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(hù)等方面的應(yīng)用，對(duì)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(jì)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(biāo)的高光譜圖像，在航空、航 天器上進(jìn)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(shí)別、地物特征信息的提取。建立目標(biāo)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(dòng)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(duì)地觀測  電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 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(yàn)電筆| 示波表|的同時(shí)獲取眾多連續(xù)波段的地物光譜圖像，達(dá)到 從空間直接識(shí)別地球表面物質(zhì)的目的，成為遙感 領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，正在成為當(dāng)代空間對(duì)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(hù)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(hù)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(shí)并對(duì)每個(gè)空間 像元色散形成幾十個(gè)到上百個(gè)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(gè)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(biāo)物的輻射能通過指向鏡，由物 鏡收集并通過狹縫增強(qiáng)準(zhǔn)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(huì)聚 鏡會(huì)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(gè)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(gè)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(gè)穿軌方 向地物條帶的光譜數(shù)據(jù)，加上航天器的運(yùn)動(dòng)，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(hào)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(jī)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��；標(biāo) 準(zhǔn)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(gè)領(lǐng)域，對(duì)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(jià)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)稱性，幾何形狀、分子中原子的排 列，計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)、研究振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜和 轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜，可以獲得有關(guān)分子常數(shù)的數(shù)據(jù)。對(duì) 非極性分子，因?yàn)樗鼈儧]有吸收或發(fā)射的轉(zhuǎn)動(dòng)和 振動(dòng)光譜，振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能量和對(duì)稱性等許多信息反 映在散射譜中。對(duì)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(shí)，但是為了得到更 完備的資料，也往往同時(shí)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(bǔ)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(hào)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(biāo)識(shí)別等方面也有很廣泛和深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。可見 光近紅外光譜范圍超光譜成像儀最廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹?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(dāng) 生長不良、病蟲害、地下金屬礦物誘導(dǎo)病變等因素會(huì)引起 反射強(qiáng)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(lán)光至黃光)，亦被稱為“海洋窗口”�？梢� 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(shí)，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(píng)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(duì)小麥品質(zhì)的影響程度以及品 種因素與品質(zhì)指標(biāo)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(shí)間和穩(wěn)定時(shí)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(shí)期的生化參量與光譜指數(shù)進(jìn)行分析，預(yù)測 預(yù)報(bào)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地”小麥實(shí)驗(yàn)田，國家自然 科學(xué)基金項(xiàng)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(jìn)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(xiàng)研究 以小麥條銹病為對(duì)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(shí)時(shí)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(xiàng)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(xiàng)目研究的成功將會(huì)促進(jìn)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(shí)用化，實(shí)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(shí)(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(shí)時(shí)地獲取數(shù)據(jù)，需要反復(fù)利用航空遙感或 利用各個(gè)小衛(wèi)星建立全球數(shù)據(jù)采集網(wǎng)。 高光譜遙感與精準(zhǔn)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(jī)理和遙感標(biāo) 志研究，遙感與GIS的集成對(duì)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(shí)際分布的 空間差異性機(jī)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(dá)遙感等技術(shù)手段和 “三S”集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。 對(duì)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(jìn)行分析和估算。在精準(zhǔn)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(duì)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)理，將其應(yīng)用于遙感估產(chǎn)，做 到對(duì)農(nóng)作物生長勢的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、病蟲害的早期診 斷和產(chǎn)量的早期預(yù)報(bào)。可以用于農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害 (水、旱、火、蟲、病等)的遙感實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和損失 評(píng)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(bào)以及草地估產(chǎn)、草畜平衡估算，進(jìn)行農(nóng)業(yè)自然 資源與環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測與評(píng)估，進(jìn)行全國耕地變 化的遙感動(dòng)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(duì)油 品、塑料、添加劑、催化劑等中的元素分析等，還可 對(duì)其有害元素含量是否超標(biāo)進(jìn)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(jī)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(biāo)的檢識(shí)等，對(duì)水泥、玻璃及耐火材料分 析。
2．3 自然災(zāi)害和災(zāi)情評(píng)估 目前我國在加緊研制的環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測衛(wèi)星， 計(jì)劃在2005年前研制出由兩個(gè)光學(xué)衛(wèi)星和一個(gè) 雷達(dá)衛(wèi)星組成的小衛(wèi)星星座。在2010年前研制出 由四個(gè)光學(xué)衛(wèi)星和4個(gè)雷達(dá)衛(wèi)星組成的小衛(wèi)星星 座，開展對(duì)環(huán)境和災(zāi)害全天時(shí)、全天候的監(jiān)測。自 然災(zāi)害監(jiān)測和災(zāi)情評(píng)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(xì)菌和原生動(dòng)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(jì)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(kuò)大，破壞了漁業(yè)資源和海 產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，赤潮毒素也嚴(yán)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(jì)面積 超過10，000平方公里，直接經(jīng)濟(jì)損失2300萬元。 利用機(jī)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(duì)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(qǐng)中科院上海技術(shù)物理研究 所緊急調(diào)撥機(jī)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(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定、測試和 裝箱，第二天即攜帶PHI，乘坐航空公司的班機(jī)趕 赴目的地，并及時(shí)將儀器裝載于海監(jiān)飛機(jī)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(duì)赤 潮的反應(yīng)可以達(dá)到實(shí)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(diǎn)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(dòng)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(jí)生產(chǎn)力、海水富營 養(yǎng)化、赤潮等密切相關(guān)的指標(biāo)，同時(shí)，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(zhǔn)確地確定大洋和遠(yuǎn)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(jìn)一步 提高。
美國研制出一臺(tái)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(tái)海底高光譜成像儀 可同水下運(yùn)載工具或底部裝有玻璃視窗的船只一 起使用，使用時(shí)，可對(duì)海底進(jìn)行線性掃描，以獲取 標(biāo)準(zhǔn)的圖像。 2002年3月，我國神舟3號(hào)載中等分辨率成 像光譜儀(CMODIS)上天運(yùn)行。CMODIS運(yùn)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(gè)波段，波長范圍在0．4～12．5mm(圖版2)。在 2002年12月的神舟4號(hào)飛行中，載有微波輻射 計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)和雷達(dá)散射計(jì)組成的多模態(tài)微波 傳感器。此次試驗(yàn)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了三種觀測 方式在統(tǒng)一監(jiān)控下的同時(shí)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(duì)進(jìn)一步掌握風(fēng)場、海浪動(dòng)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(huì)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(jī)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(dāng)今空間遙感技術(shù)中最具前沿性的 先進(jìn)光學(xué)遙感器，可適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)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(yàn)平臺(tái)以及為生態(tài)、環(huán)境、大 氣、海洋遙感等社會(huì)公益應(yīng)用服務(wù)等。這個(gè)光學(xué)成 像系統(tǒng)多次服務(wù)于國際遙感應(yīng)用項(xiàng)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(shí)現(xiàn)中 國高光譜成像儀器進(jìn)入國際市場零的突破。專家 稱，這將為中國高技術(shù)的對(duì)外合作交流提供新的 發(fā)展空間，也會(huì)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(shí)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(jìn)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(diǎn)，并且體積小、 重量輕、光譜分辨率高、實(shí)時(shí)性更好、光譜范圍更 寬。這種光譜成像儀將會(huì)成為新一代光譜成像儀 的代表，科學(xué)研究人員也會(huì)對(duì)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。