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中国高光谱成像遥感应用研究进展

20世纪80年代遥感领域最重要的发展之一就是高光谱遥感的兴起。从20世纪90年代开始,高光谱遥感已成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感的最主要手段。高光谱遥感是指利用很多窄的电磁波波段获取物体有关数据的技术,它可在电磁波的紫外、可见光、近红外、中红外以至热红外区域,获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。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,不同的物体会表现出不同的光谱反射和辐射特征,这种特征引起吸收峰和反射峰的波长宽度在5~50nm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,从而产生了不同的光谱特征。运用具有高光谱分辨率的仪器,通过获取图像上任何一个像元或像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。

1高光谱成像遥感定标模型研究

成像光谱仪数据在使用前需进行数据处理,其中反射率反演是一项基本工作。反射率反演转换过程是成像光谱仪数据应用和动态监测等工作的前提。通常利用的反射率反演方法主要有“经验线性法(FG)”和“辐射传输模型法(RT)”等。FG模型是一个比较简便的定标算法。辐射传输模型的反演方法中应用大气模式(如MODTRAN等)去除大气影响,虽然精度满足要求,但对应成像光谱数据逐像元处理非常耗时。为此,“查找表”技术在反射率快速反演中得以应用,如加拿大遥感中心的成像光谱数据分析系统中就有“查找表”的生成内容。所谓的“查找表”是根据一些输入参数,应用模式算出相关的参数表,在处理成像光谱数据时就可以简单地通过运算获得与逐像元计算精度相当的反演结果来。

通过对目前国际上流行的几种光谱定标模型的分析研究发现:基于RT定标模型对水汽过分敏感;基于FG的定标模型对地形要求严格。由此,在实际工作中,根据实际工作条件和应用要求进行定标模型的选取是十分重要的。

2在地质学中的应用

2.1岩矿信息提取

谢红接等运用中国科学院上海技术物理所研制的模块式航空71波段高光谱仪(MAIS)影像数据,在纯净像元提取、混合像元分解、光谱角制图、匹配滤波、光谱特征拟合等方面做了试验性研究工作,提取了该区的铀矿特征信息(如蚀变、矿化等),为高光谱图像的地质应用奠定了基础。

岩石地层的识别与提取,决定于对造岩矿物光谱特征的理解,尤其是对清晰的强吸收谱带的理解。详细的岩石光谱特征分析有助于发现该区岩石诊断性光谱特征,从而利用有效的技术方法来进行岩类信息的识别。

3在海洋研究中的应用

3.1海洋遥感应用基础研究

在海洋水色高光谱遥感信息分析研究方面,潘德炉等人把辐射传输机理与数学中逼近理论相结合,发展了海洋水色高光谱信息多因子反演算法,研究了叶绿素、悬浮泥沙及黄色物质等多因子对离水辐射率的定量关系,提出了多因子离水辐射模型。

1991年,中国科学院遥感应用研究所利用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。唐军武等建立了海洋光学三维Monte Carlo模型,模拟了不同太阳天顶角、水体成分等参数对离水辐射率方向特性的影响。模拟结果表明,在一定的遥感器、太阳和像元几何条件下,同一水体的光场二向性带来的离水辐射率变化可能大于已有的业务化水色大气修正算法反演离水辐射率的误差。模拟结果对水色遥感中正确进行现场数据获取及遥感与地面数据对比有一定的意义。根据剖面辐射计和荧光计的现场监测数据,傅克忖等给出了黄海叶绿素的估算模式。可见,国内海洋遥感应用基础研究主要是一些数学模型的构建。关于如何解决水体的低反射率、大气对蓝紫波段光谱的散射影响等难题的研究还未涉足。

3.2海洋与海岸带资源环境研究

在海洋水质监测应用方面,只有可见光光谱能够观测水下的状况,其中穿透性最强的波长范围为0.45~0.6μm(蓝光至黄光),被称为“海洋窗口”,利用成像光谱技术可以观测到海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况,例如,用于估值海洋沉淀物和叶绿素含量,而叶绿素含量的估值可以用于监视海藻的生长和推断水产研究中浮游生物的分布和鱼群位置。对我国而言,随着沿海地区工业化、城市化的发展,海洋环境污染日趋严重。海洋污染给国家造成了巨大的经济损失。

4在农业中的应用

4.1植被参数分析

归一化植被指数(NDVI),被定义为近红外波段(NIR)与可见光红波段(R)数值之差和这两个波段数值之和的比值,即NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。NDVI在运用遥感图像进行植被以及植物物候研究方面得到广泛应用,它是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子,与植被分布密度呈线性相关。但实验表明,NDVI对土壤背景的变化较为 敏感。张良培等利用在鄱阳湖地区测得的数据,选择波长676nm和832.6nm进行NDVI中的计算。在这两个波长位置上,土壤的反射值相差很小。因此,利用高光谱数据可以消除土壤信号在NDVI中的作用。

4.2植被生长监测

冠层的理化特性在一定程度上控制着森林的初级生产力(NPP)。比如叶面积、叶厚度和氮含量通过控制光合作用和传输速率来影响NPP。

5在大气和环境遥感中的应用

5.1植被参数分析

大气中分子和粒子成份在太阳反射光谱中有强烈反映,这些成份包括水汽、二氧化碳、氧气、臭氧、云和气溶胶等,其中水汽是主要吸收成份。有大量的方法用于分析水汽。这些方法通常都是估算940nm处水汽吸收强度与大气中总水柱丰度的关系。

随着人们对环境问题的重视,这方面的研究也不断向纵深发展。如在沿海和陆地水体方面,用于探测叶绿素、浮游主物类、溶解的有机物、本地或远处搬运来的悬浮物等等。在环境监测方面,可以探测直接或间接危害环境的地表成分,如酸雨和重金属,同时可以用来监测有害矿物的迁移。

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