原创 成像光谱仪的原理与应用

成像光谱仪的原理与应用
摘要：论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业、林业、工业及科研、环境保护等方面的应用，对我国光谱仪 的研究发展概况作了简单介绍。
成像光谱仪是2O世纪8O年代开始在多光谱 遥感成像技术的基础上发展起来的，它以高光谱 分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、航 天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应 用，高光谱成像仪可以应用在地物精确分类、地物 识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥 感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱 数据处理的自动化和智能化水平.。由于成像光 谱仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测  电阻计| 电表| 钳表| 高斯计| 电磁场测试仪| 电源供应器| 电能质量分析仪| 多功能测试仪| 电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表|的同时获取众多连续波段的地物光谱图像，达到 从空间直接识别地球表面物质的目的，成为遥感 领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的 主要技术手段 ]。地面上采用光谱成像仪也取得 了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等 方面。本文主要简述高光谱成像仪的基本原理和 在农林环境保护等方面的应用。

1 系统工作原理与结构 高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在 一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间 像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm 左右的连续光谱覆盖。根据成像光谱仪的扫描方 式，其工作原理也不尽相同，作为光学成像仪成像 的一个例子，这里简述一下焦平面探测器推扫成 像原理_3j。
1．1 系统工作原理 焦平面探测器推扫成像原理见图1。地面物 体的反射光通过物镜成像在狭缝平面，狭缝作为 光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过，挡掉其 他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜，由物 镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上， 经色散元件在垂直条带方向按光谱色散，用会聚 镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探 测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面的水 平方向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏元 上是地物条带一个光谱波段的像；焦平面的垂直 方向是色散方向，称光谱维，每一列光敏元上是地 物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。 这样，面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方 向地物条带的光谱数据，加上航天器电源供应器| 电能质量分析仪| 多功能测试仪| 电容表| 电力分析仪| 谐波分析仪| 发生器| 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计| 的运动，以一 定速率连续记录光谱图像，就得到地面二维图像 图1 光谱成像仪数据获取 系统的结构
1．2 光谱成像仪数据获取系统构成 光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数 据采集记录系统三部分组成。 数据的回放及预处理通过专用软件在高性能 的微机上完成。软件具有如下功能：数据备份；快 速回放；数据规整和格式转换；图像分割截取；标 准格式的图像数据生成等。

2 成像光谱仪的应用 成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生 物学、医学等多个领域，对于纯定性到高度定量的 化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。如 在生物化学研究中，可以利用喇曼光谱鉴别一些 物质的种类，还可以{贝0定分子的振动转动频率，定 量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况， 并推断分子的对称性，几何形状、分子中原子的排 列，计算热力学函数、研究振动一转动拉曼光谱和 转动拉曼光谱，可以获得有关分子常数的数据。对 非极性分子，因为它们没有吸收或发射的转动和 振动光谱，振动转动能量和对称性等许多信息反 映在散射谱中。