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簡析機載高光譜技術(shù)的五大特點

2023-12-29

高光譜技術(shù)是對地觀測的高尖端技術(shù)之一，在地學領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。機載高光譜技術(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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?qū)r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(shù)據(jù). ，以致重復(fù)飛行造成飛行成本較高。因此隨著高光譜應(yīng)用技術(shù)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(fā)展。

20世紀90年代至21世紀初，高光譜技術(shù)已經(jīng)由試驗研究逐步走向商業(yè)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(yè)運營空間分辨率趨向幾米甚至更小，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，可以提供更為精細的地表信息，實現(xiàn)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(lǐng)域分別得到相關(guān)的、豐富的地物內(nèi)在信息，從而從物質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)進行宏觀把控、可持續(xù)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(jié)合，實現(xiàn)遙感地學應(yīng)用的綜合與模型化。

2. 網(wǎng)格化、系統(tǒng)化、工程化

一些國家， 尤其是一些發(fā)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(jīng)形成涵蓋不同空間及不同光譜波段區(qū)域的立體網(wǎng)絡(luò)化高光譜遙感技術(shù)體系。例如，美國以其雄厚的資金與技術(shù)，一直引領(lǐng)著 世界成像光譜技術(shù)的發(fā)展，在各個領(lǐng)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(shù)網(wǎng)絡(luò)體系，促使高光譜遙感技術(shù)不斷朝工程化、系統(tǒng)化與產(chǎn)業(yè)化方向深入發(fā)展，并充分為美國的社會安全、資源探測與評價、環(huán)境監(jiān)測與治理等提供不同層次的成像光譜數(shù)據(jù)。其他一些國家也相繼研制了各自的系統(tǒng)，如澳大利亞e成功運營的商業(yè)性機載HyMap和加拿大商業(yè)性機載CASI/SASI,以及意大利商業(yè)性機載MIVIS等。

3. 業(yè)務(wù)化和商業(yè)化

許多國家都做了大量航空飛行試驗、方法研究和應(yīng)用示范工作，在數(shù)據(jù)獲取、輻射定標、光譜重建、數(shù)據(jù)處理、地物識別等方面取得了很大的進步，發(fā)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(zhì)制圖、固體礦產(chǎn)和油氣調(diào)查、大氣探測、植物長勢監(jiān)測和農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)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(shù)據(jù)處理中：MIA分析方法強調(diào)了多維數(shù)據(jù)的可視分析思想；證據(jù)推理及專家系統(tǒng)方法進一步強化了經(jīng)驗和知識在數(shù)據(jù)處理中的參與與應(yīng)用；小波、分維、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、并行處理等技術(shù)的應(yīng)用研究也已廣泛開展。所有這些都有力推動了數(shù)據(jù)處理和識別分類技術(shù)的不斷發(fā)展。

在高分辨率遙感數(shù)據(jù)處理與分析軟件開發(fā)方面，些商業(yè)軟件具有 專業(yè)的光譜分析工具包，具有主成分變換、非監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類、光譜角分類技術(shù)、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(chǔ)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(shù)。分析成像與地球物理學( analytical imaging and geophysics, AIG.  已經(jīng)開發(fā)完成了高光譜產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)( hyperspectral product generation system, HGPS. ，即以大規(guī)模成像光譜數(shù)據(jù)處理為目的的“流水線處理”。科羅拉多大學開發(fā)的光譜圖像處理系統(tǒng)( 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(shù)(PPI. 的空間數(shù)據(jù)縮減、端元選取和識別及混合諧調(diào)匹配濾波(MTMF. 填圖，現(xiàn)已被應(yīng)用于HyMap等高光譜遙感數(shù)據(jù)的處理。

4. 實用化

在礦產(chǎn)與能源調(diào)查領(lǐng)域，高光譜技術(shù)日益受到國外各大礦業(yè)公司的重視。其作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面:第一，隨著礦產(chǎn)調(diào)查難度的增大，高光譜技術(shù)正逐步進入勘查前期的主流程，用于縮小找礦靶區(qū)，提高勘查效率和減低勘查風險。例如，利用HyMap數(shù)據(jù)在澳大利亞西部和南非南部皮爾巴拉( Pilbara. 地區(qū)HyMap數(shù)據(jù)對與金礦化關(guān)系密切的葉蠟石進行了識別填圖，并由此發(fā)現(xiàn)了新的礦化遠景區(qū)，實地驗證證明該地區(qū)確實存在Au元素異常。第二，普遍關(guān)注由采礦活動引起的環(huán)境污染問題，充分利用高光譜技術(shù)直接對礦山開發(fā)環(huán)境進行評估和監(jiān)測。例如，利用AVIRIS數(shù)據(jù)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(wù)

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