1.1　高光谱成像原理

遥感（Remote Sensing）是一门相对年轻的学科，是过去50～60年内迅速发展起来的一门综合性应用技术，是指通过某种装置，不直接接触被研究目标和区域来获取目标的某种特性数据（通常为电磁特征数据），并对所获取数据进行处理分析，从而得到所需信息的一种技术 ^[1] 。遥感一词于1960年首次出现在美国一项军事科研计划中，并在1962年第一届环境遥感学术讨论会上被正式采用。遥感手段显著地增强了人类在区域以至全球尺度上开发资源、成图和监测的能力。遥感的方式一般为空对地，即从远离地面的不同工作平台上（如支架、高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等），通过传感器对地球表面的电磁波数据进行探测和收集，并经数据的传输、处理和判读分析，对地球资源与环境进行探测和监测的综合性技术。现代遥感史以人类首次登上月球为重要里程碑，其时发生在20世纪60年代末。当时美、苏在空间技术上的竞争，导致各种空间系统的迅速发展。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA），欧洲空间局（European Space Agency，ESA）和其他一些国家，如加拿大、日本、印度和中国先后建立了各自的遥感系统。1972年美国发射了第一颗地球资源技术卫星（ERTS-1）（后更名为陆地卫星1号，Landsat-1），标志着航天对地遥感新时代的开始 ^[2] ，此后，遥感技术得以快速发展。

1972年以后，美国发射了一系列陆地卫星，包括陆地卫星1号至7号，所携带的传感器由四波段的多光谱扫描仪（Multi Spectral Scanner，MSS，分辨率为80m）发展到80年代初投入使用的专题制图仪（Topic Mapper，TM，7个波段，分辨率除第6波段的120m外，其余皆为30m），1999年4月发射升空的陆地卫星7号所搭载的增强型专题制图仪ETM+。到80年代后期至90年代初，法国发射的SPOT卫星上载有20m（10m）的高分辨率传感器（HRV分辨率为20m，全色波段为10m）。印度发射的IRS卫星上载有6.25m分辨率的全色波段传感器。1999年9月，美国光谱成像公司（Spectral Imaging Inc.）发射成功的小卫星上载有IKONOS传感器，其空间分辨率高达1m。另外，低空间高时相频率的AVHRR（气象卫星NOAA系统系列，星下点分辨率为1km）及其他各种航空航天多光谱传感器亦相继投入运行，形成现代遥感技术高速发展的盛期。所有这些系统已经提供了大量从太空向地球观测而获取的有价值的数据和图片。

遥感技术有多种分类方法，按照传感器所探测的波谱性质可分为电磁波遥感技术（可见光、红外、微波遥感技术），声呐遥感技术和物理场遥感技术（如重力和磁力场）。按照传感器的原理和信息记录的表现形式可分为图像方式遥感技术和非图像方式遥感技术。按照传感器附着的平台可分为航天遥感技术、航空遥感技术、地面遥感技术。按照遥感的应用领域可分为地球资源遥感技术、环境遥感技术、气象遥感技术和海洋遥感技术等。遥感技术领域的发展可以概括为三个方向：一是通过减小遥感器的瞬时视场角（Instantaneous Field Of View，IFOV）来提高遥感图像的空间分辨率；二是通过增加传感器的数量，统筹进行航天器轨道组合和优化，缩短重访周期，来提高遥感图像的时间分辨率；三是通过增加波段数量和减小每个波段的带宽，来提高遥感图像的光谱分辨率。

