成像光譜儀的原理與應(yīng)用

成像光譜儀的原理與應(yīng)用
摘要：論述了成像光譜儀的基本原理以及在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)及科研、環(huán)境保護等方面的應(yīng)用，對我國光譜儀 的研究發(fā)展概況作了簡單介紹。
成像光譜儀是2O世紀8O年代開始在多光譜 遙感成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它以高光譜 分辨率獲取景物或目標的高光譜圖像，在航空、航 天器上進行陸地、大氣、海洋等觀測中有廣泛的應(yīng) 用，高光譜成像儀可以應(yīng)用在地物精確分類、地物 識別、地物特征信息的提取。建立目標的高光譜遙 感信息處理和定量化分析模型后，可提高高光譜 數(shù)據(jù)處理的自動化和智能化水平.。由于成像光 譜儀高光譜分辨率的巨大優(yōu)勢，在空間對地觀測  電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表|的同時獲取眾多連續(xù)波段的地物光譜圖像，達到 從空間直接識別地球表面物質(zhì)的目的，成為遙感 領(lǐng)域的一大熱點，正在成為當代空間對地觀測的 主要技術(shù)手段 ]。地面上采用光譜成像儀也取得 了很大的成果，如科學(xué)研究、工農(nóng)林業(yè)環(huán)境保護等 方面。本文主要簡述高光譜成像儀的基本原理和 在農(nóng)林環(huán)境保護等方面的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu) 高光譜成像儀將成像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合在 一起，在探測物體空間特征的同時并對每個空間 像元色散形成幾十個到上百個波段帶寬為10nm 左右的連續(xù)光譜覆蓋。根據(jù)成像光譜儀的掃描方 式，其工作原理也不盡相同，作為光學(xué)成像儀成像 的一個例子，這里簡述一下焦平面探測器推掃成 像原理_3j。
1．1 系統(tǒng)工作原理 焦平面探測器推掃成像原理見圖1。地面物 體的反射光通過物鏡成像在狹縫平面，狹縫作為 光欄使穿軌方向地面物體條帶的像通過，擋掉其 他部分光。地面目標物的輻射能通過指向鏡，由物 鏡收集并通過狹縫增強準直照射到色散元件上， 經(jīng)色散元件在垂直條帶方向按光譜色散，用會聚 鏡會聚成像在傳感器使用的二維CCD面陣列探 測元件被分布在光譜儀的焦平面上。焦平面的水 平方向平行于狹縫，稱空間維，每一行水平光敏元 上是地物條帶一個光譜波段的像；焦平面的垂直 方向是色散方向，稱光譜維，每一列光敏元上是地 物條帶一個空間采樣視場(像元)光譜色散的像。 這樣，面陣探測器每幀圖像數(shù)據(jù)就是一個穿軌方 向地物條帶的光譜數(shù)據(jù)，加上航天器的運動，以一 定速率連續(xù)記錄光譜圖像，就得到地面二維圖像 圖1 光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
1．2 光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)構(gòu)成 光譜成像儀由光學(xué)系統(tǒng)、信號前端處理盒、數(shù) 據(jù)采集記錄系統(tǒng)三部分組成。 數(shù)據(jù)的回放及預(yù)處理通過專用軟件在高性能 的微機上完成。軟件具有如下功能：數(shù)據(jù)備份；快 速回放；數(shù)據(jù)規(guī)整和格式轉(zhuǎn)換；圖像分割截�。粯� 準格式的圖像數(shù)據(jù)生成等。

2 成像光譜儀的應(yīng)用 成像光譜儀的應(yīng)用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生 物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，對于純定性到高度定量的 化學(xué)分析和測定分子結(jié)構(gòu)都有很大應(yīng)用價值。如 在生物化學(xué)研究中，可以利用喇曼光譜鑒別一些 物質(zhì)的種類，還可以{貝0定分子的振動轉(zhuǎn)動頻率，定 量地了解分子間作用力和分子內(nèi)作用力的情況， 并推斷分子的對稱性，幾何形狀、分子中原子的排 列，計算熱力學(xué)函數(shù)、研究振動一轉(zhuǎn)動拉曼光譜和 轉(zhuǎn)動拉曼光譜，可以獲得有關(guān)分子常數(shù)的數(shù)據(jù)。