[干涉成像光谱遥感技术发展与应用]遥感技术

第25卷 第4期2010年8月

遥 感 技 术 与 应 用

Vol.25 No.4Aug.2010

干涉成像光谱遥感技术发展与应用

李传荣,贾媛媛,马灵玲

(中国科学院光电研究院,北京 100190)

摘要:干涉成像光谱技术是遥感技术与应用的前沿与热点,因其高通量、高光谱分辨率和高成像稳定性等特点带来的巨大应用潜力而受到各国的普遍重视。从干涉成像光谱技术基本原理出发,系统回顾并评述干涉成像光谱数据在光谱复原、定标、大气校正三方面的主要进展,同时对国内外干涉型成像光谱仪的发展与应用加以介绍,指出基于HJ-1A超光谱成像仪开展相关工作是加快我国干涉成像光谱技术发展的有效途径。

关 键 词:成像光谱技术;干涉成像光谱仪;光谱复原;定标;大气校正中图分类号:TP731 文献标志码:A 文章编号:1004-0323(2010)04-0451-07

1 引 言

成像光谱技术以地表物质与电磁波的相互作用及其所形成的光谱辐射特性为理论基础,在获取地物空间形态和状态信息的同时,可以探测地物的连续光谱特性,是一种图谱合一的新型传感器技术。根据成像原理的差异,成像光谱技术可分为色散型和干涉型两类。色散型成像光谱仪光谱分辨率、空间分辨率受狭缝宽度制约;而干涉成像光谱技术因其巨大的潜力而成为成像光谱技术的主要发展方向,在系统原理、数据处理技术、仪器研发与应用等方面得到了全面快速发展。

仪、探测器以及图像数据采集与处理系统组成,根据干涉仪的差异形成了两类主要的干涉成像技术:一是时间调制干涉成像光谱技术,也称动镜型干涉成像光谱技术,它基于Michelson干涉仪发展起来,具有一套高精度动镜驱动系统,其光谱分辨率高,但机械性能要求高、实时性不好等极大地限制了它的应用;另一类是空间调制干涉成像光谱技术,也称数字阵列扫描或无动镜干涉成像光谱技术,它利用分光元件将一束光横向剪切(或角剪切)为两束,然后使两束相干光在探测器平面上相遇形成干涉条纹,目前代表性的方案主要有基于以变形Sagnac干涉仪为分光元件的成像光谱仪和基于以双折射晶体为分光元件的成像仪,尽管光谱分辨率低于Michelson干涉仪,但原理简单、体积小、实时性好、光谱范围宽等特点,使其在航空航天领域具有广阔的应用前景。

2 干涉成像光谱技术基本原理

干涉成像光谱技术也称傅里叶变换光谱技术,

具有多通道、高通量、高光谱分辨率和较大视场等特点。它同时测量所有谱元干涉强度获得干涉图,对干涉图进行傅里叶变换即可生成光谱图,其变换关系为:

I($)=B(v)

3 数据处理关键技术

3.1 光谱复原技术

干涉型超光谱成像仪直接测量的是对光谱数据进行变换后的干涉图,在使用前必须对数据进行复原处理以获得含有多种信息的光谱图,其光谱反演精度将直接影响整个仪器的性能与应用。传统的光谱复原技术通常采用经典谱估计中的周期图法,它将干涉图经必要的修正、切趾滤波、相位校正后,直接进行傅里叶变换得到光谱图,该方法在进行傅里

QBexp(i2Pv$)dv =

QIexp(-i2Pv$)d$

-]

(v)

]-]

($)

]

(1)(2)

其中:I($)为干涉强度分布,B(v)是入射光谱分布,v为波数,$为光程差。

干涉型成像光谱仪通常由前置光学系统、干涉

收稿日期:2009-09-22;修订日期:2010-04-08

作者简介:李传荣(1956-),男,研究员,博士生导师,主要从事遥感卫星地面系统的研究工作。E-mail:crli@aoe.ac.cn。

叶变换时将取样点以外的信息均视为零,增加的数据窗导致复原光谱分辨率偏低。为此,国内外学者通过数学模型进行自相关函数外推,从而发展了一些提高复原光谱分辨率的超分辨率谱方法。

Kawata等利用最大熵方法MEM(MaximumEntropyMethod)替代常规的傅里叶变换对干涉图进行了光谱估计,其光谱分辨率有了显著提高,但自回归模型AR(Auto-Regressive)阶数难以判定、抗噪声能力差等使其很难用于干涉型超光谱数据处理。Minami[2]等采用截断奇异值分解TSVD(TruncatedSingularValueDecomposition)与AR模型相结合的方法,提高了光谱估计方法的抗噪声能力,并且基本解决了伪峰问题,但没有解决谱线位置漂移和峰高比失真的问题。1991年Kauppin-en

