成像光谱技术的研究与发展

　　1　引　言

　　遥感(remote sensing)一词是在20世纪60年代[初首次由美国海军科学研究局的E L Pruitt提出来的,而后在世界范围内被广泛采用,逐渐形成了一门新兴的边缘学科[22]。它是以非接触的方式探测目标辐射、反射和散射等电磁波谱特性,通过处理所获得的图、谱信息,达到观测目标形态以及识别目标特性的目的。结合基础理论,可以解决实际生产、生活中的监测、预测和决策问题。

　　20世纪80年代中后期,随着传感器技术的飞速发展,以CCD(change coupled device)电耦合器件为基础的成像光谱仪成为遥感科学中的重要研究方向。以往对地球所进行的遥感测量能提供在地面观测中难以获取的地物信息,但地面地物信息缺少特征,成像光谱技术的出现解决了这一问题。实验证明,地球表面大多数物质在属于大气窗口的0.4~2.5μm和8~14μm等光谱范围,具有独特的诊断光谱特征。如果能准确地获取这些诊断光谱特征,就有可能对地球表面大多数物质进行识别,成像光谱技术便是在这种背景下产生并得到了迅速的发展。成像光谱仪技术于是在20世纪70年代末首先在美国发展起来的,由于它的应用具有一定的军事色彩,因此发展神速。其研究工作主要集中在加州理工大学和美国国家航空航天局(NASA)的喷气推动实验室(JPL)。它的发展主要经过了以下几个阶段[1]:

　　(1)成像光谱概念的提出(1980—1982);

　　(2)航空成像光谱仪研制成功和实验应用(1982—1985);

　　(3)新一代成像光谱仪的发展和完善阶段(1985—1990);

　　(4)成像光谱遥感全面发展阶段(1990—1997)。

　　2　应用现状

　　2.1　在海洋研究中的应用

　　成像光谱仪的光谱分辨率已达到纳米级,因此可以检测海洋水质[2],利用450-600nm(蓝光至黄光),被称为“海洋窗口”,观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况。1991年,中国科学院遥感应用所利用MAIS成像光谱数据制作了澳大利亚达尔文市海水叶绿素浓度分布图。刘堂友等人对太湖水体进行了分析[3],用光谱分离法分离出藻类叶绿素2a和悬浮物的特征光谱,并且由此建立高光谱定量遥感模型,在藻类叶绿素2a和悬浮物浓度的定量遥感上取得了良好的效果。

　　2.2　在大气探测中的应用

　　大气应用主要有两方面:一方面,测定地球大气中温室气体含量,如臭氧及污染气体成分;另一方面,进行大气温度和水气垂直分布的确定,大气过程研究、地球表面成分分析等,以气象应用为主,大气探测对光谱分辨率要求较高,一般用超光谱成像光谱以实现。

　　2.3　在植被研究中的应用

　　利用高光谱可以确定植物叶子植冠的化学成分,从而监测大气和环境变化引起的植物功能的变化。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。北京农业信息技术研究中心在国家973项目和精准农业示范项目的资助下,于2002年4月在北京市小汤山精准农业和遥感示范基地进行小麦病虫害诱发工作[2]。