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高光谱成像仪的应用范围

发布时间:2023-04-03
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高光谱成像仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域。目前,高光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类,病虫害检测,海洋水色测量,城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面都有着很广泛和深远的应用前景。

高光谱成像仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域。目前,高光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类,病虫害检测,海洋水色测量,城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面都有着很广泛和深远的应用前景。可见光近红外光谱范围高光谱成像仪比较广阔的应用领域为植被和海洋;植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶绿素含量和成份,正常生长的植物有典型的光谱形状;当生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起反射强度比例变化和吸收光谱特征的微小位移,这种位移的观测要求超高光谱成像仪具有优于 5nm的光谱分辨率和 100 以上的信噪比。在光波范围能够观测水下状况的只有可见光,其中穿透性好的波长范围为 0.45~0.60μm(蓝光至黄光),亦被称为“海洋窗口”。可见光超高光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况,但是获取海洋表层中悬浮体物质在质量和数量方面的信息时,不仅需要高光谱分辨率,而且要很高的辐射灵敏度(信噪比 500 以上)。

高光谱成像光谱仪的应用范围

在农林业上的应用在农林业上的应用很多,如农作物长势分析、作物类别鉴定、病虫害防治分析、产量评估、林业资源调查、伐林造林、森林草场调查、土地沙化、土壤侵蚀等。

在农业、林业中的应用:高光谱成像仪可以用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品种因素与品质指标之间的相关性,还可以得出环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量、沉降值、吸水率、形成时间和稳定时间之间存在的相关性,并利用不同品种、不同肥水条件下的作物关键生育时期的生化参量与光谱指数进行分析,预测预报籽粒品质。2005年6月 12 日我国首次利用地物光谱仪高空监测小麦条锈病 5。在位于昌平小汤山的“国家精准农业研究示范基地”小麦实验田,国家自然科学基金项目研究的“基于 3S 技术的小麦条锈病监测预警”采用热气球进行近地遥感监测小麦条锈病初步获得成功, 这在我国尚属首次。这项研究以小麦条锈病为对象,根据全球定位系统(GPS)的精确定位,利用地理信息系统(GIs)研究其大区流行规律,利用遥感(Rs)技术探索其实时监测新途径(合称 3S 技术),期望最终构建基于网络的小麦条锈病监测预警信息系统,这项成果将为政府部门制订小麦条锈病防治决策方案提供科学依据,也为信息技术在植物病害研究中的应用提供新的方法借鉴。项目研究的成功将会促进我国重大农作物病害监测与预警系统的规范化和实用化,实现病害大流行早知道,保障粮食生产,增加农民收入,缩小我国植物病害监测预警技术与国际前沿水平的差距。

农业作物长势监测:主要利用红外波段和近红外波段的遥感信息,得到的植被指数(NDVI)与作物的叶面积指数和生物量正相关。利用NDVI 过程曲线, 特别是后期的变化速率预测冬小麦产量的效果很好,精度较高。在农业应用中,通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥感,来及时(平均 2 天~3 天一次)地提供农作物长势、水肥状况和病虫害情况,称之为“征兆图”(Symptom Maps),供诊断、决策和估产等使用。为了实时地获取数据,需要反复利用航空遥感或利用各个小卫星建立全球数据采集网。

高光谱成像光谱仪的应用

高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有待解决,如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标志研究,

遥感与GIS 的集成对作物胁迫作用的诊断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥感定量关系。为了解决上面的理论和应用问题,需要抓住高光谱、高分辨率、雷达遥感等技术手段和“三S”集成技术等关键技术。

对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷量等生物物理参数进行分析和估算。在精准农业研究中, 高光谱遥感具有广阔的应用前景。比如可以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参数,就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的生物和农学参数的反演。这种研究可以用来研究生态系统过程,如光合作用、C、N 循环等,也可以用来对生态系统进行描述和模拟。

最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的光谱特征农学遥感机理,将其应用于遥感估产,做到对农作物生长势的动态监测、病虫害的早期诊断和产量的早期预报。可以用于农业自然灾害(水、旱、火、虫、病等)的遥感实时动态监测和损失评估,主要农作物的长势、播种面积的监测和产量预报以及草地估产、草畜平衡估算,进行农业自然资源与环境的动态监测与评估,进行全国耕地变化的遥感动态监测。

环境监测:环境监测主要应用在 ①石化工业:如对油品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析等,还可对其有害元素含量是否超标进行分析监测;②生态环保:污水或水中有害金属分析,植物中残余无机元素的分析;③建筑、建材工业:结合城市地物和人工目标的检识等,对水泥、玻璃及耐火材料分析。

自然灾害和灾情评估:目前我国在加紧研制的环境灾害监测卫星,计划在 2005 年前研制出由两个光学卫星和一个雷达卫星组成的小卫星星座。在2010 年前研制出由四个光学卫星和4 个雷达卫星组成的小卫星星座,开展对环境和灾害全天时、全天候的监测。自然灾害监测和灾情评估可以包括很多种, 如洪涝、干旱、雪灾、森林大火、地震、海洋状况等。

高光谱成像光谱仪的应用1

赤潮是指海洋微藻、细菌和原生动物在海水中过度增殖或聚集致使海水变色的一种现象。随着经济发展,沿海富营养化加剧,近年来赤潮的频繁发生和规模的不断扩大,破坏了渔业资源和海产养殖业,赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安全。2002 年我国海域共发现赤潮 79 次,累计面积超过 10,000 平方公里,直接经济损失 2300 万元。利用机载高高光谱成像仪,获得了赤潮爆发现场 8G 高光谱数据。通过海监船的现场取样和事后数据分析。所以,利用高光谱成像仪获得的数据,可以迅速对赤潮做出反应,有利于赤潮的及早发现、分类、控制和治理,从而减小赤潮的危害。

海洋资源普查:利用高光谱成像仪可获得海陆相互作用区域的高分辨率图像,可以兼顾海洋和陆地的需求,目前高光谱成像仪已经应用于我国海岸带重点地区(黄河口、长江口和珠江口)的资源和植被调查、海岸带动态监测,以及海岸带变迁的长期研究。叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营养化、赤潮等密切相关的指标,同时,也是研究全球气候变化的重要依据。目前利用高光谱成像仪已能够较准确地确定大洋和远海的叶绿素分布,但近岸水体的叶绿素分布的反演精度还需进一步提高。

除了以上实际应用外,目前高光谱成像仪在自然科学的大部分领域起着主要的作用。随着面阵探测器阵列制造技术的进一步提高,一些新型的成像光谱技术得到了应用,具有这些技术的光谱仪更具有可靠性和稳定性的特点,并且体积小、重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更宽。

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