0.引言

光學(xué)遙感是遙感科技發(fā)展歷程中的一個(gè)核心內(nèi)容，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模也最為廣泛。它通常是指對目標(biāo)在可見光、近紅外和短波紅外電磁譜段進(jìn)行成像觀測，獲取和分析被觀測對象的光學(xué)特征信息。嚴(yán)格意義上的光學(xué)遙感以太陽輻射作為唯一的能量來源，由航空和衛(wèi)星傳感器對地物進(jìn)行反射輻射特性的物理測量。從廣義上講，光學(xué)遙感又可以從可見光一直拓展到長波紅外或熱紅外波段，記錄的是地表對太陽輻射的反射和發(fā)射能量，以區(qū)別于微波等主動(dòng)遙感工作模式。本文講述的光學(xué)遙感更側(cè)重于太陽光的反射譜段，即可見光至短波紅外反射輻射譜段成像技術(shù)。光學(xué)遙感技術(shù)經(jīng)歷了從攝影測量初期的灰度圖像獲取到數(shù)百波段的高光譜圖像獲取的發(fā)展歷程，成像技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步使人們獲得了高空間、高光譜和高時(shí)間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，這也為遙感工作者在光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的表達(dá)和分析算法的開發(fā)方面創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

高空間分辨率一直是光學(xué)遙感科技發(fā)展中持續(xù)追求的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。空間分辨率是指能夠被光學(xué)傳感器辨識的單一地物或兩個(gè)相鄰地物間的最小尺寸，它表達(dá)了傳感器對地物進(jìn)行空間表達(dá)的能力。目前已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)行的高空間分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星有美國WorldView-4衛(wèi)星，法國Pleiades衛(wèi)星，我國的高分(GF) 1、2號衛(wèi)星和高景1號小衛(wèi)星等。高空間分辨率圖像包含了地物豐富的空間信息，在農(nóng)林調(diào)查、海洋目標(biāo)監(jiān)測、災(zāi)害防治、城市規(guī)劃及軍事國防等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

高光譜分辨率遙感又稱成像光譜遙感，是將成像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合的多維信息獲取技術(shù)。成像光譜儀在獲取地物空間圖像的同時(shí)，每個(gè)像元都能夠得到一條包含地物診斷性光譜特征的連續(xù)光譜曲線，實(shí)現(xiàn)狹窄光譜范圍內(nèi)隱藏地物特性的挖掘。近年來，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、加拿大的CASI、澳大利亞的HYMAP等。進(jìn)入21世紀(jì)，航天高光譜遙感發(fā)展迅速，除了歐美EO-1/Hyperion、PROBA/Chris等高光譜遙感衛(wèi)星以外，我國的“嫦娥-1”探月衛(wèi)星、環(huán)境與減災(zāi)小衛(wèi)星(HJ-1)星座、GF-5衛(wèi)星等也都搭載了航天成像光譜儀。高光譜圖像獨(dú)有的連續(xù)譜成像特點(diǎn)和突出優(yōu)勢使其在礦物分析、植被精細(xì)分類、水質(zhì)監(jiān)測和偽裝目標(biāo)探測等領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。

高時(shí)間分辨率遙感衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對同一區(qū)域短時(shí)間內(nèi)的高頻詞重訪觀測，其時(shí)間分辨率就是指進(jìn)行相鄰兩次觀測的最小時(shí)間間隔，間隔越小，時(shí)間分辨率越高。早期的高時(shí)間分辨率遙感衛(wèi)星以氣象衛(wèi)星為主，頗具代表性的產(chǎn)品包括美國的三代氣象觀測衛(wèi)星以及我國的風(fēng)云系列衛(wèi)星等。高時(shí)間分辨率遙感與高空間、高光譜遙感技術(shù)相結(jié)合是遙感科技未來發(fā)展的一個(gè)新趨勢，它能夠?qū)崿F(xiàn)地物類型與理化特性的精準(zhǔn)反演和精細(xì)變化監(jiān)測。高時(shí)間分辨率遙感已經(jīng)在全球變化及其產(chǎn)生的重大環(huán)境問題研究方面發(fā)揮了重要作用，也可為交通、農(nóng)林業(yè)、水利、軍事等部門提供重要的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息。

1.光學(xué)圖像處理技術(shù)

光學(xué)圖像空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率的不斷提高進(jìn)一步增強(qiáng)了光學(xué)遙感的對地觀測能力，在光學(xué)遙感觀測手段日益豐富的情況下，光學(xué)遙感圖像處理技術(shù)的提升尤為重要。

電磁波在傳播過程中與大氣中各成分相互作用，導(dǎo)致圖像觀測值與地表反射輻射值存在一定偏差。根據(jù)不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)中各傳感器的成像條件差異和波段設(shè)計(jì)特點(diǎn)，現(xiàn)有大氣校正模型各不相同，但其核心均是以獲取高精度模型參數(shù)來提高圖像大氣校正的精度，準(zhǔn)確反映地表真實(shí)信息，進(jìn)而加速推動(dòng)定量化遙感研究的進(jìn)展。圖像分類是光學(xué)遙感圖像處理的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合人為選取的各類地物典型樣本，以分類器模型為依托的大尺度遙感圖像自動(dòng)化分類，可以實(shí)現(xiàn)地物類型及其分布的高效準(zhǔn)確獲取。隨著遙感大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像分類方法逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，支持向量機(jī)、淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等一系列典型算法成為高精度圖像分類的領(lǐng)航者。目標(biāo)探測相對于圖像分類來說具有更強(qiáng)的針對性，根據(jù)待探測目標(biāo)的光譜、紋理結(jié)構(gòu)特征等先驗(yàn)信息，可以通過構(gòu)建目標(biāo)模型在大場景中準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)低概率出露目標(biāo)。然而，目標(biāo)形態(tài)的多樣化及偽裝材料的相近性導(dǎo)致傳統(tǒng)模型的漏檢率不斷升高。因此，結(jié)合SAR、LiDAR以及高空間分辨率圖像，同時(shí)考慮地物光譜特性、紋理、空間結(jié)構(gòu)等信息的目標(biāo)探測算法逐漸成為該方向的研究熱點(diǎn)。高光譜圖像診斷性的光譜特征雖然能夠有效提高觀測地物的識別能力，但是受其成像機(jī)理制約，混合像元現(xiàn)象較為突出，實(shí)現(xiàn)高光譜圖像混合像元分解是其處理和應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題。線性模型以其簡單、易于反演的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于早期的光譜解混算法。而以廣義雙線性模型為代表的非線性模型假設(shè)更加完備，反演結(jié)果更加準(zhǔn)確，逐漸得到了推廣。目前，混合像元分解算法的研究逐漸趨于高階非線性，并已取得了一定進(jìn)展。地物定量化參數(shù)反演是對地物分類和識別的進(jìn)一步深化，它充分利用光學(xué)遙感圖像信息來揭示地物的物理化學(xué)特性。然而大氣-陸表系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致模型參數(shù)個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遙感觀測參數(shù)數(shù)量， 進(jìn)而產(chǎn)生了病態(tài)的定量遙感反演問題，目前，時(shí)空約束、尺度轉(zhuǎn)換等正則化機(jī)器學(xué)習(xí)方法被廣泛采用以解決這一反演過程中的病態(tài)問題。