HyMap成像光谱仪系统及其应用1.HyMap成像光谱仪系统简介HyMap机载成像光谱仪是由澳大利亚集成光电公司(ISPL)研制生产的,投入商业性运营的机载成像光谱仪。

经过近5年的发展，它已成为技术较为完善、系统较为配套的新一代使用型航空高光谱成像仪的代表。

HyMap于1997年开始应用于商业勘探领域，尤其在地质勘探领域特别是矿物填图方面得到了广泛应用。

为了推进成像光谱技术在我国地质找矿中的应用，中国地质调查局于2002年通过租用澳大利亚机载成像光谱仪的方式,开展了新疆东天山地区航空成像光谱飞行、数据获取、数据处理,以及应用研究工作,为澳大利亚机载成像光谱仪引进和成像光谱技术推广应用奠定了基础。

并于2012年通过天津中科遥感信息技术有限公司，与澳大利亚集成光电公司(ISPL)签订了HyMap的购买合同。

图1 HyMap成像光谱仪及其获取的影像2.HyMap成像光谱仪系统的主要组成HyMap成像光谱仪系统主要有硬件和软件系统组成，其中硬件系统包括：HyMap-C主机，由4个探测器组织,每个探测器有32个通道；以及备用探测器 集成稳定平台（GSM3000）POS（IMU/DGPS）系统主机和稳定平台之间的PAV30的适配环定标设备电子部件和备用电子设备控制部件、数据传输与存储等部件、存储介质（SSD硬盘）软件系统包括：飞行管理系统数据预处理及几何校正软件无缝拼接软件大气校正，光谱重建和矿物提取软件3.HyMap成像光谱仪的成像模式HyMap的分光器件为色散型成像光谱仪，其扫描方式为光机旋转式。

光栅色散型成像光谱仪其原理为：入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射的辐射经准直光学系统准直后，经棱镜和光栅狭缝色散后由成像光谱系统将光能按波长顺序成像在探测器的不同位置上。

具有一个成45°斜面的扫描镜，在电机的带动下进行360°旋转，其旋转水平轴与遥感平台前进方向平行。

线阵列探测器用于探测任一瞬时视场内目标点的光谱分布。

扫描镜的作用对目标表面进行横向扫描，一般空间的第二维扫描（纵向或帧方向扫描）由飞机运动产生。

图2. HyMap成像光谱仪的成像方式图3. HyMap矿物影像4.HyMap成像光谱仪系统的主要技术参数图4. HyMap主要技术参数图5. HyMap成像光谱仪飞行和成像参数5. 高光谱遥感的应用5.1 在植被和生态研究中的应用高光谱遥感能够提供图像每个像元高的光谱分辨率，使一些在常规宽波段遥感中不能探测到的物质，在高光谱遥感中能被探测。

高光谱遥感数据能够精确估算关键生态系统过程中的生物物理和生物化学参量，特别是在大尺度上冠层水分、植被干物质和土壤生化参量的精确反演，在生态学研究中有广阔的应用前景。

在生态系统方面，高光谱遥感还应用于生态环境梯度制图、光合作用色素含量提取、植被干物质信息提取、植被生物多样性监测、土壤属性反演、植被和土地覆盖精细制图、土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化检测、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾害评估等等。

植被高光谱遥感数据，按获取方式的不同，采用相应的高光谱遥感信息处理技术处理后可用于植被参数估算与分析，植被长势监测及估产等领域。

另外，高光谱的出现使植物化学成分的遥感估测成为可能。

图6. 基于高光谱数据的太湖水质监测图7. 基于高光谱数据的环境对植被生长的压抑程度监测5.2 在地质矿产中的应用区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的应用领域之一，也是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。

80年代以来，高光谱遥感被广泛地应用于地质、矿产资源及相关环境的调查中。

最近15 年来的研究表明，高光谱遥感可为地质应用的发展做出重大贡献，尤其是在矿物识别与填图、岩性填图、矿产资源勘探、矿业环境监测、矿山生态恢复和评价等方面。

高光谱遥感能成功地应用于地质领域的主要原因是高光谱遥感有许多不同于宽波段遥感的性质，各种矿物和岩石在电磁波谱上显示的诊断性光谱特征可以帮助人们识别不同矿物成分，高光谱数据能反映出这类诊断性光谱特征。