除了常规遥感技术迅猛发展，开拓性的成像光谱仪的研制已在20世纪80年代初开始，并逐渐形成了高光谱分辨率的新遥感系统。高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）技术是提高遥感图像光谱分辨率的重要技术。它的基础是测谱学（Spectroscopy）。测谱学早在20世纪初就被用于识别分子和原子及其结构，20世纪80年代才开始建立成像光谱学（ImagingSpectroscopy）。它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。高光谱遥感技术通过高光谱遥感器记录带有地物光谱信息的太阳辐射信号，在可见光、近红外、短波红外、中红外等电磁波谱范围内利用狭窄的光谱间隔成像，获取近似连续、反映地物属性的光谱特征曲线 ^[3] ，将表征地物属性特征的光谱信息与表征地物几何位置关系的空间信息有机地结合在一起，使得地物的精确定量分析与细节提取成为可能 ^[4] 。高光谱遥感是高光谱分辨率遥感的简称，可以同时获取描述地物分布的三维空间信息与描述地物光谱特征属性的一维光谱信息，其光谱分辨率为纳米级，使得许多原本在多光谱遥感图像中无法获取的光谱信息能够得以探测。高光谱遥感器的光谱分辨率通常很高，在400nm～2500nm的波长范围内，其光谱分辨率一般小于10nm。由于高光谱遥感器光谱分辨率相对于传统的遥感手段大大提高，几乎近似于连续光谱成像，所以高光谱遥感器一般又被称为成像光谱仪。所谓“成像光谱仪”，就是指以获取大量窄波段连续光谱图像数据为目的的光谱采集设备。成像光谱仪的发展为定量遥感理论的建立奠定了技术基础。定量遥感（Quantitative Remote Sensing）是指从远处获得地表物质的组成，并能在一个遥感视场单元内确定各种物质成分的相对丰度（Aboundance）的技术。传统的多光谱成像系统对光谱曲线的采样过于稀疏，而矿物识别、植被生化参量提取等方面都需要高分辨率、更为细致的光谱数据，因而成像光谱技术也为新的遥感应用领域扩展提供了可能。以成像光谱技术为依托，高光谱遥感利用地物的分子光谱吸收和微粒散射特性，通过探测识别地表和大气的物质种类，估计和测量地物光谱所反映出的物质含量，从而生成各类空间分布结构信息。高光谱遥感在各类地物分布的精细描绘等应用领域发挥了越来越大的作用。

与传统的多光谱扫描仪相比，成像光谱仪能够得到上百波段的连续图像，且每个图像像元都可以提取一条光谱曲线。成像光谱技术把传统的二维成像遥感技术和光谱技术有机地结合在一起，在用成像系统获得被测物空间信息的同时，通过光谱仪系统把被测物的辐射分解成不同波长的谱辐射，能在各光谱区间内获得每个像元几十甚至几百个连续的窄波段信息。与地面光谱辐射计相比，成像光谱仪不是在“点”上的光谱测量，而是在连续空间上进行光谱测量，因此它是光谱成像的；与传统多光谱遥感相比，其波段不是离散的而是连续的，因此从它的每个像元均能提取一条平滑而完整的光谱曲线。成像光谱仪的出现解决了传统科学领域“成像无光谱”和“光谱不成像”的历史问题。

高光谱遥感最初是根据成像光谱学的概念提出的，依托成像光谱仪实现了遥感图像光谱分辨率的突破性提高。成像光谱仪获取的图像称为高光谱遥感图像（Hyperspectral Remote Sensing Imagery），其将反映目标辐射的光谱信息与反映目标二维空间的图像信息集于一体，即在三维空间信息的基础上添加了一维光谱信息，波段宽度一般在10nm以下，实现“图谱合一”。这并不是简单的数据量的增加，而是信息量的增加，信息量可增加十倍至数百倍。

高光谱图像数据在逻辑上可以看成是包含二维图像空间和一维光谱的三维数据立方体，在图像空间中每个波段是一幅二维图像，在光谱空间中每个像素反映为一条连续光谱响应曲线，不同的物质在高光谱图像中表现为不同的辐射强度，如图1-1所示。由于高光谱遥感图像数据图谱合一的形式，它具有波段数量多、波段宽度窄的特点，所以能对同一目标地物连续成像，可以反映出目标地物的光谱特征，而多光谱遥感不具有这一特征，这也是高光谱遥感与多光谱遥感的主要区别。随着高光谱遥感技术光谱分辨率的不断提高，人们对地物光谱属性特征的认知也不断随之深入，许多隐藏在狭窄光谱范围内的地物特性逐渐被人们所发现，这些因素大大加速了遥感技术的发展，使高光谱遥感成为21世纪遥感技术领域重要的研究方向之一。

