潜力无限！高光谱技术及应用发展综述

高光谱技术是指利用光谱仪获取的被测地物多个窄波段电磁波，并通过所获取的数据进行分析提取所需的信息的技术。光谱仪从1666年牛顿利用三棱镜观察到了光的色散开始，到1859年基尔霍夫和本生合作设计了第一台棱镜光谱仪并发现了铯和铷，化学分析的光谱方法也就此展开，高光谱技术随着光电技术的进步也在逐渐发展。现在，高光谱技术利用棱镜、光栅、干涉仪等手段，将混合光分散为连续的不同极窄间隔波段的光，根据使用目的不同，可以获取从远紫外到远红外不同波段的数据。目前，在高光谱遥感、原子吸收、材料发射率等领域均有应用。

狭义的讲，高光谱技术目前大部分是指可见光到近红外（400-2500nm）的高光谱分辨率遥感技术，该技术始于成像光谱仪的研究计划，最早由美国加州理工学院喷气推进实验室的一些学者提出，并在美国国家航空航天局（NASA）的支持下，相继推出了机载航空成像光谱仪（AIS）系列，航空可见光/红外成像光谱仪（AVRIS），星载中分辨率成像光谱仪（MODIS）等等型号设备。与此同时，20世纪80年代中后期，我国开始着手发展高光谱成像系统，从多波段扫描仪到高光谱成像扫描仪，从光机扫描到面阵列CCD探测器固态扫描的发展过程。目前，我国中科院系统自行研制的第一台224波段扫帚式高光谱成像仪（PHI）与128波段的实用型模块化机载成像光谱仪（OMIS）已研制成功并进行了多次成功的航空遥感实验，近年来的珠海一号、高分五号也在持续的发回数据。

国外的星载与大型机载的高光谱设备发展较早，商业应用成熟。随着我国经济实力的不断增强，近些年来，尤其是21世纪以后，基于中国科学院上海技术物理研究所与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长期以来的钻研与突破，星载高光谱光路设计、中大型高精度衍射光栅制作、全色可见光近红外光路分离、小F数大视场低畸变远心成像、大平场度超低畸变精细分光、在轨高精度光谱辐射定标、大规模高帧频红外焦平面探测器等关键技术一一攻克，我国的星载高光谱设备厚积薄发，已达到国际领先的水平。

在星载设备发展的同时，非成像光谱设备也伴随着电子技术与计算机技术的发展在逐渐地小型化与轻量化，从直读光谱仪到便携式地物光谱仪，光谱设备也从实验室走向了野外，由于便携式地物光谱仪不受天气的影响，光谱分辨率高于星载高光谱数据，对于光谱库的建立，分析模型的建立，筛选特征光谱波段，星载高光谱数据的地面验证等发挥着重要的作用。

地质调查和矿产勘探是高光谱技术主要的应用领域之一，地质是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。由于矿物内部物质组成、内部晶格结构等不尽相同，矿物光谱通常包含一系列特征光谱吸收带，这些特征谱带在不同的矿物中具有较稳定的波长位置和较稳定的独特波形，能够指示离子类矿物、单矿物的存在。目前，矿物识别、矿物填图、成矿预测、矿山环境分析等领域均有广泛应用。

被测物光谱（蓝色）与光谱库数据自动进行匹配并计算相关性

在沿海和内陆水域环境系统研究中，沿海、江河、湖泊中的叶绿素、众多浮游生物种类、不可溶解有机质、悬浮沉淀物、基底物质组成、半淹没水生植物在光谱方面有着显著的吸收和散射特性，利用高光谱技术，我们可以监测水华，识别水生植物，判别黑臭水体，针对悬浮物浓度、叶绿素浓度等水质参数进行定量反演。对于海洋及大面积的内陆湖泊，相比于河流与小面积的湖泊，使用星载高光谱数据，有着快速的反应及分析能力，可以进行整体水域的评估。

以上两种领域是目前高光谱应用最为成熟的领域，由于卫星过境周期、天气等因素的影响，星载高光谱数据的时效性略显不足，且针对精准农业、胁迫研究、树种识别等应用，星载高光谱数据由于分辨率较差，无法发挥作用。随着无人机技术的发展，高光谱设备逐渐地小型化与轻量化，中小尺度、厘米/分米级别的高光谱数据的获取成为可能。