[3]

[1]

进一步研究完善。3.2 定标技术

为了提供可靠的数据产品,必须对传感器进行精确定标。干涉成像光谱仪的定标内容包括光谱定标和辐射定标两方面:光谱定标主要是通过确定干涉图零光程差的位置、频率以及最大光程差,从而标定各谱段的中心波长和光谱分辨率;辐射定标是在测量有效范围内确定光谱成像仪的响应值,即标定各像元在不同光谱通道的辐射响应,可分为绝对辐射定标和相对辐射定标。根据不同分光原理研制的光谱成像仪定标内容和要求大体相同,但方法存在较大差异。

Best

[10]

等研究了地球静止成像傅里叶变换光谱

仪GIFTS(GeostationaryImagingFourierTransformSpectrometer)的飞行定标方法,通过周期性地观测两个不同温度的内部小孔径参考黑体以及冷空间进行辐射定标,以高稳定二级激光管为参照采用大气辐射传输模型与HITRAN数据库逐线计算进行比较实现在轨光谱定标。黄旻[11]等提出了由柯拉照明系统、积分球系统和准直镜组成的空间调制干涉型成像光谱仪的星上定标方案。相里斌[12]等基于空间调制干涉光谱成像仪的原理和特点,提出了一种空间调制干涉光谱成像仪实验室与飞行定标方法,利用单色平行管或单色积分球进行实验室光谱定标,使用标准光源、单色仪、积分球以及聚光镜组成的单色积分球系统实现实验室辐射定标,采用经过实验室定标设备标定的辐射光源开展飞行定标。计忠瑛[13]等系统分析了利用一次像面上狭缝两端的边视场或在狭缝旁开孔、用聚光镜或自聚焦镜引入定标光源的定标方法,以及朗伯板定标系统和积分球定标系统两类全系统定标方法,认为积分球定标系统是实现干涉型超光谱成像仪全系统、全口径、部分视场星上定标的优选方案。崔燕[14]等使用干涉光谱成像仪和光谱辐射计同时采集目标辐射强度,将复原采集干涉图得到的光谱图与光谱辐射计采集到的绝对光谱进行比对,通过确定定标系数实现光谱辐射定标。在辐射定标方面,可见光/近红外与红外高光谱设备定标方法是完全不同的,红外设备定标通常使用黑体进行辐射定标,其技术已较为成熟;而可见光/近红外设备定标采用漫反射板、积分球、定标灯或者不同地表目标进行定标,定标技术还有待进一步发展。光谱定标技术目前还处于探索,等整合傅里叶自退卷积FSD(FourierSelf-De-

convolution)、MEM以及线性预测LP(LinearPre-diction),提出了线型优化最大熵线性预测方法LOMEP(LineShapeOptimizedMaximumEntropyLinearPrediction),该方法假定目标光谱中谱线具有相同的线型,首先利用FSD方法消除光谱谱线线型对干涉图的影响,然后通过MEM方法求解自回归模型系数,最后将自回归模型系数作为线性预测系数对干涉数据进行线性预测,并由MEM谱估计公式得到最终的估计谱,克服了峰高比失真的问题。在时域线性预测中,KauppinenSaarinen

[5]

[4]

等发展了一种理

论脉冲响应模型,用于确定自回归系数;之后,

等基于脉冲响应理论的研究,提出了

GulfTuning方法,根据Fourier变换谱的性状反复调整理论脉冲响应系数从而保证谱估计的准确性。我国学者相里斌[6]等发展了傅里叶退卷积、自回归模型以及截断奇异值分解相结合的光谱超分辨率FAT方法,该方法具有分辨率高、抗噪声能力强、峰值位置准确、无伪峰等特点,但存在光谱强度失真的问题;为此,他们

[7]

又利用FAT方法中傅里叶退卷

积技术带来的光谱线型信息,对估计谱的相对强度进行修正,提出了FATIC方法,其估计谱与真实光谱更为接近。另外,董瑛

[8]

等提出了一种基于特征

分析与线性拟合的超分辨率谱估计方法EALF,简小华[9]等将非参数模型Music算法引入到干涉图光谱复原处理中。这些方法建立在干涉信号的自回归模型上,其关键在于自回归模型参数的确定以及回归阶数的判定,尽管已有算法取得了较好的应用效果

