（中科院上海技术物理研究所）

高光谱遥感的物理基础

人们通过各种手段来了解我们居住的地球，探索太空。而遥感是这种探索最重要的手段。80年代起遥感领域最重要的发展之一就是高光谱遥感的兴起，至90年代已成为国际遥感技术研究的热门课题，到下一世纪高光谱遥感将成为光电遥感的最主要手段。高光谱遥感技术将传统遥感的成像技术和物理中的光谱分析技术有机地结合在一起，在探测物体空间特征的同时对每个空间象元色散形成几十个或几百个波长带宽为10~20毫微米左右连续的光谱波段。这样，在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成了一种独特的三维遥感。对大量的地球表面物质的光谱测量表明，不同的物体将会表现出不同的光普反射和辐射特征，这种特征引起的吸收峰和反射峰的波长宽度在5~50 nm左右，其物理内涵是不同的分子、原子和离子的晶格振动，引起不同波长的光谱发射和吸收，而产生了不同的光谱特征。具有高光谱分辨率的仪器，通过获取图像上任何一个象元或象元组合所反映的地球表面物质的光谱特性，经过计算机的图像处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的。

高光谱遥感技术在遥感领域开创了崭新的应用前景，它的出现，就像给人类配上了一副观测地球和太空的神眼。经过十多年的研究和发展，高光谱遥感的硬件技术——成像光谱仪已日趋成熟，并逐步替代了传统的多光谱扫描仪。而不断发展的高光谱遥感软件技术将使得高光谱遥感的应用越来越广泛。

高光谱遥感的技术构成

高光谱遥感技术是集新型探测器技术、精密光学机械、微弱信号探测、高速信号处理技术、计算机信息处理技术为一体的综合性技术，是属于多学科交叉技术。主要由高光谱遥感的信息获取系统——成像光谱仪和高光谱图像信息处理系统二大部分组成，比较而言，高光谱遥感中比较重要的关键技术有：

新型探测器焦平面技术首先，成像光谱仪的发展是依赖于探测器焦平面技术的发展，目前世界上用于可见、近红外波段的硅焦平面探测器技术已十分成熟，2048×2048的硅CCD也已经商品化，国际上已有多种采用面阵CCD的高质量成像光谱仪。而红外波段的成像光谱仪的发展更是受益于红外焦平面器件性能的提高，在短波红外光谱段，目前常用的器件有InSb，HgCdTe等。

新型的光谱仪技术和精密光学技术成像光谱仪中的光谱仪是整个系统中的核心部分，和传统的单色仪相比，成像光谱仪中的光谱仪的光谱分辨本领的要求没有这么高，但系统的光学F数往往是非常小的，这对光学设计的要求是非常高的。除了光珊和组合棱镜等色散器件，许多新分光谱技术也被纷纷采用，目前常用的有傅里叶变换光谱仪、渐变滤光片光谱仪、旋转滤光片轮光谱仪、声光调制器光谱仪等。

高速信号处理技术为了既能记录更多的有效信息，又能减少数据记录和传输的压力，正对成像光谱数据的实时无损压缩技术应运而生，成为数据处理的一个新的研究领域。目前计算机技术的飞速的发展，也带动了各种记录技术的发展，无论是磁带、磁盘、光盘等设备，它们的记录的速度、容量在不断的上升，而价格却在不断下降，这对高光谱遥感技术的发展具有很大的促进。

高光谱遥感数据定量化技术从高光谱遥感的应用要求出发，数据必须从定性的解释走向定量的计算，只有这样才能充分发挥高光谱数据的优越性。因此，成像光谱仪的光谱和辐射定标和数据的定量化反演就变得非常重要。

高光谱遥感信息处理技术高光谱遥感数据具有多、高、大、快等特点，即波段多（几十个到几百个），光谱分辨率高（纳米数量级），数据量大（每次处理数据一般都在千兆以上），数据率高（从每秒数兆到每秒数百兆），因此传统的数据处理方法就无法适应于高光谱数据的处理。作为高光谱数据的处理，主要要解决以下几个技术重点：海量数据的高比例“非失真”压缩技术；高光谱遥感数据的高速化处理技术；光谱及辐射量的定量化和归一化技术；高光谱遥感数据特征图像提取及三维谱像数据的可视化技术；地物光谱模型及识别技术；以及高光谱遥感数据在地质、农业、植被、海洋、环境、大气中应用模型的建立。

高光谱遥感的主要应用

随著高光谱遥感技术的发展，成像光谱仪的光谱分辨率和空间分辨率都越来越高。因此，它的应用面也越来越大，以下举例说明高光谱遥感技术的应用：

地质勘探 高光谱遥感技术的最初应用就是在地质上，蚀变带是找矿的重要依据，同时，蚀变带在；2.2微米处具有光谱吸收特征，其吸收光谱的半带宽在10纳米到50纳米之间。因此，具有10纳米光谱分辨率的成像光谱仪就有能力直接通过遥感发现蚀变带，以确定找矿的靶区。同时，通过对植被光谱特征的分析也是找矿的依据，由于矿物中金属离子对植被的侵蚀，会引起植被的病变，使得植被近红外高反射峰就会向短波方向移动5~20纳米，称为“红边蓝移”现象。高光谱遥感就有能力发现这种现象。

农业遥感由于高光谱遥感具有高光谱分辨率的特点，所以可以用来监测农作物的生长过程，高光谱技术不但可区别不同农作物的种类，而且可以发现农作物在生长过程中光谱特征发生的微小变化。在美国已经出现定期获取农场的高光谱遥感数据，而后通过计算机的数据处理，对农作物实现“精细耕作"。

海洋遥感海洋资源是我国的重要的自然资源，通过高光谱遥感，可以了解海洋的生态环境、海洋的温度变化、叶绿素分布、河口海岸的泥沙含量等。

环境监测保护我们的地球，保护我们周围的环境，是实现可持续发展必要条件，高光谱遥感可以对我们周围的生态环境情况作出定量的分析。例如，西方的某些跨国石油公司，就是采用高光谱的手段，对石油的开采、输运进行长期的监测，以防止石油的泄漏而污染环境，使得公司免受巨额罚款的损失。

军事目标识别隐蔽自己，揭露敌人的伪装是战争中最基本的手段。大多数的伪装手段是改变军事目标外表的光谱特征。然而，这种改变只能在某个特定的波段中才能实现，因此，宽波长范围的高光谱遥感技术是揭露伪装最强有力的手段。