高光譜遙感是高光譜分辨率遙感（Hyperspectral Remote Sensing）的簡稱。它是在電磁波譜的可見光，近紅外，中紅外和熱紅外波段范圍內，獲取許多非常窄的光譜連續的影像數據的技術（Lillesand & Kiefer 2000）。其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息。

　　遙感對地觀測要解決的兩個重要問題，一是幾何問題，二是物理問題。前者正是攝影測量的目標，后者則要回答觀測的對象是什么？這就是遙感問題。圖像和光譜是人們在紛繁的大千世界中認識事物，以至識別所要尋求的對象最重要的兩種依據。圖像為解決地物的幾何問題提供了基礎，光譜往往反映了地物所特有的物理性狀�，F代遙感技術的發展，使得地物的成像范圍不僅延伸到人們不可見的紫外和紅外波長區，而且可以在人們需要的任何波段獨立成像或連續成像。高光譜遙感的光譜分辨率高于百分之一波長達到納米(nm)數量級，其光譜通道數多達數十甚至數百。高光譜或成像光譜技術就是將由物質成分決定的地物光譜與反映地物存在格局的空間影像有機地結合起來，對空間影像的每一個像素都可賦予對它本身具有特征的光譜信息。遙感影像和光譜的合一，實現了人們認識論中邏輯思維和形象思維的統一，大大提高了人們對客觀世界的認知能力，為人們觀測地物、認識世界提供了一種犀利手段，這無疑是遙感技術發展歷程中的一項重大創新。

　　20多年來，高光譜遙感已發展成一個頗具特色的前沿技術，并孕育形成了一門成像光譜學的新興學科門類。它的出現和發展將人們通過遙感技術觀測和認識事物的能力帶入了又一次飛躍，續寫和完善了光學遙感從全色經多光譜到高光譜的全部影像信息鏈。由于高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息，因此受到國內外學者的很大關注，并有了快速發展。其應用領域已涵蓋地球科學的各個方面，在地質找礦和制圖、大氣和環境監測、農業和森林調查、海洋生物和物理研究等領域發揮著越來越重要的作用。

　　1983年，世界第一臺成像光譜儀AIS－1在美國研制成功，并在礦物填圖、植被生化特征等研究方面取得了成功，初顯了高光譜遙感的魅力。在此后，許多國家先后研制了多種類型的航空成像光譜儀。如美國的AVIRIS、DAIS，加拿大的FLI、CASI，德國的ROSIS，澳大利亞的HyMap等。

　　在經過航空試驗和成功運行應用之后，90年代末期終于迎來了高光譜遙感的航天發展。1999年美國地球觀測計劃（EOS）的Terra綜合平臺上的中分辨率成像光譜儀（MODIS）、號稱新千年計劃第一星的EO-1，歐洲環境衛星（ENVISAT）上的MERIS，以及歐洲的CHRIS衛星相繼升空，宣告了航天高光譜時代的來臨。

　　上世紀80年代初、中期，在國家科技攻關項目和863計劃的支持下，我國亦開展了高光譜成像技術的獨立發展計劃。我國高光譜儀的發展，經歷了從多波段到成像光譜掃描，從光學機械掃描到面陣推掃的發展過程。根據我國海洋環境監測和森林探火的需求，研制發展了以紅外和紫外波段以及以中波和長波紅外為主體的航空專用掃描儀。80年代中期，面向地質礦產資源勘探，又研制了工作在短波紅外光譜區間（2.0－2.5 mm）的6—8波段細分紅外光譜掃描儀（FIMS）和工作波段在8－12mm光譜范圍的航空熱紅外多光譜掃描儀（ATIMS）。在此基礎上于80年代后期又研制和發展了新型模塊化航空成像光譜儀（MAIS）。這一成像光譜系統在可見—近紅外—短波紅外具有64波段，并可與6-8波段的熱紅外多光譜掃描儀集成使用，從而使其總波段達到70—72個。這一系列高光譜儀器的研制成功，為中國遙感科學家提供了新的技術手段。通過在我國西部干旱環境下的地質找礦試驗，證明這一技術對各種礦物的識別以及礦化蝕變帶的制圖十分有利，成為地質研究和填圖的有效工具。

　　此后，中國又自行研制了更為先進的推帚式成像光譜儀（PHI）和實用型模塊化成像光譜儀（OMIS）等，并在國內外得到多次應用，成為世界航空成像光譜儀大家庭中的一員。PHI成像光譜儀在可見到近紅外光譜區具有244個波段，其光譜分辨率優于5nm；OMIS則具有更寬泛的光譜范圍，如OMIS-1具有128波段，其中可見—近紅外光譜區（0.46—1.1μm）32波段，短波紅外區（1.06—1.70μm及2.0—2.5μm）48波段，中波紅外區（3.0—5.0μm）8波段，熱紅外區（8.0—12.5μm）6—8波段。新的成像光譜系統不僅繼續在地質和固體地球領域研究中發揮作用，而且在生物地球化學效應研究、農作物和植被的精細分類、城市地物甚至建筑材料的分類和識別方面都有很好的結果。