對 非極性分子，因為它們沒有吸收或發(fā)射的轉(zhuǎn)動和 振動光譜，振動轉(zhuǎn)動能量和對稱性等許多信息反 映在散射譜中。對于極性分子，通過紅外光譜固然 可以獲得不少分子參數(shù)的知識，但是為了得到更 完備的資料，也往往同時觀測紅外光譜和拉曼光 譜，它們具有不同的選擇定則，可以提供互補的數(shù) 據(jù)。現(xiàn)在這兩種光譜相互配合已經(jīng)成為有力的研 究工具。 l光學(xué)系統(tǒng)l— I信號處理端l— l數(shù)據(jù)處理l 圖2 光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 光譜成像儀在土地利用、農(nóng)作物生長、分類，病蟲害 檢測，海洋水色測量，城市規(guī)劃、石油勘探、地芯地貌及軍 事目標識別等方面也有很廣泛和深遠的應(yīng)用前景�？梢� 光近紅外光譜范圍超光譜成像儀最廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域為植 被和海洋；植被的反射光譜特征主要取決于葉片中的葉 綠素含量和成份，正常生長的植物有典型的光譜形狀；當 生長不良、病蟲害、地下金屬礦物誘導(dǎo)病變等因素會引起 反射強度比例變化和吸收光譜特征(0．68／~m)的微小位 移，這種位移的觀測要求超光譜成像儀具有優(yōu)于5nm 的 光譜分辨率和100以上的信噪比。在光波范圍能夠觀測 水下狀況的只有可見光，其中穿透性最好的波長范圍為 0．45～0．60／~m(藍光至黃光)，亦被稱為“海洋窗口”。可見 光超光譜成像儀可以觀測海洋中沉積性懸浮物、浮游生 物、葉綠素的分布等海況，但是獲取海洋表層中懸浮體物 質(zhì)在質(zhì)量和數(shù)量方面的信息時，不僅需要高光譜分辨率， 而且要很高的輻射靈敏度(信噪比500以上)。
2．1 在農(nóng)林業(yè)上的應(yīng)用 在農(nóng)林業(yè)上的應(yīng)用很多，如農(nóng)作物長勢分析、作物類 別鑒定、病蟲害防治分析、產(chǎn)量評估、林業(yè)資源調(diào)查、伐林 造林、森林草場調(diào)查、土地沙化、土壤侵蝕等。 2．1．1 在農(nóng)業(yè)、林業(yè)中的應(yīng)用 高光譜成像儀可以 用來研究品種因素對小麥品質(zhì)的影響程度以及品 種因素與品質(zhì)指標之間的相關(guān)性『7]，還可以得出 環(huán)境條件下籽粒的白質(zhì)含量與濕面筋含量、沉降 值、吸水率、形成時間和穩(wěn)定時間之間存在的相關(guān) 性，并利用不同品種、不同肥水條件下的作物關(guān)鍵 生育時期的生化參量與光譜指數(shù)進行分析，預(yù)測 預(yù)報籽粒品質(zhì)。 2005年6月12日我國首次利用地物光譜儀 高空監(jiān)測小麥條銹病5。在位于昌平小湯山的“國 家精準農(nóng)業(yè)研究示范基地”小麥實驗田，國家自然 科學(xué)基金項目研究的“基于3S技術(shù)的小麥條銹病 監(jiān)測預(yù)警”采用熱氣球進行近地遙感監(jiān)測小麥條 銹病初步獲得成功，這在我國尚屬首次。這項研究 以小麥條銹病為對象，根據(jù)全球定位系統(tǒng)(GPS) 的精確定位，利用地理信息系統(tǒng)(GIs)研究其大 區(qū)流行規(guī)律，利用遙感(Rs)技術(shù)探索其實時監(jiān)測 新途徑(合稱3S技術(shù))，期望最終構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的 小麥條銹病監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)，這項成果將為政 府部門制訂小麥條銹病防治決策方案提供科學(xué)依 據(jù)，也為信息技術(shù)在植物病害研究中的應(yīng)用提供 新的方法借鑒。 項目研究的成功將會促進我國重大農(nóng)作物病 害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的規(guī)范化和實用化，實現(xiàn)病害 大流行早知道，保障糧食生產(chǎn)，增加農(nóng)民收入，縮 小我國植物病害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)與國際前沿水平的 差距。
