高光譜遙感在自然資源調(diào)查監(jiān)測中的應(yīng)用

李 明，羅浩然

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 高光譜遙感的基本原理和技術(shù)特點(diǎn)

1.1 高光譜數(shù)據(jù)獲取與處理

高光譜數(shù)據(jù)獲取與處理是一項(xiàng)重要的技術(shù)，可以用于地球觀測、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域。高光譜數(shù)據(jù)是指在可見光、近紅外、中紅外等多個波段上獲取的物體反射率或輻射率數(shù)據(jù)，可以提供物體的光譜特征信息，從而實(shí)現(xiàn)對物體的識別、分類和定量分析。

高光譜數(shù)據(jù)的獲取需要使用高光譜成像儀等專業(yè)設(shè)備，通過對物體反射或輻射的光譜進(jìn)行采集和處理，得到高光譜數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)獲取過程中，需要注意避免光照條件、大氣影響等因素對數(shù)據(jù)的影響，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

高光譜數(shù)據(jù)處理是將獲取的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和分類等操作，以實(shí)現(xiàn)對物體的識別、分類和定量分析。在數(shù)據(jù)處理過程中，需要考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量、噪聲濾波、特征選擇等因素，以提高數(shù)據(jù)的分類精度和應(yīng)用效果（見圖1）。

圖1 Hyperion高光譜數(shù)據(jù)處理

高光譜數(shù)據(jù)獲取與處理具有廣泛的應(yīng)用前景。在地球觀測中，可以利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行地表覆蓋類型分類、植被監(jiān)測、土地利用變化檢測等研究；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行作物生長狀態(tài)監(jiān)測、病蟲害識別等研究；在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域，可以利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測、大氣污染監(jiān)測等研究；在醫(yī)療領(lǐng)域，可以利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行腫瘤診斷、藥物研發(fā)等研究。

1.2 高光譜類型與特征識別

高光譜遙感技術(shù)可以通過分析光譜信息來識別和分類地物，而且是非接觸式。這樣就能更加精準(zhǔn)地了解地物的種類、數(shù)量和分布。

在高光譜遙感技術(shù)中，地物的光譜特征是研究的重點(diǎn)。通過進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)地物類別區(qū)分，如植被、水體、建筑物等。同時，高光譜遙感技術(shù)還可以對地物的屬性進(jìn)行識別，如植被的生長狀態(tài)、水體的深度等。

2 高光譜遙感在植被覆蓋調(diào)查中的應(yīng)用

2.1 植被類型分類與變化監(jiān)測

植被類型分類是指將不同種類的植被進(jìn)行分類，以便更好地了解植被的分布情況。高光譜遙感技術(shù)可以通過對不同波段的反射率進(jìn)行分析，識別出不同種類的植被。例如，綠色植被通常在綠色波段反射率較高，而裸地則在紅外波段反射率較高。通過對不同波段的反射率進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)對植被類型的自動分類。

高光譜遙感數(shù)據(jù)是通過在許多連續(xù)狹窄波段上收集光譜信息來獲取的。相較于多光譜遙感數(shù)據(jù)，高光譜遙感數(shù)據(jù)具有更高的光譜分辨率，可以提供更詳細(xì)和準(zhǔn)確的光譜信息。因此，高光譜遙感技術(shù)在植被參數(shù)估算與分析以及植被長勢監(jiān)測方面具有很大的潛力。使用高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋調(diào)查時，可以利用遙感圖像解譯的方法進(jìn)行，也可以結(jié)合常規(guī)的地面樣本方法，這樣可以提高植被覆蓋信息的準(zhǔn)確性和精度。

由于高光譜遙感數(shù)據(jù)具有更豐富的光譜信息，可以對不同植被類型進(jìn)行更精確地分類和鑒別。通過提取高光譜數(shù)據(jù)中的特定指數(shù)，如植被指數(shù)、葉面積指數(shù)等，可以精確估計森林生物物理參數(shù)。例如，通過光譜反射率與葉面積指數(shù)之間的關(guān)系，可以估計出森林的葉面積指數(shù)，進(jìn)而了解植被的生長情況和健康狀況（見圖2）。高光譜遙感技術(shù)還可以通過分析光譜特征，獲得植被的郁閉度和覆蓋度等參數(shù)，進(jìn)而推斷植被的空間分布和結(jié)構(gòu)特征。

