所謂高光譜遙感，即高光譜分辨率遙感，指利用很多很窄的電磁波波段（通常＜10 nm）從感興趣的物體獲取有關數據；與之相對的則是傳統的寬光譜遙感（通常＞100nm）且波段並不連續。高光譜圖像是由成像光譜儀獲取的，成像光譜儀為每個像元提供數十至數百個窄波段光譜信息，產生壹條完整而連續的光譜曲線。它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質，在高光譜中能被探測。
近20年來，高光譜遙感技術迅速發展，它集探測器技術、精密光學機械、微弱信號檢測、計算機技術、信息處理技術於壹體，已成為當前遙感領域的前沿技術之壹。
1.2.1 高光譜遙感的起源和發展
隨著基礎理論和材料科學的不斷進步，近20年來，高光譜遙感技術迅速發展，已成為除雷達遙感、激光遙感、超高分辨率遙感等技術以外，當前遙感領域的又壹重要研究方向。
1.2.1.1 國外的高光譜成像儀研制情況
由於高光譜遙感在地物屬性探測方面的巨大潛力，成像光譜技術得到了普遍重視。
（1）機載高光譜成像儀
1983年，第壹幅高光譜影像由美國研制的航空成像光譜儀（AIS-1）獲取，標誌著第壹代高光譜成像儀的面世。1987年，美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）研制成功航空可見光/紅外成像光譜儀（AVIRIS），這標誌著第二代高光譜成像儀的問世。
（2）星載高光譜成像儀
在航天領域，由美國噴氣推進實驗室研制的對地觀測計劃中的中分辨率成像光譜儀（MODIS），隨TER2RA衛星發射，成為第壹顆在軌運行的星載成像光譜儀，從2000年開始向地面傳送圖像。
2000年，NASA發射的EO21衛星上搭載的高光譜成像儀（Hyperion），地面分辨率為30m，已在礦物定量填圖方面取得了很好的應用效果。2002年美國的海軍測繪觀測（NEMO）衛星攜帶的海岸海洋成像光譜儀（COIS）具有自適應性信號識別能力，滿足軍用和民用的不同需求。另外，2007年6月交付美Kirtland空軍基地的高光譜成像傳感器將通過Tac2Sat23衛星載入太空。
目前，許多國家都在積極研制自己的高光譜傳感器，已明確有發射計劃的有德國環境監測與分析計劃的EnMAP，南非的多傳感器小衛星成像儀MSMI和加拿大高光譜環境與資源觀測者HERO。
1.2.1.2 國外高光譜影像分析技術的研究現狀
在成像光譜儀快速發展的同時，地物光譜數據庫、高光譜影像分析技術研究也得到了迅速發展。
地物光譜數據庫技術方面，以美國最為先進，有代表性的主要有JPL標準波譜數據庫、USGS波譜數據庫、ASTER波譜數據庫和IGCP2264波譜數據庫。此外，美國空軍部門和環保局針對大氣汙染和空氣成分的診斷建立了AEDC/EPA光譜數據庫，並針對美國海軍研究室研制的HYDICE成像光譜儀建立了森林高光譜數據庫等。部分其他國家也展開了光譜數據庫技術研究和建設工作，如英國在20世紀90年代初針對海水顏色研究建立了海水光譜數據庫。
美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）、日本國家空間發展局（NASDA）和大學及研究所都有專門的高光譜影像應用分析的研究機構。
國外商業遙感圖像處理系統，相繼增加成像光譜數據處理模塊，其中具有代表性的有RSI公司的ENVI，PCI Geomatics公司的PCI，MicroImages公司的TNTmips等。
1.2.1.3 國內高光譜遙感技術發展現狀
