一、高光譜遙感技術(shù)工作原理

高光譜遙感技術(shù)是通過(guò)搭載高光譜傳感器的衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等平臺(tái)，對(duì)地物表面進(jìn)行光譜成像。高光譜傳感器能夠捕捉到地物表面反射、吸收、散射等光譜信息，并將其轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)。這些圖像數(shù)據(jù)包含了豐富的光譜信息，可以被用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。

二、高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

環(huán)境監(jiān)測(cè)

高光譜遙感技術(shù)可以用于監(jiān)測(cè)大氣污染、水質(zhì)、土地利用變化等方面。通過(guò)分析地物的光譜特征，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

用高光譜遙感發(fā)現(xiàn)“物質(zhì)指紋”

高光譜遙感就像一只“眼睛”，只是它探測(cè)的光譜范圍比人眼寬得多，也精細(xì)得多。而地面上的每種物體都有自己獨(dú)特的光譜特征，就像“指紋”一樣，專家通過(guò)高光譜遙感衛(wèi)星獲得的光譜信息就能識(shí)別出地物成分。

可以識(shí)別“指紋”的“天眼”

在高光譜觀測(cè)衛(wèi)星上，一共裝載著七臺(tái)遙感儀器，包含兩臺(tái)陸表成像儀與五臺(tái)大氣成分探測(cè)儀，探測(cè)譜段覆蓋了從紫外到長(zhǎng)波紅外譜段，采用高光譜及高精度偏振等多種手段，獲取大氣和地表的空間幾何、輻射、光譜和偏振等多種信息。

之所以說(shuō)高光譜觀測(cè)衛(wèi)星就像“眼睛”，是因?yàn)樾l(wèi)星和人眼一樣，都是通過(guò)獲取光譜來(lái)采集信息的。但是，人眼的觀測(cè)范圍十分有限，僅限于對(duì)可見光頻率范圍內(nèi)的觀測(cè)，而高光譜觀測(cè)衛(wèi)星的“可見”范圍要廣得多。毛星介紹說(shuō)，遙感儀器除了探測(cè)可見光到短波紅外，還可以探測(cè)紫外、中紅外和熱紅外等波段。如果把高光譜設(shè)備比作一臺(tái)相機(jī)，它的功能就是可以在每個(gè)光譜波段拍一張照片，比如有的傳感器在400—2500納米范圍內(nèi)有330個(gè)光譜通道，就意味著，它一次能拍攝同一個(gè)區(qū)域的330張照片。

農(nóng)業(yè)

高光譜遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如作物生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)、病蟲害檢測(cè)、土壤質(zhì)量評(píng)估等。通過(guò)分析作物的光譜特征，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力支持。遙感可以獲得大量的信息，多平臺(tái)和多分辨率， 快速、覆蓋范圍廣等，是遙感數(shù)據(jù)的一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)是遙感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合形成的，是可以及時(shí)掌握農(nóng)業(yè)資源、作物生長(zhǎng)以及農(nóng)業(yè)災(zāi)害信息等的最佳方式，在調(diào)查和評(píng)估，以 及 農(nóng) 業(yè) 生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)和管理中具有獨(dú)特的作用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè) 遙感發(fā)展的新興技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)湖泊和水庫(kù)水 面 的高度以及評(píng)價(jià)區(qū)域水資源和農(nóng)業(yè)干旱，包括作物 品 種質(zhì)量監(jiān)控和鑒定。

由于高光譜遙感不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成損害，因而被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的葉片面積。這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)獲取農(nóng)作物葉面積指數(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，從 而 獲得最準(zhǔn)確、損害最小的遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò) 高 光 譜 的觀測(cè)和分析，可以得到更為精確的農(nóng)作物葉面積指數(shù)，形成不同的遙感反演模型。如，使用地物光譜儀測(cè)量冬小麥在特定波段范圍內(nèi)的反射率和透射率，使 用冠層分析儀對(duì)冬小麥進(jìn)行分析，形成光譜曲線；經(jīng) 過(guò)觀測(cè)，形成遙感反演模型，并將模型估計(jì)值與實(shí)際 觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，明顯提高了遙感反演模 型的整體精度?，F(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的主要 方向和目標(biāo)是精細(xì)農(nóng)業(yè)，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中高光譜遙感 技 術(shù)具有快速高效、準(zhǔn)確、無(wú)損的特點(diǎn)，已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用的手段。精細(xì)農(nóng)業(yè)可以通 過(guò) 科學(xué)、系統(tǒng)的管理方法對(duì)農(nóng)業(yè)資源利 用進(jìn)行合理規(guī) 劃，在不污染環(huán)境的前提下，通過(guò)遙感技術(shù)提高農(nóng)產(chǎn) 品產(chǎn)量和質(zhì)量。考慮到精細(xì)農(nóng)業(yè)對(duì)數(shù) 據(jù)和信息的需 求，傳統(tǒng)的分析方法已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需 要。因此，３Ｓ技術(shù)的綜合被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中。高 光譜遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用。利 用高光譜技術(shù)獲得更完整和更準(zhǔn)確的農(nóng)作物參數(shù)，為 農(nóng)作物的種植與管理提供了有利的保障。高光譜遙感技術(shù)除了上述內(nèi)容，在全面的農(nóng)作物質(zhì)量監(jiān)測(cè)，通過(guò)獲取農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)時(shí)期的數(shù)據(jù)特征進(jìn) 行 全面的預(yù)測(cè)以及最后的生產(chǎn)，目前主要集中在不同農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量以及質(zhì)量監(jiān)測(cè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)訪 問與存儲(chǔ)。雖然高光譜技術(shù)已經(jīng)全面、準(zhǔn)確應(yīng) 用 于 農(nóng) 業(yè)中，但還需要進(jìn)一步的研究。如何將高光譜 遙 感 技 術(shù)應(yīng)用于作物機(jī)理和農(nóng)業(yè)信息的監(jiān)測(cè)以及完善農(nóng)業(yè)光 譜信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)模型的 適 用性和準(zhǔn)確性提供支持。