现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节，完成上述功能的全套系统称为遥感系统，其核心组成部分是获取信息的传感器。高光谱传感器的发展距今已有40余年的历史。

20世纪70年代末，Goetz等人在美国加州理工学院喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）首先提出将遥感用于成像光谱技术的研究计划，并在美国国家航空航天局（NASA）的支持下开始成像光谱仪的设计和研究。最早的航空成像光谱仪是1983年由美国喷气推进实验室研制的AIS-1，其在0.4～1.2μm波谱范围内，提供128个窄波段光谱信息，产生了一条近似完整而连续的光谱曲线，并在矿物填图、植被、化学等方面的应用中取得了成功，显示了成像光谱仪的巨大潜力。在AIS之后出现荧光线成像仪（FLI）和固体阵列光谱辐射仪（ASAS），这两种成像光谱仪主要覆盖可见光和近红外光谱区。1987年，航空可见光/红外光成像光谱仪（Airborne Visible Infra Red Imaging Spectrometer，AVIRIS）研制成功，AVIRIS是首次测量全部太阳辐射覆盖波长范围为0.4～2.5μm的成像光谱仪。与AVIRIS同一时间研制成功的成像光谱仪还有加拿大的小型机载成像光谱仪（Compact Airborne Spectrographic Imager，CASI），其光谱分辨率为1.8nm，在可见光和部分近红外区域有288个波段。1996年，由美国研制的高光谱数字实验图像仪（HYDICE）开始投入使用，它的探测范围为0.4～2.5μm，有波段宽度为3～20nm不等的210个波段。1999年12月8日第一台中分辨率成像光谱辐射计（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）搭载美国地球观测系统（Earth Observation System，EOS）的AM-1平台进入轨道，并于2000年2月完成仪器调试。经过20世纪80年代的起步和十几年的发展，一系列高光谱成像系统在国际上研制成功并在航空平台上获得广泛的应用，迄今为止，国际上已有40余套航空成像光谱仪处于运行状态。随着成像光谱硬件发展的成熟，国内外研究人员已开发出多种遥感处理软件，如加拿大的PCI和Moridian图像处理系统、美国RSI公司的ENVI（The Environment for Visualizing Images）、ERDAS IMAGE图像与可视化系统、ERMapper等。PCI的旗舰产品Geomatica目前已集成了遥感影像处理、GISI空间分析、制图和桌面数字摄影测量系统，成为一个独立的生产工作平台。ENVI是一套功能齐全的遥感图像处理系统，可以处理、分析并显示多光谱数据、高光谱数据和雷达数据。ERMapper是大型专业遥感图像处理软件，能够处理遥感图像压缩、数据网上发布等。与此同时，我国有代表性的遥感处理软件包括中国科学院遥感应用研究所的ISRA图像处理软件、北京大学的Spaceman、石油部遥感应用研究所和地矿部遥感中心开发的图像处理软件等 ^[5] 。