我國緊密跟蹤國際高光譜遙感技術的發展，並結合國內不斷增長的應用需求，於20世紀80年代中後期著手發展自己的高光譜成像系統。主要的成像光譜儀有中國科學院上海技術物理研究所研制的推掃式成像光譜儀（PHI）系列、實用型模塊化成像光譜儀（OMIS）系列、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制的高分辨率成像光譜儀（C2HRIS）和西安光機所研制的穩態大視場偏振幹涉成像光譜儀（SLPIIS）。中國科學院上海技術物理研究所研制的中分辨率成像光譜儀（CMODIS）於2002年隨“神舟”三號發射升空，並成功獲取航天高光譜影像，其獲取影像從可見光到近紅外***30個波段，中紅外到遠紅外的4個波段，空間分辨率為500 m。
2007年10月發射的“嫦娥1號”衛星已攜帶中國科學院西安光學精密機械研究所研制的幹涉成像光譜儀升空，用於獲取月球表面二維多光譜序列圖像及可分辨地元光譜圖，通過與其他儀器配合使用對月球表面有用元素及物質類型的含量與分布進行分析，獲得的數據用於編制各元素的月面分布圖。
從2007年到2010年，我國將組建環境與災害監測預報小衛星星座，將攜帶超光譜成像儀，采用0.45～0.95μm波段，平均光譜分辨率為5nm，地面分辨率為100m。
我國在積極研制具有自主知識產權的成像光譜儀的同時，在地物光譜數據技術、高光譜影像分析技術等方面的研究中也取得了壹系列可喜的成果。
20世紀90年代初期，中國科學院安徽光學精密機械研究所、遙感所等單位對大量的典型地物進行了波譜采集，建立了我國第壹個綜合性“地物波譜特性數據庫”。1998年，中國國土資源航空物探與遙感中心建立了“典型巖石礦物波譜數據庫”，其中包含了我國主要的典型巖石和礦物500 余種。2000年，中國科學院遙感所基於GIS和網絡技術研制了典型地物波譜數據庫及其管理系統，記錄了10000多條地物波譜，並能動態生成相應的波譜曲線和遙感器模擬波段，實現了波譜數據庫與“3 S”技術的鏈接。
1.2.2 高光譜成像儀簡介
1.2.2.1 國外高光譜成像儀系統介紹
（1）航空高光譜成像儀
1983年，世界上第壹臺成像光譜儀AIS-1（Aero Imaging Spectrometer-1）在美國噴氣推進實驗室研制成功，並成功應用於植被研究、礦物填圖等方面，向世界展示了高光譜成像技術具有的潛力。此後，美國機載先進的可見光紅外成像光譜儀（AVIRIS）、加拿大的熒光線成像光譜儀（FLI）和在此基礎上發展的小型機載成像光譜儀（AIS）、美國Deadalus公司的MIVIS，GER公司的79波段機載成像光譜儀（ROSIS-10 和 ROSIS-20）、美國海軍研究所實驗室的超光譜數字圖像采集試驗儀（HYDICE）先後研制成功（表1.1）。
表1.1 國外主要的機載高光譜成像儀信息
近年來，成像光譜技術在資源調查、農作物長勢、病蟲害、土壤狀況、地質勘查等方面的成功應用讓世界各國看到了這項新技術的巨大前景與潛力，世界上壹些有條件的國家競相投入到成像光譜儀的研制和應用中來。各國在研制的同時紛紛參考已有成像光譜儀的先進技術，使得新研制的系統在繼承了老系統各種優勢的同時，很多方面得到了進壹步的提高，在穩定性、探測效率、綜合性能等方面均得到了很大的進步。其中，具有代表性的有美國的Probe、澳大利亞的HyMap、美國GER公司為德士古（TEXACO）石油公司專門研制的TEEMS系統等。
Probe-1和Probe-2是Earth Search Sciences公司開發的另壹個有影響的航空成像光譜儀系統，該系統在0.4～2.5μm區有128個波段，光譜分辨率為18 nm。