圖2 林木健康分析結(jié)果

變化監(jiān)測是指通過對同一地區(qū)在不同時間的遙感圖像進(jìn)行比較，識別出植被覆蓋的變化情況。高光譜遙感技術(shù)可以通過對不同時間的遙感圖像進(jìn)行比較，識別出植被覆蓋的變化情況。例如，在一個地區(qū)進(jìn)行兩次遙感圖像拍攝，可以通過比較兩次圖像中植被覆蓋的變化情況，了解該地區(qū)的植被變化情況。

2.2 植被生理參數(shù)估算

高光譜遙感技術(shù)在植被生理參數(shù)估算中具有廣泛的應(yīng)用。通過獲取植被反射光譜特征信息，可以對植被生理參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的估算，如葉綠素含量、葉面積指數(shù)、植被水分含量等。其中，作為體現(xiàn)植物生長狀況和光合作用強(qiáng)度指標(biāo)之一的葉綠素含量。通過獲取得到的植被反射率，建立兩者之間的數(shù)學(xué)模型，可以快速準(zhǔn)確估算。葉面積指數(shù)是表征植物葉片覆蓋面積的參數(shù)，可以反映植物的生長狀況和生態(tài)環(huán)境變化。通過獲取得到的植被反射率，建立兩者之間的數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)葉面積指數(shù)的快速準(zhǔn)確估算。植被水分含量是反映植物水分狀況的重要參數(shù)，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有重要意義。高光譜遙感技術(shù)可以獲取不同波段下植物的反射率，通過建立反射率與植被水分含量之間的數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)植被水分含量的快速準(zhǔn)確估算。

3 高光譜遙感在土地利用與土地覆蓋調(diào)查中的應(yīng)用

3.1 土地利用分類與變化檢測

土地利用與土地覆蓋調(diào)查是研究土地資源管理和環(huán)境變化的核心問題之一。高光譜遙感技術(shù)作為一種先進(jìn)的遙感手段，被廣泛應(yīng)用于土地利用分類與變化檢測領(lǐng)域。

土地利用分類是指將土地分為不同的類別，并確定各類別的空間分布。高光譜遙感可以獲取土地覆蓋的大量光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)對土地利用的精細(xì)分類。通過利用高光譜遙感數(shù)據(jù)，可以有效區(qū)分不同作物、建筑物、水域等，實(shí)現(xiàn)對土地利用的自動化分類。同時，高光譜遙感技術(shù)還可以結(jié)合其他遙感數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)，開展多源數(shù)據(jù)的融合分析，提高土地利用分類的準(zhǔn)確性和精度。

除了土地利用分類，高光譜遙感還可以用于土地利用變化檢測。土地利用變化檢測是指通過對比不同時期的遙感影像，生了變化。高光譜遙感具有優(yōu)秀的時間分辨率和空間分辨率，能夠捕捉到細(xì)微的土地利用變化。通過對多期高光譜遙感影像的比對和分析，可以研究土地利用變化的動態(tài)過程，為土地資源管理和規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 土地覆蓋類型識別與監(jiān)測

土地覆蓋類型識別與監(jiān)測是分析土地利用與土地覆蓋變化的重要方法之一。高光譜遙感技術(shù)通過獲取物體的光譜特征，能夠精確地識別和監(jiān)測土地覆蓋的多個類別。

高光譜遙感技術(shù)可以識別并監(jiān)測不同類型的土地覆蓋，如耕地、森林、水域、建筑物等。通過對高光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜分析和分類算法的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對土地覆蓋類型的準(zhǔn)確識別感技術(shù)還可以結(jié)合地形、紋理等數(shù)據(jù)，提高土地覆蓋的識別精度。

土地覆蓋的監(jiān)測是指定期間內(nèi)對土地覆蓋類型的變化進(jìn)行追蹤和監(jiān)測。高光譜遙感技術(shù)能夠獲取連續(xù)的時間序列遙感影像，提供了數(shù)據(jù)源的可靠性和連續(xù)性，便于進(jìn)行土地覆蓋的監(jiān)測。通過對時間序列遙感影像進(jìn)行比對和分析，可以揭示土地覆蓋變化的趨勢和規(guī)律，為土地資源管理和環(huán)境保護(hù)提供支持[1]。

4 高光譜遙感在水資源調(diào)查中的應(yīng)用

4.1 水質(zhì)監(jiān)測與污染識別

高光譜遙感技術(shù)可以通過獲取水體的高光譜數(shù)據(jù)，對水體進(jìn)行光譜分析，并結(jié)合水體的地理信息，實(shí)現(xiàn)對水體中各種污染物質(zhì)的檢測和識別。