对于极性分子，通过红外光谱固然 可以获得不少分子参数的知识，但是为了得到更 完备的资料，也往往同时观测红外光谱和拉曼光 谱，它们具有不同的选择定则，可以提供互补的数 据。现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研 究工具。 l光学系统l— I信号处理端l— l数据处理l 图2 光谱成像仪数据获取系统的结构 光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类，病虫害 检测，海洋水色测量，城市规划、石油勘探、地芯地貌及军 事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景。可见 光近红外光谱范围超光谱成像仪最广阔的应用领域为植 被和海洋；植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶 绿素含量和成份，正常生长的植物有典型的光谱形状；当 生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起 反射强度比例变化和吸收光谱特征(0．68／~m)的微小位 移，这种位移的观测要求超光谱成像仪具有优于5nm 的 光谱分辨率和100以上的信噪比。在光波范围能够观测 水下状况的只有可见光，其中穿透性最好的波长范围为 0．45～0．60／~m(蓝光至黄光)，亦被称为“海洋窗口”。可见 光超光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生 物、叶绿素的分布等海况，但是获取海洋表层中悬浮体物 质在质量和数量方面的信息时，不仅需要高光谱分辨率， 而且要很高的辐射灵敏度(信噪比500以上)。
2．1 在农林业上的应用 在农林业上的应用很多，如农作物长势分析、作物类 别鉴定、病虫害防治分析、产量评估、林业资源调查、伐林 造林、森林草场调查、土地沙化、土壤侵蚀等。 2．1．1 在农业、林业中的应用 高光谱成像仪可以 用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品 种因素与品质指标之间的相关性『7]，还可以得出 环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量、沉降 值、吸水率、形成时间和稳定时间之间存在的相关 性，并利用不同品种、不同肥水条件下的作物关键 生育时期的生化参量与光谱指数进行分析，预测 预报籽粒品质。 2005年6月12日我国首次利用地物光谱仪 高空监测小麦条锈病5。在位于昌平小汤山的“国 家精准农业研究示范基地”小麦实验田，国家自然 科学基金项目研究的“基于3S技术的小麦条锈病 监测预警”采用热气球进行近地遥感监测小麦条 锈病初步获得成功，这在我国尚属首次。这项研究 以小麦条锈病为对象，根据全球定位系统(GPS) 的精确定位，利用地理信息系统(GIs)研究其大 区流行规律，利用遥感(Rs)技术探索其实时监测 新途径(合称3S技术)，期望最终构建基于网络的 小麦条锈病监测预警信息系统，这项成果将为政 府部门制订小麦条锈病防治决策方案提供科学依 据，也为信息技术在植物病害研究中的应用提供 新的方法借鉴。 项目研究的成功将会促进我国重大农作物病 害监测与预警系统的规范化和实用化，实现病害 大流行早知道，保障粮食生产，增加农民收入，缩 小我国植物病害监测预警技术与国际前沿水平的 差距。
2．2．2 农业作物长势监测 主要利用红外波段 和近红外波段的遥感信息，得到的植被指数(ND— VI)与作物的叶面积指数和生物量正相关5。利用 NDVI过程曲线，特别是后期的变化速率预测冬 小麦产量的效果很好，精度较高。在农业应用中， 通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥感， 来及时(平均2天～ 3天一次)地提供农作物长 势、水肥状况和病虫害情况，称之为“征兆图” (Symptom Maps)，供诊断、决策和估产等使用。 为了实时地获取数据，需要反复利用航空遥感或 利用各个小卫星建立全球数据采集网。 高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有 待解决，如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标 志研究，遥感与GIS的集成对作物胁迫作用的诊 断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的 空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥 感定量关系。为了解决上面的理论和应用问题，需 要抓住高光谱、高分辨率、雷达遥感等技术手段和 “三S”集成技术等关键技术。 对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷 量等生物物理参数进行分析和估算。在精准农业 研究中，高光谱遥感具有广阔的应用前景。比如可 以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参 数，就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的 生物和农学参数的反演。这种研究可以用来研究 生态系统过程，如光合作用、C、N循环等，也可以 用来对生态系统进行描述和模拟。 最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的 光谱特征农学遥感机理，将其应用于遥感估产，做 到对农作物生长势的动态监测、病虫害的早期诊 断和产量的早期预报。可以用于农业自然灾害 (水、旱、火、虫、病等)的遥感实时动态监测和损失 评估，主要农作物的长势、播种面积的监测和产量 预报以及草地估产、草畜平衡估算，进行农业自然 资源与环境的动态监测与评估，进行全国耕地变 化的遥感动态监测。