　　在航空高光譜技術取得成功的基礎上，2002年3月在我國載人航天計劃中發射的第三艘試驗飛船“神舟三號”中，搭載了一臺我國自行研制的中分辨率成像光譜儀。這是繼美國EOS計劃MODIS之后，幾乎與歐洲環境衛星（ENVISAT）上的MERIS同時進入地球軌道的同類儀器。它在可見光到熱紅外波長范圍（0.4-12.5μm）具有34個波段。2007年10月24日我國發射的“嫦娥-1”探月衛星上，成像光譜儀也作為一種主要載荷進入月球軌道。這是我國的第一臺基于富里葉變換的航天干涉成像光譜儀，它具有光譜分辨率高的特點。在我國計劃于2008年發射的環境與減災小衛星（HJ-1）星座中，也將搭載一臺工作在可見光—近紅外光譜區（0.45—0.95μm）、具有128個波段、光譜分辨率優于5nm的高光譜成像儀。它將對廣大陸地及海洋環境和災害進行不間斷的業務性觀測。即將發射升空的我國“風云-3”氣象衛星也將中分辨率光譜成像儀作為基本觀測儀器，納入大氣、海洋、陸地觀測體系，為對地球的全面觀測和監測提供服務。高光譜遙感系統在我國的普遍應用，標志著我國的高光譜遙感已逐步走向成熟。特別應該指出的是中國科學院上海技術物理研究所和西安光學精密機械研究所在發展我國航空航天高光譜成像系統中作出了重大貢獻。

　　高光譜遙感影像數據的一個重要特征是超多波段和大數據量，對它的處理也就成為其成功應用的關鍵問題之一。對于高光譜圖像處理和分析來說，其研究的熱點和重點主要體現在對高光譜圖像的壓縮、糾正和地物分類、目標識別等方面。在高光譜圖像的大氣糾正方面，除了基于地面光譜輻射測量和大氣模型的糾正方法之外，基于圖像自身大氣吸收波段的大氣糾正模型是當前的熱點；而基于平臺精確姿態和位置的圖像幾何糾正算法已在我國大面積航空高光譜圖像幾何自動糾正方面取得了很好的效果。

　　高光譜圖像的分類和識別，歸納起來主要有兩種方法，即基于地物光譜特征的分類識別方法和基于統計的分類識別方法。前者是利用光譜庫中已知的光譜數據，采用匹配算法來鑒別和識別圖像中地物類型。這種方法既可采用全波長的比較和匹配，也可用感興趣的光譜特征或部分波長的光譜或光譜組合參量進行匹配，達到分類和識別的目的。

　　基于統計特征的分類，可采用非監督和監督分類兩種方法，非監督方法甚至不需要有對數據的先驗知識，也可以直接應用原始高光譜遙感圖像數據來進行分類，雖然精度有所欠缺，但簡單易行，也是常用的方法之一。

　　高光譜遙感應用的普及和深入在很大程度上與處理分析軟件的發展息息相關。伴隨著航空航天遙感的不斷發展，國際上遙感商業軟件的市場競爭也日益激烈。到目前為止，國際上已經開發了十余套專用的高光譜圖像處理與分析軟件系統，對高光譜遙感技術應用的普及和發展起到了很大的推動作用。自上世紀90年代末期，中國科學院遙感應用研究所著手對高光譜遙感圖像處理和分析系統進行開發。近年來，在863計劃支持下，利用國家重點實驗室這一平臺，已形成了具有完全自主知識產權的高光譜遙感圖像處理和分析軟件系統（HIPAS V1.0）。這一系統采用了模塊化思路和組件技術，具有很強的可移植性和跨平臺支持能力；它的開放式外存儲結構，幾乎能兼容業內所有主流遙感影像格式。HIPAS系統的一個重要特點是它的專業應用模塊，如光譜分析模塊、礦物填圖模塊、目標提取模塊等。

　　高光譜遙感在我國的順利發展體現了需求牽引和前沿引導兩個重要的特點。目前無論在航空還是航天領域，均有我國科學家自行研制和發展的高光譜技術系統在運行。在應用領域中，我國自主研制的高光譜影像處理、分析系統和相應的軟件也在不斷完善，并在各行業和多學科的應用中發揮作用。高光譜遙感在我國的發展展現了良好的前景。

（作者：中國科學院院士、國際歐亞科學院院士 童慶禧）