在水質(zhì)監(jiān)測方面，高光譜遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對水體中各種物質(zhì)的快速檢測和分析。在水體中存在著各種有機(jī)物、無機(jī)物和微生物等，這些物質(zhì)都會對水質(zhì)產(chǎn)生影響。通過高光譜遙感技術(shù)，可以獲取到水體的高光譜數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以快速準(zhǔn)確地檢測出水體中存在的各種物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的監(jiān)測和評估。

在污染識別方面，高光譜遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對水體中各種污染物質(zhì)的識別。水體中存在著各種有機(jī)污染物、無機(jī)污染物和微生物等，這些污染物質(zhì)會對水體產(chǎn)生不同程度的污染影響。通過高光譜遙感技術(shù)，可以獲取到水體的高光譜數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以識別出水體中存在的各種污染物質(zhì)，并對其進(jìn)行定量分析和評估。這對于及時發(fā)現(xiàn)和控制水體污染具有重要意義。

4.2 水體面積估算與變化分析

通過獲取水體的高光譜數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以得出水體面積和質(zhì)量的估計值和變化情況。這種方法可以大大提高水體面積估算的精度和準(zhǔn)確性，尤其是對于復(fù)雜地形和多種水體類型的情況下。同時，高光譜遙感技術(shù)還可以通過分析水體的高光譜數(shù)據(jù)，確定水體的質(zhì)量和污染程度。這為水資源管理和保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，可以幫助人們更好地了解水體環(huán)境的狀況，并及時采取措施進(jìn)行調(diào)整和管理。

變化分析是另一種可以利用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行的應(yīng)用。通過獲取不同時間段內(nèi)的水體高光譜數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和分析，可以得出水體面積和質(zhì)量的變化情況。這種方法可以幫助人們及時了解水資源的變化情況，并及時采取措施進(jìn)行調(diào)整和管理。變化分析還可以用于監(jiān)測水體環(huán)境變化和預(yù)測未來的發(fā)展趨勢。這為水資源保護(hù)和管理提供了更加科學(xué)的依據(jù)，可以幫助人們更好地規(guī)劃和管理水資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

5 高光譜遙感在礦產(chǎn)資源調(diào)查中的應(yīng)用

5.1 礦產(chǎn)類型鑒別與儲量估算

高光譜遙感技術(shù)在礦產(chǎn)資源調(diào)查中扮演著重要的角色。通過獲取地表反射光譜數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確鑒別不同礦產(chǎn)類型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對礦產(chǎn)資源的快速調(diào)查和評估。

高光譜遙感技術(shù)利用其對多光譜波段的敏感性，可以有效地區(qū)分出不同礦產(chǎn)礦石的光譜特征。每種礦石在各個光譜波段上都有獨(dú)特的反射光譜特征，這可以幫助我們快速準(zhǔn)確地識別出礦區(qū)中存在的礦石類型[2]。通過建立礦石的光譜庫和光譜分析模型，結(jié)合高光譜遙感圖像進(jìn)行光譜特征提取和分類，可以有效實(shí)現(xiàn)礦石類型的鑒別。高光譜遙感技術(shù)也可以幫助我們進(jìn)行礦石儲量的估算。通過結(jié)合地面采樣數(shù)據(jù)和高光譜遙感圖像，可以建立起礦石的反射光譜與儲量之間的關(guān)系模型。通過對礦石光譜的分析和提取，可以推算出礦石的含量和儲量信息，進(jìn)而對礦區(qū)的資源進(jìn)行估算。這種方法可以為礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

5.2 礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測與生態(tài)保護(hù)

高光譜遙感技術(shù)在礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測和生態(tài)保護(hù)方面也發(fā)揮著重要的作用。通過獲取高光譜遙感圖像可以實(shí)時觀測礦區(qū)的環(huán)境變化，并對其進(jìn)行分析和監(jiān)測?？梢詫ΦV區(qū)的土壤質(zhì)量和水質(zhì)狀況進(jìn)行監(jiān)測。通過對高光譜遙感圖像中的土壤和水體光譜信息的提取和分析，可以判斷土壤有機(jī)質(zhì)含量、水體中的污染物濃度等環(huán)境因素，為礦區(qū)的環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。與傳統(tǒng)的實(shí)地采樣相比，高光譜遙感技術(shù)具有快速、高效的優(yōu)勢，可以大大提高環(huán)境監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。