曲线和由光谱参数模拟的光谱之间的某些特征光谱的位置差异,从而评价遥感器的中心波长位移情况,光谱分辨率小于匹配特征光谱的宽度时该方法方为有效。总体来看,干涉型成像光谱仪的定标技术还不完善,基于仪器原理、特点及定标要求,将实验室定标与星上定标紧密结合,发展高精度、长寿命、简单稳定定标系统是未来的发展方向。3.3 大气校正算法

由于传感器与观测目标之间存在着一定光程的大气,而大气分子、气溶胶的散射以及水汽、臭氧等气体的吸收将削弱传感器接收的地物发射或反射的电磁波信号。精确地消除大气吸收与散射的影响同样也是干涉成像光谱遥感技术定量化获取地表特征的首要任务,国内外学者已发展的多种高光谱遥感数据大气校正算法将适用于干涉成像光谱数据。

内在平均相对反射率、平场域、对数残差、经验线性等是早期高光谱大气校正算法的主要代表,它们基于影像自身或大量野外实测光谱数据,通过统计方法实现影像的相对校正,而无需对影像进行绝对辐射校正,方法简单易行,但算法对系统稳定性要求较高,且通常要求大气状况均一,这在实际应用中往往难以满足。随着辐射传输理论的发展与完善,基于LOWTRAN、MODTRAN、5S、6S等多种实用大气辐射传输模型的物理算法应运而生。ATREM

[15]

反演方面仍需不断改进。ATCOR是一款适用于多光谱和高光谱影像大气校正的商业化软件,最早由Richter于1990年提出,ATCOR2/3

[18]

支持中小视用于航空

场卫星传感器的大气纠正,ATCOR4

[19]

影像的大气纠正,算法考虑了邻近效应以及地形的影响,并具备处理红外波段影像的能力,已广泛用于Geomatica、ERDASImagine等图像处理通用软件中。另外,COCHISE[20]、HATCH[21]等算法也取得了较好的应用效果。这些算法具有明确的物理意义,能够较高精度地实现大气校正,进而反演地表反射率,是目前国际上普遍采用的大气校正方法;但该类算法所需参数多、计算量大,计算精度受大气参数获取、辐射传输求解算法的直接影响,在一定程度上限制了其在实际中的应用。在国内外研究者的共同努力与推进下,大气校正技术已从初期的统计算法发展到复杂的物理算法,其精度有了明显提高,但仍没有一个可普遍使用的算法,应用时必须根据干涉成像光谱数据的具体特点和研究要求而选取适当的校正方法。

4 干涉型成像光谱仪及其应用

伴随着成像光谱概念的提出,20世纪80年代以来干涉型成像光谱技术受到世界各国普遍重视并得以快速发展。美国于1988年为哈勃望远镜提出了光谱范围为1~2.5Lm的基于猫眼镜扫描系统的干涉成像光谱仪HIMS(HubbleImagingMiche-lsonSpectrometer)设计方案

[22]

是针对光谱范围在0.4~2.5Lm的

AVIRIS高光谱航空影像数据提出的地表反射率反演算法,它使用快速逐线积分大气透过率模型计算大气气体透过率,利用6S模型模拟大气散射的影响并获得地表反射率,但算法缺乏对地形因子、云散射、气体吸收和气溶胶耦合作用的考虑,在暗目标的校正方面存在较大偏差。ACORN[16]是基于MODTRAN4模型开发的一款商业化的增强型大气校正软件,可支持0.4~2.5Lm波谱范围内的高光谱数据大气纠正,算法很好地运用了快速精确的查找表技术和最小二乘拟合算法,解决了水汽和植被液态水之间重叠吸收的问题。FLAASH

[17]

;1993年美国国家航

空航天局(NASA)Ames研究中心与华盛顿大学联合研发了基于双折射元件的数字阵列扫描干涉成像光谱仪DASI(DigitalArrayScannedInterferome-ter)样机[23],其谱段范围为0.4~1.0Lm和1.1~2.2Lm,光谱分辨率约为300cm-1,视场角为5b,在可见光近红外谱段有256个像素,短波红外有390个像素,利用1994年和1995年机载飞行试验获取的加利福尼亚地区海岸与内地DASI影像,成功开展了地面目标和大气环境的观测

[24]

