4.5 在军事上的应用
高光谱影像由于其具有的丰富地面信息,从一开始就被应用于军事领域,并在实际应用中表明这种光谱成像技术在军事上具有很高的应用价值,因而军用卫星上采用这种遥感器的趋势正在快速增长。在军事侦察、识别伪装方面,它能够根据目标与伪装材料不同的光谱特性,利用成像光谱仪可以从伪装的物体中自动发现目标;在调查武器生产方面,超光谱成像仪不但可探测目标的光谱特性、存在状况,甚至可分析其物质成分,从而可采集工厂产生的烟雾,直接识别其物质成分,判定工厂生产的武器,特别是攻击性武器。在海军作战方面,目前美国海军设计的超光谱成像仪,可在0.4μm～2.5μm光谱范围内提供210个成像光谱数据,可获得近海环境目标的动态特性,例如海水的透明度、海洋深度、海
洋大气能见度、海流、潮汐、海底类型、生物发光、海滩特征、水下危险物、油泄漏、大气中水汽总量和次见度卷云等成像数据,这对海军近海作战有十分重大的意义。
4.6 在其他方面的应用
高光谱影像由于其具有丰富的地面信息,其应用领域正在迅速拓展。在实际应用中,远远不只局限于高光谱影像的若干主要应用领域。在其他方面诸如自然灾害监测、农业应用、林业遥感、宇宙和天文学等领域也有广阔的应用前景。随着科学技术的不断进步,高光谱的应用领域将会进一步拓宽,在各个领域的影响也会进一步增大。5 高光谱遥感展望
目前,成像光谱仪和成像雷达成为遥感技术与应用领域内的两大热点。但迄今为止,国内外常用的成像光谱仪还是以航空机载的为主,要进入实用阶段,需要由航空遥感转向卫星遥感。所以,未来携带更高光谱和空间分辨率成像光谱仪的卫星会陆续发射。
硬件上的进步仅仅是成像光谱仪遥感的前提条件,按照目前的数据处理手段,成像光谱仪遥感数据的使用仍然受到很大的限制,主要原因:一是数据的压缩和信息提取方法不成熟;二是缺乏比较通用的成像光谱仪图像处理系统,进行成像光谱数据的存储、显示和分析。可以预见,这两方面问题是目前乃至未来成像光谱仪遥感的主要研究方向。
此外,成像光谱仪和高光谱数据处理技术将会在得到有效改善的基础上,挖掘其地学应用的潜力。根据具体的应用领域和要解决的实际问题的特殊性,建立有效的应用模型也将成为成像光谱仪遥感研究的主要内容之一。
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