我国成像光谱仪的研制工作起步较早，在国家重大科技发展计划的支持下，相关研究机构和科研人员开展了高光谱成像技术的研究和成像光谱仪的研制。20世纪80年代中后期，我国开始着手发展高光谱成像系统。在自然科学基金研究的推动下，中国科学院上海技术物理研究所研制成功了我国第一台224波段的推扫式高光谱成像仪（Pushbroom Hyperspectral Imager，PHI），取得了很好的效果。自此，我国成像光谱仪的发展，经历了从多谱带扫描到成像光谱扫描，从光机扫描到面阵CCD扫描的发展过程，为陆地科学、海洋科学和大气科学、自然灾害监测、海洋环境监测、农作物估产、森林调查等方面的研究提供了强有力的支持。我国于2002年3月发射的神舟3号无人飞船中就搭载了中分辨率的成像光谱仪（CMODIS），其包含34个波段，波长范围为0.4～12.5μm。2007年我国发射了首颗探月卫星“嫦娥一号”，搭载了由中国科学院西安光学精密机械研究所研制的干涉式成像光谱仪，其主幅宽为25.6km，月表像素分辨率为200m，光谱范围为0.48～0.96μm，光谱波段数为32，标志着我国成像光谱仪的研究已经日趋成熟。2018年5月9日，我国发射了世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星，是我国高分专项中一颗重要的观测卫星，可满足环境综合监测等方面的迫切需求，是我国实现高光谱分辨率对地观测能力的重要标志。

高光谱图像较高的光谱维数和光谱分辨率为地物识别带来重大机遇的同时，也向传统图像处理算法提出了挑战。数据的急剧膨胀不但给数据的存储与传输带来了巨大的困难，同时也加剧了数据处理过程的复杂性，降低了数据处理的效率，其过多冗余特征的存在也严重影响了传统图像处理算法的精度。在训练样本有限的情况下，高光谱图像处理过程会遇到“维数灾难（Hughes）”现象 ^[6] 。为提高数据处理的效率，保障处理结果精度，通常需要对原始数据进行降维处理，选择数据中的重要波段或用较少的综合变量代替原有的波段信息，即选择或强化最具可分性的光谱波段，使得被选择的特征波段可以尽可能多地反映待测地物的特征属性。波段特征选择是一个对光谱特征空间进行降维处理的过程，它根据某种映射准则，将数据从原始特征空间投影到一个新的低维特征空间，在降维处理后的特征空间中，选择出的光谱特征可以突出地反映待测地物区别于其他地物的某一光谱属性。这种特征选择的准则主要是基于数据的光谱特征或者空间几何特征，既可以对待测地物进行光谱维特征挖掘，又可以从图像空间维进行特征挖掘。但在高光谱数据处理过程中，仅使用某些选择的波段是不够的，更重要的是获取隐藏在原始数据中的数据空间分布规则和光谱特征关系，从而进行智能化处理。

信息处理技术的快速发展，使得金融数据、医药数据、环境监察数据、地质探测数据、互联网数据的分析与解译成为亟待解决的问题。正是在这些实际问题的推动下，引起了对统计分析与机器学习研究的广泛关注，解决性质复杂、多元变量、结构烦琐、海量数据的模式识别与预测分析成为相关领域的研究热点。模式识别、数据挖掘、统计学习、核空间映射等智能处理技术的快速发展，为解决高光谱图像的非线性分类问题提供了新的思路。将传统影像信息和地物光谱信息综合起来的成像光谱思想出现后，短短的几十年内高光谱遥感图像处理已经形成了一个具有独特特色的研究领域，并孕育发展了新兴学科门类—成像光谱学 ^[5] 。

随着成像光谱技术的发展和光谱分辨率的不断提高，高光谱遥感数据能够提供更加丰富的对地观测信息，可以解决许多在单波段图像和多光谱遥感图像中难以或无法解决的问题，因而得到了国内外众多学者的广泛关注并应用于各个领域。随着传感器技术、航空和航天平台技术以及通信技术的飞速发展，现代遥感对地观测已经成为能够动态、快速、多手段提供对地观测数据的新阶段。新型的传感器能够以不同空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率观测地面。目前遥感应用正由定性向定量、静态向动态发展。遥感对地观测技术目前已广泛应用于战场情报侦察、地面目标识别、气候变化监测、臭氧层损耗监测、土地利用和植被覆盖监测、植物生长监测、灾害监测、数字地球等方面。 mzpZHV5V8S3SSr0vGE6cD4QtLSeBIKNXakThc3stG9fflXVMo8l/BmEcvfnZ6hTF