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(duì)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(cè)，獲取和分析被觀測(cè)對(duì)象的光學(xué)特征信息。嚴(yán)格意義上的光學(xué)遙感以太陽(yáng)輻射作為唯一的能量來(lái)源，由航空和衛(wèi)星傳感器對(duì)地物進(jìn)行反射輻射特性的物理測(cè)量。從廣義上講，光學(xué)遙感又可以從可見光一直拓展到長(zhǎng)波紅外或熱紅外波段，記錄的是地表對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(cè)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)�？臻g分辨率是指能夠被光學(xué)傳感器辨識(shí)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(duì)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(guó)WorldView-4衛(wèi)星，法國(guó)Pleiades衛(wèi)星，我國(guó)的高分(GF) 1、2號(hào)衛(wèi)星和高景1號(hào)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(cè)、災(zāi)害防治、城市規(guī)劃及軍事國(guó)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(lái)，許多國(guó)家先后研制了多種類型的航空成像光譜儀，如美國(guó)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(guó)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(shì)使其在礦物分析、植被精細(xì)分類、水質(zhì)監(jiān)測(cè)和偽裝目標(biāo)探測(cè)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(duì)同一區(qū)域短時(shí)間內(nèi)的高頻詞重訪觀測(cè)，其時(shí)間分辨率就是指進(jìn)行相鄰兩次觀測(cè)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(guó)的三代氣象觀測(cè)衛(wèi)星以及我國(guó)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(lái)發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)，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(cè)。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(cè)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(duì)地觀測(cè)能力，在光學(xué)遙感觀測(cè)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(guò)程中與大氣中各成分相互作用，導(dǎo)致圖像觀測(cè)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(lái)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(lái)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(cè)相對(duì)于圖像分類來(lái)說(shuō)具有更強(qiáng)的針對(duì)性，根據(jù)待探測(cè)目標(biāo)的光譜、紋理結(jié)構(gòu)特征等先驗(yàn)信息，可以通過(guò)構(gòu)建目標(biāo)模型在大場(chǎng)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(cè)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(cè)地物的識(shí)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(jiǎn)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(duì)地物分類和識(shí)別的進(jìn)一步深化，它充分利用光學(xué)遙感圖像信息來(lái)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(guò)遙感觀測(cè)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(guò)程中的病態(tài)問題。