HyMap即“高光譜制圖儀”（hyperspectral mapper）的簡稱，是以澳大利亞Intergrated Spectronics公司為主研制的。HyMap在0.25～0.45μm光譜範圍有126個波段，同時在3～5μm和8～10μm兩個波長區設置了兩個可供選擇的波段，***有128個波段。其數據在光譜定標、輻射定標和信噪比等方面都達到了較高的性能，總體光譜定標精度優於0.5 nm；短波紅外波段（2.0～2.5μm）的信噪比都高於500∶1 ，有的波段其信噪比甚至高達1000∶1。
TEEMS是德士古能源和環境多光譜成像儀（Texaco energy ＆ environmental multispectral imaging spectrometer）的簡稱。這是壹臺由美國地球物理和環境研究公司（GER）應德士古的技術要求與德士古的專家合作專門研制的具有200 多個波段、性能十分先進的實用型高光譜成像儀。該系統在紫外、可見光、近紅外、短波紅外、熱紅外波段等波譜均具有成像能力，從而在石油地質勘探特別是在勘探與油氣藏有關的特征中具有很大潛力。
近年來熱紅外成像光譜儀已有了實質性的進展。最具有代表性的是美國宇航公司研制的空間增強寬帶陣列光譜儀系統（spatially enhanced broadband array spectrograph system，SEBASS）。SEBASS有兩個光譜區：中紅外，3.0～5.5μm，帶寬為0.025μm；長波紅外，7.8～13.5μm，帶寬為0.04μm。它在中波紅外區和長波紅外區分別有100個、142個波段；所使用的探測器為兩塊128*128的Si：As焦平面，有效幀速率為120Hz，溫度靈敏度為0.05℃，信噪比＞2000。熱紅外成像光譜儀為更好地反映地物的本質提供了珍貴的數據，已經被應用於探礦、地質填圖、環境監測、農林資源制圖、植被長勢等諸多領域。
（2）航天高光譜成像儀
美國先後研制出中分辨率成像光譜儀（MODIS），EO-1高光譜衛星，並與日本合作研制出的先進星載熱發射反射輻射計（advanced satellite thermal emission/reflection radiometer）以及美國軍方的“Might-Sat”高光譜衛星，在航天成像光譜技術研究方面壹直在世界遙遙領先。
MODIS是EOS-AM1衛星（1999年12月發射）和EOS-PM1（2002年5月發射）上的主要探測儀器——中分辨率成像光譜儀，也是EOS Terra平臺上唯壹進行直接廣播的對地觀測儀器。通過MODIS可以獲取0.4～14μm範圍內的36個波段的高光譜數據，為開展自然災害、生態環境監測、全球環境和氣候變化以及全球變化的綜合性研究提供了重要的數據源。
MODIS是搭載在terra和aqua衛星上的壹個重要的傳感器，是衛星上唯壹將實時觀測數據通過x波段向全世界直接廣播，並可以免費接收數據並無償使用的星載儀器。MODIS可獲取0.4～14μm範圍內的36個波段的高光譜數據，為開展生態環境研究、自然災害監測、全球環境和氣候變化等研究提供了重要的數據源。
ASTER搭載在Terra衛星上的星載熱量散發和反輻射儀，是於1999年12月18日發射升空的，由日本國際貿易和工業部制造。壹個日美技術合作小組負責該儀器的校準確認和數據處理。ASTER是唯壹壹部高分辨解析地表圖像的傳感器，其主要任務是通過14個頻道獲取整個地表的高分辨解析圖像數據——黑白立體照片。ASTER能在4到16天之內對同壹地區進行成像，具有重復覆蓋地球表面變化區域的能力。ASTER數據特點之壹是基於用戶要求的觀測，即根據用戶提出的要求來隨時隨地地獲取影像。ASTER的寬譜覆蓋和高分辨能力給科學家們在諸如監測冰河的前進與退卻，對潛在的活火山的監測，鑒別作物能力，對雲層形態及物理狀況的監測，濕地評估，熱汙染監測，珊瑚礁的退化，土壤及地質的表面溫度繪圖，以及測量地表的熱平衡等眾多學科領域提供了可供鑒定的信息。