是基;在美国海军研

于MODTRAN4开发的另一大气纠正模型,它整合了已有成熟的光谱分析方法,并与MODTRAN同步更新,其工作谱段为0.4~2.5Lm,算法考虑了邻近效应,能够输出水汽含量、平均地表能见度、卷云和薄云分类以及地表反射率影像,并提供整幅影像的光谱平滑处理以消除纠正中存在的噪声,但在究局(ONR)的支持下,1993年夏威夷大学与佛罗里达大学合作研制了空间调制成像红外干涉光谱仪SMIFTS[25](SpatiallyModulatedImagingFourierTransformSpectrometer),其光谱测量范围为1~5Lm,光谱分辨率约为100cm-1,视场角为13b,采用128@128阵列探测器,通过飞行试验获取了檀香;

提出了机载傅里叶变换可见光超光谱成像仪FTVHSI[26](FourierTransformVisibleHyper-SpectralImage),它的光谱范围是0.45~1.05Lm,光谱分辨率约为90cm

-1

验室装置SMII[31](SpatiallyModulatedImagingIn-terferometer)、在普通照相系统的平行光路中加入横切干涉仪的大孔径静态干涉光谱成像仪LA-SIS

[32]

,波段数为256个,视场角(LargeApertureStaticImagingSpectrome-

为13b,瞬时视场角为0.75mrad,其核心元件是1024@1024面阵CCD相机;2000年7月19日,美国强力卫星-Ò(MightySatÒ)成功发射,其上搭载了首台星载干涉型光谱成像仪FTHSI[27](FourierTransformHyperspectralImager),其谱段范围为0.475nm~1.05Lm,有用波段146个,光谱分辨率为84.4cm-1,视场角为3b,空间分辨率为30m,FTHSI获取的影像对光谱变化更加敏感,在早期干旱监测、土地利用分类、大气结构监测等方面可以更好地服务于社会;地球静止傅里叶变换成像光谱仪GIFTS

[28]

ter);中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室在对Sagnac型干涉成像光谱仪的应用任务要求及信噪比方程进行分析的基础上,研制了空间调制的Sagnac型干涉成像光谱仪原理样机,并进行了实验室及外场干涉成像光谱实验,取得了满意的结果[33]。2007年10月24日我国发射了首颗搭载有干涉成像光谱仪IIS(Interfer-enceImagingSpectrometer)的嫦娥一号卫星,IIS是由中国科学院西安光学精密机械研究所研制的Sagnac空间调制型傅氏变换光谱仪,其成像幅宽为25.6km,月表像元分辨率200m,光谱范围0.48~0.96Lm,谱段数为32个,主要用于获取月球矿物的光谱信息进而反演出全球分布信息

[34]

于1999年确定为NASA新千年计划地球

观测EO-3任务,并于2005年完成GIFTS工程样机,其波谱范围为4.4~6.1Lm和8.85~14.6Lm,光谱分辨率0.57cm-1,它可以获得高时空分辨率的温度、湿度和风的大气廓线,从而提高对恶劣天气进行预报的精度,同时为全球数值气候预报模式提供精确的初值;交叉跟踪红外探测器CrIS[29](CrosstrackInfraredSounder)是美国NPOESS系统中的主要传感器之一,其观测光谱包含3个离散的谱段3.9~4.6Lm、5.7~8.3Lm、9.1~15.4Lm,对应的光谱分辨率分别小于2.5cm

-1

-1

-1

;2008年9

月6日我国环境与灾害监测预报小卫星星座(简称HJ星座)HJ-1A卫星成功发射,其上搭载了中国科学院西安光学精密机械研究所自主研制的干涉型超光谱成像仪HSI(HyperSpectralImager)[35],它通过?30b侧摆实现全球重复观测,重访周期为96h,其空间分辨率是100m,幅宽为50km,具有115个工作谱段,光谱范围在0.45~0.95Lm,平均光谱分辨率为98cm,适用于开展多种专题研究,如大气成分探测、水环境监测、植被生长状况监测、矿物识别和油气资源探测等;另外,我国计划发射的风云四号气象卫星所搭载的干涉式大气垂直探测仪已进入预研阶段,它能够获取大气温度、湿度和大气成分的垂直分布,实现大范围、快速、连续和长期的气象观测。

