机载高光谱成像仪器的发展

自20世纪80年代初期，美国 NASA JPL成功研制出第一台机载成像光谱仪AIS（Airborne Imaging Spectrometer）（Vane等，1984），并在地质勘测、植被研究等方面初显了高光谱遥感的魅力之后，高光谱成像技术得到了快速发展。

1987年，为了获取光谱和空间覆盖范围更广的数据，美国JPL开发了机载可见光/红外成像光谱仪AVIRIS（Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer）（Vane，1987），安装在ER-2飞机上，成为第1台被用于民用领域的机载高光谱传感器，采用线列探测器和摆扫的方式，具有224个谱段，光谱范围为0.41—2.45 μm，光谱分辨率为10 nm。AVIRIS仪器进行了持续的改进提升，因其优越的性能，被作为各类应用评价的标准（崔廷伟 等，2003；Asner和Heidebrecht，2003；van Wagtendonk等，2004；Cheng等，2006a，b；Veraverbeke等，2014；Seidel等，2018）。最新一代AVIRIS-NG具有425个通道，光谱分辨率提高至5 nm，光谱范围0.38—2.51 μm，目前仍被认为是全世界最先进的机载高光谱成像仪之一（Tripathi和Govil，2019）。

1989年，加拿大的ITRES Research公司推出了小型机载成像光谱仪CASI（Compact Airborne Spectrographic Imager）。CASI（Babey和Anger，1993）的波段数量、位置和高度都可在飞行中编程，还可以结合陀螺仪和GPS对图像数据进行几何校正。1993年，芬兰Specim公司制造了推扫式成像系统AISA（Makisara等，1993），该系统由高光谱成像仪、微型GPS/INS传感器和PC数据获取单元组成。装载在飞机上，是既能对地面目标成像又可以测量目标光谱特性的光学探测器。

1997年，澳大利亚集成光电公司ISPL研制生产了机载扫描成像光谱仪HyMap（Cocks等，1998），并开始应用于商业勘探，在地质勘探领域特别是矿物填图方面得到了广泛应用（Hörig等，2001）。该仪器配有导航定位系统（GPS）、定位和姿态参数记录设备（IMU）、三轴稳定陀螺平台以及先进的数据预处理系统，可根据飞行获取的姿态参数和大气参数，对图像进行几何和大气校正。经过多年的发展，HyMap已成为新一代实用型机载高光谱成像仪的代表之一。

2003年，慕尼黑大学研制出一款机载可见、红外成像光谱仪AVIS-2（Mauser，2003），研制过程中对体积、重量进行了优化以保证其可在超轻型飞机中的应用。2004年，美国斯登尼斯空间中心研制出海岸研究成像光谱仪CRIS（Williams，2003），这是一台用来研究近海水的物理、化学和生物特性的推帚式机载光谱仪。CRIS由可见光高光谱成像和红外成像两个分系统组成。可见光高光谱成像分系统由光栅光谱仪和CCD探测器组成，用于测量水色，以获取水中的生物群、泥沙和营养素含量等信息；红外成像分系统工作波段的波长为8.0—10.0 μm，用于获取水温信息。将可见光和红外信息相结合，便可研究由陆地通向海洋的天然和人工水流，包括含生物、化学污染物质的分散型和点源型水流的生物效应。2005年，欧洲瑞士和比利时共同研制出机载成像光谱仪APEX（Airborne PRISM experiment）。该仪器1997年开始设计，目的是为了模拟欧洲宇航局ESA的PRODEX计划中的星载光谱成像仪，并可作为辐射传递标准为星载光谱成像仪提供依据和定标（Itten等，2008；Schaepman等，2015）。

随着探测材料、器件工艺和电子信息获取及处理技术的发展，机载光谱成像技术日渐成熟，很多国家都研制出了各自的特色光谱成像仪器，目前机载光谱成像仪已发展到商业运营阶段。国际上研发生产机载光谱成像仪的公司主要有美国的Spectra Vista Corporation（SVC），芬兰的Specim，加拿大的ITRES Research等，其中Specim的AISA和ITRES的CASI是目前商业化程度较好的机载光谱成像系统。表1、2列出了典型的系统指标。

中国从20世纪80年代就开始机载成像光谱仪的研制，研究发展基本与国际同步，由中国科学院上海技术物理研究所（以下简称中科院上海技物所）研制的MAIS，OMIS，PHI等机载成像光谱仪（Wang和Xue，1998；刘银年 等，2002），性能指标（表3）达到了国际先进水平。

1990年，中科院上海技物所研制出中国第一台机载高光谱成像仪MAIS（Modular Airborne Imaging Spectrometer）（Tong等，2014），由可见/近红外（0.44—1.08 μm）、短波红外（0.5—2.45 μm）和热红外（8—11.6 μm）3个独立的光谱仪组成，光谱通道数分别为32、32、7，光谱分辨率为20 nm、25 nm、450 nm，并进行了航空试验。1998年，中科院上海技物所研制出实用型模块化成像光谱仪OMIS（Operational Module Imaging Spectrometer），其使用平面光栅结合线列探测器通过光机扫描，波段包含可见光、近红外、短波红外、中波红外和长波红外（0.4—12.5 μm），可获取128个通道的光谱图像数据，总视场角70°，瞬时视场角3.0 mrad。之后又成功研制出使用面阵CCD的推帚式高光谱成像仪PHI（Pushbroom Hyperspectral Imagers），在0.4—0.85 μm光谱范围内分辨率优于5 nm，共244个光谱通道数，总视场角21°，瞬时视场角1.5 mrad，重量仅9 kg。并进一步研制出宽视场面阵CCD高光谱成像仪WHI（Wide angle Pushbro-om Hyperspectral Imager），行像元数增加到1304个，瞬时视场角0.6 mrad，总视场角扩展到42°。

MAIS、OMIS、PHI等成像光谱仪在国内地质找矿、环境监测、城市规划、土地分类、精细农业遥感等方面进行了大量的遥感飞行试验及应用，体现了高光谱成像技术重要的应用价值（Tong等，2014）。2005年中国科学院上海技术物理研究所向马来西亚出口了机载成像光谱仪（OMIS-II），实现了中国机载遥感仪器出口零的突破，并先后在美国、法国、澳大利亚和日本等国进行了遥感飞行作业。高光谱载荷不仅可以清楚地将不同的农作物做精细分类，而且可以判断农作物的长势阶段，此外，还可以识别屋顶上不同钢材的来源（图1），应用结果充分验证了高光谱成像技术的重要应用价值，在国际上产生了重大的影响，并实现了高光谱成像仪向国外出口。

在“十二五”国家高技术研究发展计划中，中科院上海技物所承担了覆盖从可见到长波红外波段的机载标准载荷的研制。研制的机载宽幅高光谱红外成像测试标准载荷具有自定标系统，用于开展实验室、测试外场、星载高光谱红外成像一致性传递定标验证试验，支撑高光谱成像技术定量化应用。所研发的JVNIR/JSWIR机载可见近红外短波高光谱成像载荷，平均光谱分辨率达到4.3 nm、总视场角达到61°、空间分辨率达到0.5 m@1 km，主要性能指标（表2）高于国外最新的AVIRIS-NG（Tripathi和Govil，2019），研发的JLWIR机载热红外成像光谱仪，光谱分辨率达到60 nm、总视场角达到60.5°、空间分辨率达到0.5 m@1 km km，主要性能指标（表3）高于国外先进典型仪器TASI-600（Achal等，2007）。