美國宇航局（NASA）的地球軌道壹號（EO-1）是美國NASA新千年計劃的壹部分，在2000年11月21日發射。地球觀測1號衛星與LandSat-7覆蓋相同的地面軌道，兩顆衛星對同壹地面的探測時間相差約1分鐘的時間。EO-1帶有三個基本的遙感系統，即高級陸地成像儀（advanced land imager，ALI），高光譜成像儀（HYPERION）以及大氣校正儀（liner etalon imaging spectrometer arrey atmospheric correction，LAC）。EO-1上搭載的高光譜遙感器hyperion是新壹代航天成像光譜儀的代表，也是目前唯壹在軌的星載高光譜成像光譜儀以及唯壹可公開獲得數據的高光譜測量儀，***有242個波段，光譜範圍為400～2500nm，光譜分辨率達到10nm，空間分辨率為30m。
2000年7月，美國發射的MightSat-Ⅱ衛星上搭載的傅立葉變換高光譜成像儀（fourier transform hyperspectral imager，FTHSI）是幹涉成像光譜儀的成功典範。
歐洲空間局於2001年10月成功發展了基於空中自治小衛星PROBA小衛星的緊密型高分辨率成像光譜儀（CHRIS），並發射成功。CHRIS在415～1050μm的成像範圍內有五種成像模式，不同的模式下其波段數目、光譜分辨率和空間分辨率不等，波段數目分別是18 ，37和62 ，光譜分辨率為5～15nm，空間分辨率為17～20m或者34～40m。CHRIS能夠從五個不同的角度（觀測模式）對地物進行觀測，這種設計使得其能獲取地物反射的方向性特征。
歐洲空間局繼美國AM-1 MODIS之後於2002年3月又成功發射了Envisat衛星，這是壹顆結合型大平臺先進的極軌對地觀測衛星。其中分辨率成像光譜儀（MERIS）為壹視場角為68.5°的推掃型中分辨率成像光譜儀，其地面分辨率為300m，在可見光-近紅外光譜區有15個波段，可通過程序控制選擇和改變光譜段的布局。
日本繼ADEOS-1之後於2002年12月發射了後繼星ADEOS-2 ，其上搭載了日本宇宙開發事業團的兩個遙感器（AMSR和GLI）和國際或國內合作者提供的三個遙感器（POLAR，ILAS-Ⅱ，Sea Winds）。GLI在可見光-近紅外和短波紅外分別有23個、6個波段，而在中紅外和熱紅外則有7個波段。到目前為止，已發射的具有代表性的星載成像光譜儀如表1.2所示。
表1.2 國外主要星載高光譜成像儀
1.2.2.2 我國高光譜成像儀系統介紹
（1）航空高光譜成像儀
我國成像光譜儀的發展經歷了從多波段掃描儀到成像光譜掃描，從光機掃描到面陣CCD探測器固態掃描的發展過程。
“八五”期間，新型模塊化航空成像光譜儀（modular aero imaging spectrometer，MAIS）的研制成功標誌著我國的航空成像光譜儀技術和應用取得了重大突破。此後我國自行研制的推掃型成像光譜儀（PHI）和實用型模塊成像光譜儀系統（OMIS）在世界航空成像光譜儀大家庭裏占據了重要的地位。
（2）航天高光譜成像儀
我國於2002年3月發射的神舟3號無人飛船中就搭載了壹個中分辨率的成像光譜儀（CMODIS），該儀器***有34個波段，波長範圍在0.4～12.5μm。此外，環境減災衛星搭載了115個波段的高光譜遙感器。“風雲-3”氣象衛星搭載的中分辨率成像光譜儀具有20個波段，成像範圍包括可見光、近紅外、中紅外和熱紅外；“嫦娥壹號”衛星搭載了我國自行研制的幹涉成像光譜儀來探測月球物質。
1.2.3 高光譜遙感成像特點與數據表達