在干涉成像光谱仪实用化进程的推动下,国内外学者就该类数据的应用相继展开了一系列探索性研究。Hoff

[36]-1

、

1.25cm、0.625cm,它以高光谱分辨率观测大气上行辐射从而确定大气温度、湿度以及气压廓线。法国国家空间研究中心(CNES)研制了干涉型红外大气探测仪IASI[30](InfraredAtmosphericSound-ingInterferometer),它搭载在欧洲第一颗极轨卫星METOP-A上于2006年10月19日成功发射,其谱段范围为3.62~15.5Lm,具有8461个通道,光谱分辨率为0.5cm-1,视场角48b20c,可用于大气、海洋、云和大气成分等的反演,同时还可提供晴空条件下地表发射率和海洋表面温度资料。另外,德国的MIPAS(MichelsonInterferometerforPassiveAt-mosphericSounding)、日本的SOFIS(SolarOccu-ltationFTSforInclined-orbitSatellite)等也都是目前国际上具有代表性的干涉型成像光谱仪。

我国在干涉型成像光谱技术方面也开展了大量研究,并初步实现了工程化应用。中国科学院西安光学精密机械研究所研制了基于实体Michelson干等将通用加权光谱差目标检测算法

[37]

用于SMIFTS数据,表明了高光谱数据在目标分类中的优势;Otten

等利用非成像光谱反射率数据

[38]

和FTVHSI高光谱数据进行了草地、热带雨林植被、干旱台地这类背景下的伪装量测;Winter

等

利用SMIFTS获取的短波和中波红外影像结合LIFTIRS(LivermoreImagingFourierTransformInfraredSpectrometer)的长波红外数据开展了高光谱数据矿物探测算法研究;Phulpin[31]等分析了IA-

潜力;Zhou[39]等提出了一种用于IASI的地球物理参数反演算法,获得了具有高垂直分辨率的大气水平特征。在我国,张淳民

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[14] CuiYan,JiZhongying,GaoJing,etal.StudyontheSpectral

RadiometricCalipationMethodoftheSpatiallyModulatedJ].等利用干涉成像光谱技

术和电磁波的多普勒效应对上层大气风场进行了量测,从而计算得到大气风场的速度和温度;赵海涛

[41]

等分析认为傅里叶变换成像光谱技术对分析

气体的极为复杂而强度很弱的红外光谱特别适用,有望应用于化学战剂遥测领域。总之,干涉成像光谱技术在获取空间信息的同时能够提供更加丰富的光谱维信息,不仅在农业、林业、海洋、土地等资源调查与环境监测领域具有广阔的应用前景,在目标识别、作战环境探测等军事领域也将发挥重要作用。

5 结 语

近几十年间,不断涌现的新的原理、方案、技术极大推动了干涉成像光谱技术的发展,仪器更加稳定可靠并向工程化应用迈进,数据处理技术日臻完善,数据应用更加广泛,干涉成像光谱遥感技术已成为今后成像光谱仪特别是星载成像光谱仪的主要发展方向。我国在干涉成像光谱仪研制方面紧随世界步伐,先后开展了多种原理样机的研制工作,嫦娥一号、HJ-1A卫星的发射标志着我国干涉光谱成像研究开始走向实用化阶段;然而,干涉成像光谱数据的处理与应用能力却略显不足,用户对干涉成像光谱这一新型遥感技术了解较少,数据应用仅限于简单定性认识而缺乏定量深入分析。今后,应以在轨运行的HJ-1A卫星HSI超光谱成像仪为契机,系统布设仪器场外定标计划,通过不断完善的数据处理算法提高数据质量;同时,开展HSI数据示范应用研究,拓展干涉成像光谱数据应用市场;在实践应用中,逐步解决干涉成像光谱技术面临的各种工程及应用问题,推动我国干涉成像光谱遥感技术领域的快速发展。

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ReviewonDevelopmentandApplicationof

InterferenceImagingSpectrometry

LIChuan-rong,JIAYuan-yuan,MALing-ling

(AcademyofOpto-Electronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

Abstract:Interferenceimagingspectrometryisinthefrontierandhotspotofremotesensingtechnologyandapplication.Ithasenormousapplicationpotentialforitscharacteristicssuchashighluminousflux,highspectralresolution,andhigh-stabilityofimaging.Weintroducethebasicprinciplesofinterferenceimagingspectrometer.Wewillalsogiveanoverviewofdataprocessingtechnologiesincludingspectrumreconstruc-tion,calipationandatmosphericcorrection.Somerepresentativespectrometersandtheirapplicationsarereviewedinpief.Finally,itispointedoutthattheeffectiveapproachtopromotethedevelopmentofinter-ferenceimagingspectrometryshallbecarryingoutsomeresearchandapplicationsbasedonHSIinstrumentloadedonHJ-1Asatelliteinourcountry.

Keywords:Imagingspectrometertechnique;Interferenceimagingspectrometer;Spectrumreconstruction;Calipation;Atmosphericcorrection