随着高光谱遥感地质应用的不断扩展和日益深入，高光谱遥感技术和方法也在不断改进。

近年来在基于高光谱数据的矿物精细识别、高光谱影像地质环境信息反演、基于高光谱遥感的行星地质探测等方面取得了突出的进展。

高光谱遥感在地质成因环境探测、蚀变矿物与矿化带的探测、成矿预测、岩性的识别与分类、油气资源及灾害探测、高光谱植被重金属污染探测等方面也有应用。

图8. HyMap影像的岩矿填图图9. HyMap影像的地质分析和岩矿填图矿物种类分布矿物相对含量变化矿物化学成分变化图10. 基于高光谱影像的矿物识别图图11. 基于高光谱数据的岩芯矿物填图图12. 基于高光谱数据的矿区植被长势监测5.3 在海洋研究中的应用随着科学技术的发展，高光谱遥感已成为当前海洋遥感前沿领域。

由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点，因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。

它不仅可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测，也可用于海冰、海岸带等的探测。

国内海洋遥感应用基础研究主要是一些数学模型的构建。

关于如何解决水体的低反射率、大气对蓝紫波段光谱的散射影响等难题的研究还未涉足。

在海洋水质监测应用方面，只有可见光光谱能够观测水下的状况。

另外，陆源污染、海水养殖、滩涂等海岸带典型要素的光谱特性研究工作也在开展，研究人员以航空高光谱图像为数据源，选取陆源污染、海水养殖、滩涂为监测要素，进行上述要素的光谱波段敏感性研究，试图获得其探测的最佳波段，并进一步发展准确、快速识别和探测技术。

在海洋表面温度测量、海洋表层悬浮泥沙浓度的定性或半定量的观测、海洋动力现象的研究等方面都开展了相应的研究。

国际上开展的主要研究有：海洋碳通量研究，认识其控制机理和变化规律；海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究；海岸带环境监测与管理。

图12. 基于HyMap的海床覆盖监测图13. 基于HyMap的近岸海域监测图14. 基于高光谱影像的水质监测5.4 在农业方面的应用高光谱遥感技术的出现拓宽了遥感信息定量获取新领域，逐渐成为农业遥感应用的重要前沿技术手段之一。

农业遥感应用中，充分利用高光谱图谱合一的优点，能够精准监测作物长势，为精准农业服务，特别是作物长势评估、灾害监测和农业管理等方面。

利用高光谱遥感数据能准确地反映田间作物本身的光谱特征以及作物之间光谱差异，可以更加精准地获取一些农学信息，如作物含水量、叶绿素含量、叶面积指数（LAI）等生态物理参数，从而方便地预测作物长势和产量。

目前，高光谱遥感技术在农业遥感应用中的研究取得了较大进展，主要研究包括以下方面：作物叶片光谱特征研究、作物分类与识别、作物生态物理参数反演与提取、作物养分诊断与监测研究、作物长势监测与产量预测、农业遥感信息模型研究、农业灾害监测。

随着精准农业研究的深入，遥感光谱分辨率和空间分辨率的不断提高，今后高光谱遥感在农业方面的应用从理论走向业务化运作，特别是简单实用的高光谱农学信息提取与农情监测模型的设计与推广，将成为一个主要发展方向。

图15. 小麦生化参量反演图图6. 日本南牧村地物覆盖类型（2000.8.23）5.5 在大气科学研究中的应用高光谱遥感具有非常高的光谱分辨率，它不仅可以探测到常规遥感更精细的地物信息，而且能探侧到更精细的大气吸收特征。

大气的分子和粒子成份在反射光谱波段反映强烈，能够被高光谱仪器监测。

高光谱遥感技术在大气研究中的突出应用是云盖制图、云顶高度与云层状态参数估算、大气水汽含量与分布估算、气溶胶含量估计以及大气光学特性评价等。

利用高光谱数据，在准确探测大气成分的基础上，能提高天气预报、灾害预警等的准确性与可靠性。

5.6 在其他领域的应用高光谱在其他领域也有广泛应用。

如城市下垫面特征和环境，高光谱遥感的发展使得人们有能力对城市地物的光谱特性进行深人研究，人们用实验室光谱、地物光谱、航空和航天的高光谱遥感器对城市的光谱进行了一系列的深人分析。

