出版日期:2016-09-25点击次数：下载次数：DOI:10.11834/jrs.201662642016|Volumn20|Number5
高光谱成像技术具有光谱分辨率高、图谱合一的独特优势，是遥感技术发展以来最重大的科技突破之一。中国的高光谱遥感发展与国际基本同步，在国家和省部级科研项目的支持下，解决了高光谱遥感信息机理、图像处理和多学科应用等方面多项世界性难题，有效解决了高光谱遥感理论研究与多领域应用中的关键技术瓶颈，实现了在农业、地矿、环境、文物保护等多领域的成功应用，产生了显著的社会经济效益。本文回顾了中国高光谱遥感技术的前沿研究进展，总结分析了取得的主要创新性成果。
高光谱遥感,成像光谱,遥感技术,传感器,信息提取,遥感应用
HyperspectralRemoteSensing(HRS),alsoknownashyperspectralimaging,hasbeenconsideredoneofthegreatestbreakthroughsintheremotesensingscienceandtechnology,attributedtoitsuniqueadvantagesinveryhighspectralresolutionsaswellasallowingforthesynchronousacquisitionofbothimagesandspectraofobjects.China,asoneofthepioneersinHRStechnologydevelopment,hasmadegreatachievementsinbothhypersepctralimageprocessingandsubsequentapplicationstorealworldproblemsunderthesupportsofnationalandministerialandprovincial-levelgovernments.Theseadvanceshavebridgedthegapbetweenthemostadvancedtheoreticalcontributionsandtheiractualuseinanumberofapplicationsincludingagriculture,mineralandenergyresourceexploration,environment,preservationofculturalrelics,producingreallyrareandinvaluablesocietalandeconomicalimpacts.ThispaperreviewscurrentprogressesinHRSinChina,presentingmaininnovativeachievements.
hyperspectralremotesensing,imagingspectroscopy,remotesensingtechnology,sensor,informationextraction,remotesensingapplications
中国高光谱遥感技术从20世纪80年代以来，几代人的不懈努力，从蹒跚起步到蓬勃发展、从探索研究到开展应用，始终和国际保持同步发展步伐。然而，纵观中国乃至世界的高光谱遥感技术及其应用水平，特别是和传统摄影测量遥感和多光谱遥感相比，其应用范围的广度和应用层次的深度还都存在明显差距。造成这种差距的主要原因主要表现在以下两方面：
(1)“无源之水”之困。从高光谱遥感技术诞生以来，主要的数据获取方式是依靠有人航空飞机平台，世界上第一颗实用的高光谱卫星是2000年的Hyperion卫星，目前在轨的高光谱遥感卫星尚未形成运行化的全球获取能力。航空数据获取实施难度大、覆盖范围小；航天在轨卫星少，且卫星分辨率低、重访周期长，航空航天这种高成本、低频率获取数据的能力是高光谱遥感发展的瓶颈所在，“无源之水”也就是高光谱遥感技术和应用发展的最大困境。
(2)“曲高和寡”之忧。高光谱遥感在应用模型方面，过于依靠地面反射率数据。然而从航天卫星或航空高光谱遥感数据到地面反射率数据，需要经历从原始数据到表观反射率、再到地面反射率的复杂过程，涉及到遥感器定标、大气校正等一系列复杂处理过程，特别是大气校正有时候还需要同步的观测数据，这种处理的复杂性把高光谱遥感变得“曲高和寡”，很多应用部门对高光谱遥感技术望而却步，其结果是极大阻碍了高光谱遥感应用拓广。
如何破解这两方面的问题，降低高光谱遥感的数据获取、处理、信息提取与应用等方面的门槛，便构成为了高光谱遥感的前沿科学问题。
在高光谱遥感信息机理研究方面，面临三大基础性问题，分别为地物微观结构光谱数据采集手段缺乏，地物全谱段和配套参量作用机制不清以及遥感器指标论证技术缺乏等。围绕上述3个关键问题，国内外学者开展了系列创新研究。