地質(zhì)勘探

高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，如礦產(chǎn)資源勘查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等。通過(guò)分析地物的光譜特征，可以識(shí)別出不同的礦產(chǎn)資源和地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，為地質(zhì)勘探和資源開發(fā)提供有力支持。高光譜影像包含了豐富的地表空間、光譜和輻射的三重信息，它同時(shí)表現(xiàn)了地物的空間分布并獲得了以像元為目標(biāo)的地物光譜信息。隨著成像光譜儀的光譜分辨率和空間分辨率的不斷提高，高光譜遙感廣泛的應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、植被研究、海洋遙感、農(nóng)業(yè)遙感、大氣及環(huán)境遙感等領(lǐng)域中，并發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，其中地質(zhì)是高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用最成功的一個(gè)領(lǐng)域。高光譜遙感通過(guò)搭載于航空或航天平臺(tái)上的成像光譜儀測(cè)量巖石、礦物等地物的光譜特性、獲取圖譜合一的信息來(lái)識(shí)別地物、探測(cè)環(huán)境,即獲取光譜數(shù)據(jù)的空間模式。地物的光譜特性是高光譜遙感的基礎(chǔ)。

高光譜遙感巖礦識(shí)別

巖石光譜識(shí)別是指通過(guò)對(duì)巖石礦物光譜和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的參考光譜進(jìn)行匹配或巖石礦物光譜與參考光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較, 求出它們之間的相似或差異性, 從而直接識(shí)別礦物、提取 巖性、蝕變、礦化等信息。高光譜遙感的最大優(yōu)勢(shì)在于利用有限細(xì)分的光譜波段, 去再現(xiàn)象元對(duì)應(yīng)物的波譜曲線。利用整個(gè)光譜曲線進(jìn)行巖石、礦物識(shí)別, 可以在一定程度上改善單個(gè)波形的不確定影響如光譜漂移、變異等,提高識(shí)別精度?；谡麄€(gè)波形的識(shí)別技術(shù)方法關(guān)鍵是合理選擇一定函數(shù)來(lái)測(cè)定實(shí)測(cè)光譜與參考光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的光譜的相似性。

對(duì)做過(guò)預(yù)處理(輻射校正、幾何校正、大氣校正)的高光譜遙感圖像,依據(jù)對(duì)譜形特征研究 角度的不同,可以分為基于特征譜帶(單個(gè)譜形特征)的礦物識(shí)別方法和基于完全波形特征(整個(gè)譜形特征)的礦物識(shí)別方法(如圖1所示) 。

軍事偵察

高光譜遙感技術(shù)在軍事偵察領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如偵察目標(biāo)識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。通過(guò)分析地物的光譜特征，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，為軍事決策提供有力支持。

高光譜目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

高光譜探測(cè)和識(shí)別技術(shù)在軍事領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。目前，基于高光譜數(shù)據(jù)的目標(biāo)探測(cè)及精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)已在多個(gè)國(guó)家制定了實(shí)用可靠的發(fā)展計(jì)劃。美國(guó)作為高光譜遙感大國(guó)和軍事強(qiáng)國(guó)，在高光譜遙感技術(shù)制備方面一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，其HMD（Hyperspectral Mine Detection，高光譜地雷探測(cè)）計(jì)劃、HRST（Hyperspectral Remote Sensing Technology，高光譜遙感技術(shù)）計(jì)劃和 Dark Horse計(jì)劃均對(duì)高光譜探測(cè)識(shí)別開展了研究。此外，以色列科學(xué)家利用CASI高光譜成像光譜儀在特拉維夫市（Tel Aviv Yafo）進(jìn)行研究，通過(guò)CASI圖像選擇典型的地物作為端元數(shù)據(jù)，實(shí)施可靠的戰(zhàn)場(chǎng)詳細(xì)偵察。在軍事目標(biāo)偵察、識(shí)別偽裝方面，高光譜遙感能夠依據(jù)背景與偽裝目標(biāo)不同的光譜特性發(fā)現(xiàn)軍事裝備，通過(guò)光譜特征曲線可反演出目標(biāo)的組成成分，從而揭露與背景環(huán)境不同的目標(biāo)及其偽裝。在軍事作戰(zhàn)環(huán)境下，對(duì)綠色偽裝材料的檢測(cè)是偽裝檢測(cè)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，基于高光譜圖像開展偽裝檢測(cè)可以利用植物的紅邊效應(yīng)（植被在680~720nm波段范圍反射率升高），通過(guò)檢測(cè)其位置和斜率的特征就可以識(shí)別植被的種類和狀態(tài)；而現(xiàn)有綠色偽裝材料的光譜曲線大體上可以與植被相吻合，但是在高光譜細(xì)微的分辨能力下，經(jīng)過(guò)偽裝的目標(biāo)也無(wú)所遁形?，F(xiàn)有研究表明，以植被的紅邊作為基本識(shí)別特征，高光譜圖像的偽裝目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了99%。

高光譜遙感技術(shù)是遙感領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。在未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，高光譜遙感技術(shù)將為人類社會(huì)帶來(lái)更多的便利和福祉。