研究的内容包括城市地物的光谱特性及可分性，为城市环境遥感分析及制图提供基础。

一些研究人员利用高光谱数据结合光谱检测算法对城市地物分类进行了研究。

在军事领域，最为先进技术，高光谱影像的军事应用主要集中在目标侦察、近海环境监测、伪装与反伪装和打击效果评估。

在土壤质量信息监测方面，高光谱遥感主要用于获取土壤质量信息，如土壤有机质的反射光谱特征、土壤水分与土壤反射光谱关系、土壤氧化铁的光谱反射特性等。

通过对土壤理化性质与土壤精细光谱信息的定量分析，进行土壤的特性参数评价。

图16. 高光谱应用产品图17. 基于HyMap的森林火灾监测图18. 基于高光谱影像的城市监测图19. 基于高光谱影像的城市地物信息提取5.7 高光谱应用的展望高光谱遥感以其光谱分辨率高、图谱合一的特点受到了国内外研究者的广泛关注。

从二十世纪八十年代开始到现在的三十多年中，无论在成像光谱仪等硬件方面还是在图像处理系统等软件方面都得到了的迅速的发展。

高光谱遥感的发展历史虽然只有短短二十年左右的时间，但在很多国家、许多领域已得到了越来越广泛的应用。

目前主要应用于植被生态、大气、地质、海洋、农业等领域。

迄今为止，国内外常用的成像光谱仪还是以航空机载的为主，要进入实用阶段，需要由航空遥感转向卫星遥感。

所以，未来携带更高光谱和空间分辨率成像光谱仪的卫星会陆续发射。

当前，面向高光谱遥感应用，发展以地物精确分类、地物识别、地物特征信息提取为目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型，提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平，开发专用的高光谱遥感数据处理分析软件系统和地物光谱数据库仍是高光谱遥感研究的主要任务，旨在将高光谱遥感更精确地应用于更多更广的领域。

6. HyMap在新疆地区高光谱填图应用（国内应用实例）6.1 概况项目名称：中国国土资源航空物探遥感中心承担完成的《新疆东天山土屋-延东地区航空成像光谱调查项目测区位置：东经93°12′58″～95°20′00″；北纬42°02′58″～42°23′08″。

测区面积：3000km2。

6.2 航飞设计测区地形：平均最高为851m、平均最低为498m , 平均面高为670m飞行航高：相对航高为2400m ,绝对航高为3070m飞行速度：扫描率10左右，则飞行速度在220km/h（估计值）航带幅宽：2771m航带设计：24航带（旁向重叠率：5%～15%6.3 航摄实施飞行时间：2002.9.26，澳大利亚完成光谱仪光谱和辐射定标2002.10.4-10.7，完成仪器调试和试飞10月中旬进入测区飞行飞行平台：Y-12型（运12）使用机场：乌鲁木齐机场天气情况：不详，是否同步监测大气状况不知旁向重叠率：5%～15%航向飞行旋偏角：<5°飞行高度符合设计航高地面分辨率：5.4m6.4 地面测试6.4.1 地面光谱测试目的：获取用于HyMap数据进行光谱辐射校正和准确提取岩矿地质体信息的地面光谱数据便携式光谱辐射计：ASD - FR Pro光谱范围：350～2500nm，光谱分辨率优于HyMap地面同步光谱测量（两种）人工布标和自然地标测量：共75条非同步光谱测量野外日光下岩石矿物标本：112条实验室灯光下岩石矿物标本：110条8.4.2 其他测试岩矿鉴定：50件样品分析：21件6.5 数据处理6.5.1 数据检查数据获取后，尽快检查数据，收否有漏缺，是否需要补飞查看每个波段数据，是否有波段无数据或质量很差，需要剔除；6.5.2 数据预处理光谱辐射畸变校正光谱定标，利用实验室和机上定标系统，对高光谱数据进行光谱定标大气校正，利用大气辐射传输模型对影像进行大气校正光谱重建，将辐亮度数据转换为反射率数据6.5.3 数据处理几何校正几何粗校正：利用陀螺稳定平台数据，以及POS（DGPS/IMU）系统，生成的IGM文件，以及在此基础上生成输出产品的GLT文件，进行每条航带的几何校正，并对航带进行无缝拼接。