(3)作物全生育期光谱库：创建的中国首个面向精准农业的典型作物全生育期光谱数据库，包括1500多组数据、全生育期光谱及配套理化与环境参数。开发了高光谱数据库系统，体现高光谱图谱合一特性，综合了光谱数据库、光谱分析功能和数据挖掘功能于一体的专用数据库系统。
高光谱数据具有波段数多、波段宽度窄、数据量庞大等特点，无论是星载、机载还是地面高光谱数据的获取始终是一个难题。目前还没有业务化的星载高光谱传感器，机载高光谱也面临着几何与辐射校正困难等问题，实用化的系统也不多见，地面成像光谱系统在经过近20年的发展，目前有着长足的进步。
与传统多光谱遥感数据相比，高光谱遥感数据具有波段多，光谱分辨率高、空间分辨率低等特点，这使得高光谱遥感图像面临着诸多问题，例如：像元内部地物混杂、噪声干扰、目标探测虚警率高等。针对这些核心问题，开展了关键技术攻关，发展了系列创新算法模型。
受传感器成像能力的制约，高光谱遥感数据普遍存在空间分辨率低、重访周期长和覆盖范围小的问题。利用高光谱图像融合技术，结合高空间分辨率数据的空间信息，能够有效提升高光谱数据的空间分辨能力。与传统的多光谱图像融合不同，针对高光谱数据的融合技术，不但要求在空间分辨率上有显著提高，而且还应尽可能保持原始数据的高光谱特征，满足光谱解译的应用需求。
针对推扫式成像光谱仪，在当前所获取的行数据中进行多次随机采样应用于背景估计，由于样本数量较小，背景信息估计耗时低，同时通过QR分解对背景矩阵进行快速压制，实现逐行实时异常目标探测。
在遥感分类中，地物(特别是植被)类型丰富且光谱相似，高光谱数据相对于多光谱数据具有较高的光谱分辨率，能够更为全面、细致的获取地物光谱特征及其差异性，从而大幅度提高地物分类的类别精细度和准确度。但是，高光谱遥感精细分类中主要存在以下问题：第一、高光谱数据成百上千的光谱波段带来了巨大的运算量，分类Hughes现象不容忽视，而且对监督分类中训练样本的需求也大幅增加；第二、随着传感器空间分辨率的提高，分类结果中椒盐噪声严重影响分类结果的应用。
式中，B为Bhattachryya距离，ui和uj分别是类别i与类别j图像变量的均值矢量，Ci和Cj分别是类别i与类别j在波段子集上的协方差矩阵。
式中，JM为J-M距离，p(x/Wi)为条件概率密度，也就是第i个像元属于第Wi个类别的概率。
此外，还提出基于邻域光谱角距离的植被特征库空间维优化方法，对空间维进行滤波优化的同时，充分利用了植被光谱维特点。在有训练样本的情况下，该算法可基于训练样本自动选定阈值进行计算，在无训练样本的情况下，也可以根据用户手动设置阈值进行计算。
HIPAS(HyLab)系统集成了自主创建的系列模型算法，包括光谱图像工具箱19个，光谱特征分析算法15种，像元解混算法9种，高光谱图像分类算法15种，高光谱图像目标探测算法8种，具有面向多种应用领域的专业模块，被欧盟行业调研报告列为国际六大顶尖高光谱图像处理软件之一。
植被是生物多样性的重要组成部分。植被遥感，从小的层面上，包括杂草识别、作物分类及长势监测等；从大的层面上，它关系到区域的生态评价、国家的粮食安全以及全球的气候变化。高光谱遥感应用于植被参数反演研究主要包括：生化组分参数反演，如叶绿素Chls(Chlorophylls)，类胡萝卜素Cars(Carotenoids)以及氮素N(Nitrogen)等；生物物理参数反演，如叶面积指数LAI(LeafAreaIndex)；植被与环境相互作用因素反演，如光合有效辐射FPAR(FractionofabsorbedPhotosyntheticallyActiveRadiation)。
自20世纪80年代高光谱遥感技术诞生以来，中国紧跟前沿技术发展，不断创新并持续快速发展，始终与国际保持同步发展步伐，在高光谱遥感理论、机理与技术验证机典型应用等方面均取得了创新性成果，并已在农业、地矿、环境、文物保护等多领域得到了成功应用，产生了显著的社会经济效益。
然而，纵观中国乃至全世界范围的高光谱遥感的应用情况，由于技术起步较晚、数据规模化获取效率低、数据处理复杂度高等原因，导致高光谱遥感技术的应用广度和深度相对多光谱遥感明显落后，现阶段的应用还局限在专业人员主导下的范围，普通大众难以享受高光谱遥感技术快速发展所带来的便利。
另外，大数据、云计算等新兴技术的出现，特别是互联网快速发展所产生的服务模式变革，为高光谱遥感技术快速向各个行业拓展应用提供了发展机遇。借助互联网平台和云服务技术，构建高光谱遥感应用云服务平台，在专业人员和普通大众之间建立一条桥梁，把专业人员在高光谱数据处理和信息提取方面的技术与用户对具体生产和应用的需求通过网络平台结合起来，实现产学研的真正结合；同时，借助“互联网+”的服务模式和理念，面向行业形成包括数据获取与处理，信息提取和应用的整套解决方案，并建立基于互联网的应用拓展渠道，将有利于推动高光谱遥感便捷地服务于大众。