2．2 环境监测 环境监测主要应用在1．石化工业：如对油 品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析等，还可 对其有害元素含量是否超标进行分析监测；2．生 态环保：污水或水中有害金属分析，植物中残余无 机元素的分析；3．建筑、建材工业：结合城市地物 和人工目标的检识等，对水泥、玻璃及耐火材料分 析。
2．3 自然灾害和灾情评估 目前我国在加紧研制的环境灾害监测卫星， 计划在2005年前研制出由两个光学卫星和一个 雷达卫星组成的小卫星星座。在2010年前研制出 由四个光学卫星和4个雷达卫星组成的小卫星星 座，开展对环境和灾害全天时、全天候的监测。自 然灾害监测和灾情评估可以包括很多种，如洪涝、 干旱、雪灾、森林大火、地震、海洋状况等。 赤潮是指海洋微藻、细菌和原生动物在海水 中过度增殖或聚集致使海水变色的一种现象。随 着经济发展，沿海富营养化加剧，近年来赤潮的频 繁发生和规模的不断扩大，破坏了渔业资源和海 产养殖业，赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安 全。2002年我国海域共发现赤潮79次，累计面积 超过10，000平方公里，直接经济损失2300万元。 利用机载高光谱成像仪，获得了赤潮爆发现场8G 高光谱数据，“逮”到了赤潮。通过海监船的现场取 样和事后数据分析，上海技物所高光谱成像仪利 用赤潮种类鉴别软件，数据质量良好，很好地反映 了赤潮光谱特性。所以，利用高光谱成像仪获得的 数据，可以迅速对赤潮做出反应，有利于赤潮的及 早发现、分类、控制和治理，从而减小赤潮的危害。 2004年7月上旬，我国某地附近海域爆发大 规模赤潮，有关部门请中科院上海技术物理研究 所紧急调拨机载推扫式高光谱成像仪(PHI)到现 场探测。经科研人员连夜对仪器进行标定、测试和 装箱，第二天即携带PHI，乘坐航空公司的班机赶 赴目的地，并及时将仪器装载于海监飞机上。监测 数据质量良好，很好地反映了赤潮光谱特性，对赤 潮的反应可以达到实用目的。
2．4 海洋资源普查 利用光谱成像仪可获得海陆相互作用区域的 高分辨率图像，可以兼顾海洋和陆地的需求，目前 高光谱成像仪已经应用于我国海岸带重点地区 (黄河口、长江口和珠江口)的资源和植被调查、海 岸带动态监测，以及海岸带变迁的长期研究『8]。 叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营 养化、赤潮等密切相关的指标，同时，也是研究全 球气候变化的重要依据。目前利用高光谱成像仪 已能够较准确地确定大洋和远海的叶绿素分布， 但近岸水体的叶绿素分布的反演精度还需进一步 提高。
美国研制出一台结构紧凑简单的海底高光谱 成像仪，解决了由于海水吸收和散射作用使得海 底物质显现受阻的难题。这台海底高光谱成像仪 可同水下运载工具或底部装有玻璃视窗的船只一 起使用，使用时，可对海底进行线性扫描，以获取 标准的图像。 2002年3月，我国神舟3号载中等分辨率成 像光谱仪(CMODIS)上天运行。CMODIS运行在 343±5km 高空，地面分辨率为400 500m，重复 覆盖周期为2天，测绘带宽为65O一700km，有34 个波段，波长范围在0．4～12．5mm(图版2)。在 2002年12月的神舟4号飞行中，载有微波辐射 计、雷达高度计和雷达散射计组成的多模态微波 传感器。此次试验，在世界上首次实现了三种观测 方式在统一监控下的同时工作，还首次采用了扫 描天线的方式来观测海洋的风向和风速，获取的 数据对进一步掌握风场、海浪动力环境和海气能 量的转换，分析海洋灾害、资源等方面都会产生重 要的作用。 中国科学院所研制的高技术产品“轻型机载 高光谱分辨率成像遥感系统”已与马来西亚签署 出口协议，将于2005年底交付马来西亚国家遥感 中心 。
该系统是当今空间遥感技术中最具前沿性的 先进光学遥感器，可适应国民经济不同领域的遥 感需求，包括为国家宏观决策提供所需基础国情 信息服务、为市场需求的各类专业应用服务、为发 展航天遥感器提供试验平台以及为生态、环境、大 气、海洋遥感等社会公益应用服务等。这个光学成 像系统多次服务于国际遥感应用项目，通过与美 国、法国等高技术企业的竞争获得出口马来西亚， 是中国此类高技术产品的首次出口，从而实现中 国高光谱成像仪器进入国际市场零的突破。专家 称，这将为中国高技术的对外合作交流提供新的 发展空间，也会提升中国高光谱遥感技术的国际 地位。

3 结语 除了以上实际应用外，目前高光谱成像仪在 自然科学的大部分领域起着主要的作用。随着面 阵探测器阵列制造技术的进一步提高，一些新型 的成像光谱技术得到了应用，具有这些技术的光 谱仪更具有可靠性和稳定性的特点，并且体积小、 重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更 宽。这种光谱成像仪将会成为新一代光谱成像仪 的代表，科学研究人员也会对此类光谱仪投入更 多的关注而使其得到更广泛的应用。