2．2．2 農(nóng)業(yè)作物長勢監(jiān)測 主要利用紅外波段 和近紅外波段的遙感信息，得到的植被指數(shù)(ND— VI)與作物的葉面積指數(shù)和生物量正相關(guān)5。利用 NDVI過程曲線，特別是后期的變化速率預(yù)測冬 小麥產(chǎn)量的效果很好，精度較高。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中， 通過高空間和高光譜分辨率的航空與航天遙感， 來及時(平均2天～ 3天一次)地提供農(nóng)作物長 勢、水肥狀況和病蟲害情況，稱之為“征兆圖” (Symptom Maps)，供診斷、決策和估產(chǎn)等使用。 為了實時地獲取數(shù)據(jù)，需要反復(fù)利用航空遙感或 利用各個小衛(wèi)星建立全球數(shù)據(jù)采集網(wǎng)。 高光譜遙感與精準農(nóng)業(yè)研究的基礎(chǔ)問題還有 待解決，如環(huán)境脅迫作用下的遙感機理和遙感標 志研究，遙感與GIS的集成對作物脅迫作用的診 斷理論以及作物生長環(huán)境和收獲產(chǎn)量實際分布的 空間差異性機理和環(huán)境脅迫作用與產(chǎn)量形成的遙 感定量關(guān)系。為了解決上面的理論和應(yīng)用問題，需 要抓住高光譜、高分辨率、雷達遙感等技術(shù)手段和 “三S”集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。 對植被的葉面積指數(shù)、生物量、全氮量、全磷 量等生物物理參數(shù)進行分析和估算。在精準農(nóng)業(yè) 研究中，高光譜遙感具有廣闊的應(yīng)用前景。比如可 以從遙感數(shù)據(jù)中提取生物物理和生物化學(xué)的參 數(shù)，就是用高空的高光譜遙感數(shù)據(jù)對一些重要的 生物和農(nóng)學(xué)參數(shù)的反演。這種研究可以用來研究 生態(tài)系統(tǒng)過程，如光合作用、C、N循環(huán)等，也可以 用來對生態(tài)系統(tǒng)進行描述和模擬。 最具潛力和效益的應(yīng)用前景就是研究作物的 光譜特征農(nóng)學(xué)遙感機理，將其應(yīng)用于遙感估產(chǎn)，做 到對農(nóng)作物生長勢的動態(tài)監(jiān)測、病蟲害的早期診 斷和產(chǎn)量的早期預(yù)報�？梢杂糜谵r(nóng)業(yè)自然災(zāi)害 (水、旱、火、蟲、病等)的遙感實時動態(tài)監(jiān)測和損失 評估，主要農(nóng)作物的長勢、播種面積的監(jiān)測和產(chǎn)量 預(yù)報以及草地估產(chǎn)、草畜平衡估算，進行農(nóng)業(yè)自然 資源與環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測與評估，進行全國耕地變 化的遙感動態(tài)監(jiān)測。
2．2 環(huán)境監(jiān)測 環(huán)境監(jiān)測主要應(yīng)用在1．石化工業(yè)：如對油 品、塑料、添加劑、催化劑等中的元素分析等，還可 對其有害元素含量是否超標進行分析監(jiān)測；2．生 態(tài)環(huán)保：污水或水中有害金屬分析，植物中殘余無 機元素的分析；3．建筑、建材工業(yè)：結(jié)合城市地物 和人工目標的檢識等，對水泥、玻璃及耐火材料分 析。
2．3 自然災(zāi)害和災(zāi)情評估 目前我國在加緊研制的環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測衛(wèi)星， 計劃在2005年前研制出由兩個光學(xué)衛(wèi)星和一個 雷達衛(wèi)星組成的小衛(wèi)星星座。在2010年前研制出 由四個光學(xué)衛(wèi)星和4個雷達衛(wèi)星組成的小衛(wèi)星星 座，開展對環(huán)境和災(zāi)害全天時、全天候的監(jiān)測。自 然災(zāi)害監(jiān)測和災(zāi)情評估可以包括很多種，如洪澇、 干旱、雪災(zāi)、森林大火、地震、海洋狀況等。 赤潮是指海洋微藻、細菌和原生動物在海水 中過度增殖或聚集致使海水變色的一種現(xiàn)象。隨 著經(jīng)濟發(fā)展，沿海富營養(yǎng)化加劇，近年來赤潮的頻 繁發(fā)生和規(guī)模的不斷擴大，破壞了漁業(yè)資源和海 產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，赤潮毒素也嚴重威脅著人類的生命安 全。2002年我國海域共發(fā)現(xiàn)赤潮79次，累計面積 超過10，000平方公里，直接經(jīng)濟損失2300萬元。 利用機載高光譜成像儀，獲得了赤潮爆發(fā)現(xiàn)場8G 高光譜數(shù)據(jù)，“逮”到了赤潮。