高光谱成像仪的发展

遥感技术出现之后, 在探测器技术提高的基础上, 首先在美国出现了将影像与光谱探测融合为一体的思路。20世纪80年代初期, 童庆禧(遥感学家、中国科学院院士、国际欧亚科学院院士，中国科学院遥感与数字地球研究所研究员)等与美国JPL专家安·卡尔的交流中了解了这一思路, 并与中国科学院上海技术物理研究所薛永祺研究了这一新型遥感技术实现的可能, 这也是我国开展高光谱遥感技术研究的起源, 相关研究工作为我国后来开展的成像光谱技术研究奠定了重要基础。高光谱成像仪作为新一代传感器, 能够获取连续窄波段的光谱信息, 从而识别出具有诊断性波谱的地物。现有的高光谱传感器主要是航天高光谱传感器、航空高光谱传感器、地面高光谱成像仪及无人机载高光谱成像载荷, 搭载在包括卫星、飞机、无人机和地面工作平台等不同高度的遥感平台上。

无人机高光谱的树种分类识别

自1980年以来, 航空高光谱传感器已经得到很大发展, 并且在水质监测、叶面积指数监测等研究中进入实用阶段。1988年文献利用航空成像光谱仪AIS图像数据进行矿物探测识别并制图, 该研究成果的发表代表着利用遥感手段获取地物目标的连续光谱信息的开始。在AIS的基础上发展起来的机载可见光-红外成像光谱仪AVIRIS于1987年开始投入飞行使用, 此后经过了多次升级改造。与此同时, 一些发达国家也开始研制成像光谱仪。在AIS和AVIRIS的基础上, 相关研究人员研制了各式各样的航空高光谱成像仪, 如加拿大的CASI传感器及澳大利亚的机载成像光谱仪Hymap等。为了推进我国成像光谱技术的发展, 2002年租用了Hymap进行了一系列包括仪器飞行、数据获取处理及应用研究的工作。我国在成像光谱仪方面也取得较大进展, 20世纪80年代后期研制和发展了航空成像光谱仪MAIS, 此后上海技术物理研究所又自行研制了推帚式成像光谱仪PHI系列及实用型模块化成像光谱仪OMIS。长春光机所研制了高分辨率成像光谱仪C-HRIS, 并于2011年研制无人机载高光谱成像仪, 目前已投入实际应用。

航天高光谱成像技术是在机载成像光谱技术的基础上发展起来的, 机载高光谱成像仪的应用实践为航天高光谱成像仪的研制工作奠定了基础。20世纪90年代, 航天光谱成像仪的发展已经成为一个热门课题, 受到国际的广泛关注。美国的中分辨率成像光谱仪MODIS、Hyperion成像光谱仪、超光谱成像仪试验相机FTHSI, 欧洲环境卫星上搭载的MERIS及CHRIS卫星相继发射升空, 宣告航天高光谱时代的到来。其中2000年美国成功发射的Hyperion成像仪为高光谱遥感研究获取了大量珍贵的数据, 具有里程碑意义。我国于2008年发射了HJ-1A卫星, 这是国内第一颗高光谱仪成像卫星。2011年长春光机所和上海技术物理所共同研制的高光谱成像仪搭载于“天宫一号”目标飞行器升空。长春光机所目前开展我国首台“高光谱与高空间分辨率CO2探测仪”的研制工作, 该项目的研制将填补我国星载高光谱温室气体探测仪的空白。2018年5月发射的“高分5号”卫星是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。

近年来, 随着无人机的发展, 基于无人机的高光谱成像载荷也得到快速发展, 出现了一系列无人机载高光谱成像仪, 这些成像设备一般可应用于地面试验研究。此外, 利用非成像光谱仪在野外或实验室测量各种地物的光谱反射率、透射率及其他辐射率, 可帮助理解各种地物的光谱特性, 提高不同种类遥感数据的分析应用精度, 还可以模拟和定标一切成像光谱仪在升空之前的工作性能, 如确定传感器测量光谱范围、波段设置和评价遥感数据等。

基于不同遥感平台的高光谱成像仪各有优缺点, 总体而言, 航空光谱仪相较于卫星遥感成本高; 航天光谱成像仪的幅宽大, 覆盖面积广, 但空间分辨率较低, 时效性差, 可使用的高光谱卫星数据很少, 不能满足当前的研究需求; 地面光谱成像仪虽然成本较低, 但是灵活性也低, 在野外试验过程中会造成人力物力的极大浪费。而无人机载高光谱成像仪因其机动灵活、时效性高等优点得到大力发展。高光谱成像仪的发展过程及各阶段的特点如图所示。