高光譜遙感技術(shù)還可以對礦區(qū)的植被狀況進(jìn)行監(jiān)測。通過對高光譜遙感圖像中的植被光譜信息的提取和分析，可以判斷植被覆蓋度、植被類型和植被健康狀況等指標(biāo)，幫助我們了解到礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀態(tài)。這對于制定合理的礦區(qū)開發(fā)和保護(hù)政策以及及時采取相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)措施具有重要意義。

6 高光譜遙感在自然資源調(diào)查中的優(yōu)勢與局限

高光譜遙感在自然資源調(diào)查中具有許多優(yōu)勢。首先，它能夠提供豐富的信息，可以獲取到地表、植被、水體等多個不同特征的數(shù)據(jù)。這使得研究人員可以更全面地了解和分析自然資源的狀況和變化。

高光譜遙感具有高分辨率和高精度的特點(diǎn)。它能夠捕捉到地表細(xì)微的細(xì)節(jié)，并能夠提供精確的地理位置信息。這些特性使得研究人員能夠更具體地觀察和分析某個特定區(qū)域的自然資源，有助于提高調(diào)查的準(zhǔn)確性和可靠性。然而，高光譜遙感也存在一些局限性：一是其成本較高。為了進(jìn)行高光譜遙感調(diào)查，需要投資昂貴的遙感設(shè)備和技術(shù)，并且需要專業(yè)人士進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。這增加了調(diào)查的經(jīng)濟(jì)成本，對于資源有限的研究機(jī)構(gòu)或地區(qū)而言可能不太實(shí)際。二是高光譜遙感的數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜。由于獲取到的遙感數(shù)據(jù)龐大且復(fù)雜，需要專業(yè)的軟件和技術(shù)來進(jìn)行處理和分析。這對研究人員的技術(shù)水平和資源要求較高，需要有一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)。三是大氣校正是高光譜遙感中一個困難的問題。由于大氣中的顆粒物和氣溶膠的干擾，會使得遙感數(shù)據(jù)受到影響[3]。如何準(zhǔn)確地校正大氣效應(yīng)，是高光譜遙感研究中一個需要解決的難題。

7 高光譜遙感在自然資源調(diào)查中的未來發(fā)展趨勢

高光譜遙感技術(shù)是一種高精度、高分辨率的遙感技術(shù)，能夠獲取物質(zhì)的光譜信息，為自然資源調(diào)查提供了強(qiáng)有力的支持。未來，高光譜遙感技術(shù)將在以下3個方面得到進(jìn)一步的發(fā)展。

首先，算法與模型優(yōu)化是高光譜遙感技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。目前，高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水資源等領(lǐng)域，但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題，如數(shù)據(jù)處理和分析效率低、精度不夠高等。因此，未來需要針對這些問題進(jìn)行算法和模型的優(yōu)化，以提高數(shù)據(jù)處理和分析的效率和精度[4]。

其次，多源數(shù)據(jù)融合也是高光譜遙感技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。目前，高光譜遙感技術(shù)主要依靠衛(wèi)星、無人機(jī)等設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，但是這些設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)往往不夠全面和準(zhǔn)確。因此，未來需要將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以提高數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。

最后，數(shù)據(jù)共享與開放也是高光譜遙感技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)共享和開放已經(jīng)成為了趨勢。未來，高光譜遙感技術(shù)需要將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和開放，以便更多的人可以利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。

8 結(jié)語

本文將系統(tǒng)性地總結(jié)高光譜遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查監(jiān)測中的服務(wù)與應(yīng)用。高光譜遙感技術(shù)在植被覆蓋、土地利用與土地覆蓋、水資源以及礦產(chǎn)資源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，并且在這些領(lǐng)域中具備一定的優(yōu)勢。然而，我們也必須正視高光譜遙感技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)：一是高光譜遙感數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行處理與分析；二是高光譜遙感數(shù)據(jù)量大，需要大量存儲和計算資源；三是高光譜遙感技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用需要不同的數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析方法。因此，我們需要相關(guān)各方共同努力，推動高光譜遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查中的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。我們可以加強(qiáng)高光譜遙感技術(shù)的研究與開發(fā)，提高數(shù)據(jù)處理和分析的效率和精度；加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享和交流，促進(jìn)不同領(lǐng)域間的合作與交流；加強(qiáng)人才培養(yǎng)和技術(shù)普及，提高高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用水平和推廣度。相信隨著相關(guān)各方共同努力，高光譜遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查中的應(yīng)用前景將會更加廣闊。