通過海監(jiān)船的現(xiàn)場取 樣和事后數(shù)據(jù)分析，上海技物所高光譜成像儀利 用赤潮種類鑒別軟件，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，很好地反映 了赤潮光譜特性。所以，利用高光譜成像儀獲得的 數(shù)據(jù)，可以迅速對赤潮做出反應(yīng)，有利于赤潮的及 早發(fā)現(xiàn)、分類、控制和治理，從而減小赤潮的危害。 2004年7月上旬，我國某地附近海域爆發(fā)大 規(guī)模赤潮，有關(guān)部門請中科院上海技術(shù)物理研究 所緊急調(diào)撥機載推掃式高光譜成像儀(PHI)到現(xiàn) 場探測。經(jīng)科研人員連夜對儀器進行標定、測試和 裝箱，第二天即攜帶PHI，乘坐航空公司的班機趕 赴目的地，并及時將儀器裝載于海監(jiān)飛機上。監(jiān)測 數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，很好地反映了赤潮光譜特性，對赤 潮的反應(yīng)可以達到實用目的。
2．4 海洋資源普查 利用光譜成像儀可獲得海陸相互作用區(qū)域的 高分辨率圖像，可以兼顧海洋和陸地的需求，目前 高光譜成像儀已經(jīng)應(yīng)用于我國海岸帶重點地區(qū) (黃河口、長江口和珠江口)的資源和植被調(diào)查、海 岸帶動態(tài)監(jiān)測，以及海岸帶變遷的長期研究『8]。 葉綠素分布是與海洋初級生產(chǎn)力、海水富營 養(yǎng)化、赤潮等密切相關(guān)的指標，同時，也是研究全 球氣候變化的重要依據(jù)。目前利用高光譜成像儀 已能夠較準確地確定大洋和遠海的葉綠素分布， 但近岸水體的葉綠素分布的反演精度還需進一步 提高。
美國研制出一臺結(jié)構(gòu)緊湊簡單的海底高光譜 成像儀，解決了由于海水吸收和散射作用使得海 底物質(zhì)顯現(xiàn)受阻的難題。這臺海底高光譜成像儀 可同水下運載工具或底部裝有玻璃視窗的船只一 起使用，使用時，可對海底進行線性掃描，以獲取 標準的圖像。 2002年3月，我國神舟3號載中等分辨率成 像光譜儀(CMODIS)上天運行。CMODIS運行在 343±5km 高空，地面分辨率為400 500m，重復(fù) 覆蓋周期為2天，測繪帶寬為65O一700km，有34 個波段，波長范圍在0．4～12．5mm(圖版2)。在 2002年12月的神舟4號飛行中，載有微波輻射 計、雷達高度計和雷達散射計組成的多模態(tài)微波 傳感器。此次試驗，在世界上首次實現(xiàn)了三種觀測 方式在統(tǒng)一監(jiān)控下的同時工作，還首次采用了掃 描天線的方式來觀測海洋的風(fēng)向和風(fēng)速，獲取的 數(shù)據(jù)對進一步掌握風(fēng)場、海浪動力環(huán)境和海氣能 量的轉(zhuǎn)換，分析海洋災(zāi)害、資源等方面都會產(chǎn)生重 要的作用。 中國科學(xué)院所研制的高技術(shù)產(chǎn)品“輕型機載 高光譜分辨率成像遙感系統(tǒng)”已與馬來西亞簽署 出口協(xié)議，將于2005年底交付馬來西亞國家遙感 中心 。
該系統(tǒng)是當今空間遙感技術(shù)中最具前沿性的 先進光學(xué)遙感器，可適應(yīng)國民經(jīng)濟不同領(lǐng)域的遙 感需求，包括為國家宏觀決策提供所需基礎(chǔ)國情 信息服務(wù)、為市場需求的各類專業(yè)應(yīng)用服務(wù)、為發(fā) 展航天遙感器提供試驗平臺以及為生態(tài)、環(huán)境、大 氣、海洋遙感等社會公益應(yīng)用服務(wù)等。這個光學(xué)成 像系統(tǒng)多次服務(wù)于國際遙感應(yīng)用項目，通過與美 國、法國等高技術(shù)企業(yè)的競爭獲得出口馬來西亞， 是中國此類高技術(shù)產(chǎn)品的首次出口，從而實現(xiàn)中 國高光譜成像儀器進入國際市場零的突破。專家 稱，這將為中國高技術(shù)的對外合作交流提供新的 發(fā)展空間，也會提升中國高光譜遙感技術(shù)的國際 地位。

3 結(jié)語 除了以上實際應(yīng)用外，目前高光譜成像儀在 自然科學(xué)的大部分領(lǐng)域起著主要的作用。隨著面 陣探測器陣列制造技術(shù)的進一步提高，一些新型 的成像光譜技術(shù)得到了應(yīng)用，具有這些技術(shù)的光 譜儀更具有可靠性和穩(wěn)定性的特點，并且體積小、 重量輕、光譜分辨率高、實時性更好、光譜范圍更 寬。這種光譜成像儀將會成為新一代光譜成像儀 的代表，科學(xué)研究人員也會對此類光譜儀投入更 多的關(guān)注而使其得到更廣泛的應(yīng)用。