随着我国经济社会的不断发展，人们生活节奏越来越快，日常生活用品工业产品不断更新，垃圾的产量迅速上升，组成成分多样。近年来，全国垃圾分类工作的逐渐展开，现有的分类方法检测时间长，分类效率低，利用高光谱技术，在记录待分类垃圾的空间信息同时，分析其光谱信息，通过建立识别分类模型对垃圾进行识别与分类，有着极为迫切的需要。目前，纸类、塑料、金属、木制产品均有比较好的效果，但受限于成本高与产业化程度较低，高光谱技术还未在垃圾分类领域有大范围的应用。

垃圾分类的高光谱研究

        北京欧普特科技有限公司在2000年从光谱仪的代理开始进入遥感领域，随着无人机技术的发展，全球的高光谱技术已经初具影响并有落地应用，我公司判断未来的高光谱技术必定是由星载数据、机载数据与地面数据相互支撑，并且基于无人机的高光谱技术的时效性强、易用性好和地面分辨率高，必定将成为高光谱技术在未来应用中的主流方式。我公司在2013年基于美国Headwall Photonics Inc.公司设计生产的推扫式全反射光栅光谱仪，进行了机载高光谱设备的研发工作，为高光谱成像仪配备了三轴稳定云台系统和GPS/IMU惯性导航系统，并搭载到滑跑起飞的固定翼无人机上，进行了低空的光谱数据采集，并申请了相关专利。随着光电技术的进步，光谱仪逐渐地小型化、轻量化与高度集成化，旋翼无人机的出现并且不断升级换代，整套无人机高光谱成像设备操作简单，场地限制小，折叠后可以放到汽车后备箱中，成为了目前的主流应用方式。目前，我公司以无人机机载设备为主，包含400-1000nm、900-2500nm、400-2500nm等推扫式全反射成像光谱仪，整套设备包含传感器、辐射亮度标定、地面定标布、采集与处理软件等，辅以室内采集的高精度高分辨率高光谱设备、野外便携式地物光谱仪、多光谱相机、热红外成像仪、热红外光谱仪、高清相机、激光LiDAR等设备，可以进行多源数据的采集与分析。

NanoHyperspec（400-1000nm）与Co-Aligned(400-2500nm)高光谱设备挂载

我公司也在进行高光谱成像光谱仪与便携式地物光谱仪的国产化工作，国内也有其他厂家进行设计生产，但是总体来说，核心的光栅部件均为采购或定制的产品，整体信噪比略低于国际水平，但是性价比高。我公司依托于深厚的光学元件设计加工生产经验，正在进行各个方面的优化，争取早日赶上国际水平。经过近10年的机载高光谱设计集成搭载等工作，我公司积累了丰富的经验，针对不同型号的光谱仪产品，设计专用的三轴稳定云台，搭载到不同类型的平台上，包括大疆M600 PRO、M300 RTK，科卫泰X6L，德国MicroDrones的MD4-1000等旋翼机，纵横CW15和飞马V20等垂起固定翼无人机，不同类型的有人机，并承接高光谱飞行服务工作，全方位的服务客户。在工业领域，我公司也为某厂进行了高光谱设备的安装架设工作，在病变溯源、肉质分级等方面均有应用。软件方面，我公司针对机载推扫式高光谱设备，开发了一套通用的几何校正软件，有效地纠正了飞行时的抖动问题，并适用于不同型号的传感器。针对内陆水系，开发了一套内陆水环境监测系统，大范围的监测水质，获取水质的遥感参数，一键生成评估报告，为上海某水库、辽宁某河流提供较为及时的数据支撑。

         内陆水环境监测系统分析某河流悬浮物浓度与叶绿素浓度

高光谱技术正在不断发展，伴随着无人机的发展及星载高光谱的发射，低空高光谱遥感正在由科研院校走入民用市场，未来大农场评估、森林树种识别、水环境监测、矿物识别与填图、垃圾分类等市场的潜力无限，尤其是水环境监测。近些年来，为了促进水质监测行业的发展，我国陆续发布了许多政策，如2021年生态环境部发布的《“十四五”生态环境监测规划》明确将要推动三水统筹，增强地表水环境监测，突出水生态监测评价。绿水青山就是金山银山，高光谱技术将大放异彩。

作者：王辰泽，徐胜艳，魏志奇（北京欧普特科技有限公司）