高光譜成像獲取的圖像包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。其主要特點是將傳統的圖像維與光譜維信息融合為壹體，在獲取地表空間圖像的同時，得到每個地物的連續光譜信息。高光譜數據是壹個光譜圖像的立方體，它由空間圖像維、光譜維（從高光譜圖像的每壹個像元中可以獲得壹個“連續”的光譜曲線）和特征空間維（高光譜圖像提供的是壹個超維特征空間，挖掘高光譜信息需要深切了解地物在高光譜數據形成的N維特征空間中分布的特點與行為）。
1.2.4 高光譜遙感的主要應用領域
由於高光譜遙感能提供更多的精細光譜信息，有些學者將高光譜遙感的研究從最開始的礦物識別擴展到了水體、植被與生態、環境資源勘探等方面，但目前主要集中在地質、植被和水環境等研究領域。
1.2.4.1 在植被監測中的應用
高光譜遙感由於其具有超高的光譜分辨率，為植被參數估算與分析，植被長勢監測及估產等方面提供了有力的支撐。
1）植物的“紅邊”效應：“紅邊（REP）”是綠色植物葉子光譜曲線在680～740nm之間變化率最快的點，也是壹階導數光譜在該區間內的拐點。“紅邊”是植物光譜曲線最典型的特征，能很好地描述植物的健康及色素狀態。當“紅邊”向紅外方向移動時，壹般可以判定綠色植物葉綠素含量高、生長活力旺盛；相反，當“紅邊”向藍光方向移動時，壹般可能是植物處於缺水等原因造成葉片枯黃等不健康狀態。當植物覆蓋度增大時“紅邊”的斜率會變陡。
2）植被指數：植被指數主要反映植被在可見光、近紅外波段反射與土壤背景之間差異的指標，各個植被指數在壹定條件下能用來定量說明植被的生長狀況，是利用遙感光譜數據監測地面植物生長和分布、定性、定量評估植被的壹種有效方法。根據不同的研究目的，人們已經提出了幾十種植被指數，如比值植被指數RVI，歸壹化植被指數NDVI，差值環境植被指數DVIEVI，垂直植被指數PVI，土壤調整植被指數SAVI等。
1.2.4.2 在農業中的應用
高光譜遙感在農業中的應用，主要表現在快速、精確地進行作物生長信息的提取、作物長勢監測、估算植被（作物）初級生產力與生物量、估算光能利用率和蒸散量及作物品質遙感監測預報，從而相應調整物資的投入量，達到減少浪費，增加產量，改善品質，保護農業資源和環境質量的目的。使用高光譜遙感數據估計作物的農學參數主要有兩類方法：壹是通過多元回歸方法建立光譜數據或由此衍生的植被指數與作物農學參數之間的關系；二是通過作物的紅邊參數來估計作物的物候性狀及其農學參數。
1.2.4.3 在大氣和環境方面的應用
高光譜遙感憑借其超高的光譜分辨率可以識別出寬波段遙感無法識別的因大氣成分變化而引起的光譜差異，使人們利用高光譜遙感對周圍的生態環境情況進行定量分析成為可能。利用高光譜技術可以探測到汙染地區的化學物質異樣，從而確定汙染區域及汙染原因；高光譜圖像也可用來探測危險環境因素，例如，精確識別危險廢礦物，編制特殊蝕變礦物分布圖，評價野火的危險等級，識別和探測燃燒區域等。
1.2.4.4 在地質方面的應用
地質礦產調查是高光譜遙感應用中最成功的壹個領域。各種礦物和巖石在電磁波譜上顯示的診斷性光譜特征可以幫助人們識別不同礦物成分。在地質方面主要利用其探測巖石和礦物的吸收、反射等診斷性特征，從而進行巖石礦物的分類、填圖和礦產勘查。
1.2.4.5 在軍事上的應用
由於高光譜影像具有豐富的地面信息，可用於精確識別地物種類，在軍事偵察、識別偽裝方面得到了成功的應用。美國海軍設計的超光譜成像儀可在0.4μm～2.5μm光譜範圍內提供210 個成像光譜數據，可獲得近海環境目標的動態特征，例如海水的透明度、海洋深度、海洋大氣能見度、海流、潮汐、海底類型、生物發光、海灘特征、水下危險物、油泄露、大氣中水汽總量和次見度卷雲等成像數據，對近海作戰有十分重要的支撐意義。