摘要

高光谱遥感由于其具有波段多、光谱分辨率高、数据量大等特点，且其所获得的数据同时包含了空间信息和光谱信息，在军事和民用方面显示出巨大的发展潜力和应用前景。但由于各种因素影响，高光谱图像受到了严重的条带噪声干扰。条带噪声的存在降低了高光谱图像的精度，阴影存在的区域导致不能正确地获取阴影区域地物的光谱信息，给高光谱图像的后续处理带来了极大的不便。因此，条带噪声和阴影的去除是高光谱图像预处理的关键步骤。本文的研究内容就是进行高光谱图像中条带噪声和阴影去除方法的研究，目标是在消除条带噪声的同时，保持图像的纹理细节信息，在消除阴影区域的同时，将阴影区域的图像进行修复，较好地恢复图像的原始辐射信息。

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绪论

1. 高光谱遥感的基本概念

遥感（remote sensing）是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术，是指通过某种装置，不直接接触被研究目标、区域或现象来获取其有关数据，兵对所获取的数据进行分析从而得到所需信息的一种科学和技术。由于它集先进性、科学性、综合性、实用性于一体，设计信息科学、环境科学、地球科学、空间科学、生物科学等众多科学领域，其发展受到各个部门的格外关注。经过几十年的发展，无论是遥感平台、传感器方面，还是遥感信息处理、遥感应用方面，都获得了飞速的发展。遥感已经成为当今最活跃的科技领域之一。

以λ表示波长，一般认为，光谱分辨率在λ/10数量级范围内的遥感称为多光谱遥感，管沟分辨率在λ/100数量级范围内的遥感称为高光谱遥感，光遥感技术把人们研究地表信息的能力由陆地推向太空，拓宽了人们的研究视野，极大的提高了人们宏观、准确、及时、综合地对地观测与监测能力；成像光谱技术则把遥感波段从几个、几十个推向数百个、上千个，其覆盖的光谱范围也从可见近红外、短波红外，逐步向紫外和中红外拓展。高光谱遥感数据每个像元可以提供几乎连续的地物光谱曲线，使人们利用高光谱反演陆地细节成为可能。高光谱遥感技术已经成为当前遥感领域的前沿技术。

2. 高光谱遥感发展概况

光谱分辨率与空间分辨率的提高是遥感技术发展的重要趋势。20世纪70年代初，美国发射的Landsat上的多光谱扫描仪（multispectral scanner，MSS）仅有4个波段，其平均光谱分辨率为150nm，而80年代的专题制图仪（thematic mapper，TM）则增加到7个波段，在可见光到近红外光谱的平均光谱分辨率为137nm；法国SPOT卫星的多光谱波段的光谱分辨率为87nm。高光谱成像遥感技术的发展是20世纪80年代遥感技术的最大成就之一。

美国的成像技术发展较早，从20世纪80年代至今已经研制了三代高光谱成像光谱仪。第一代成像光谱仪为机载航空成像光谱仪AIS，这是一台装有二维，近红外阵列探测器的实验仪器，有128个通道，光谱覆盖范围从12~24μm。1987年研制成功的航空可见光与红外成像光谱仪AVIRIS为成像光谱仪的第二代产品。AVIRIS是首次测量全部太阳辐射光谱范围（400~2500nm）的成像光谱仪，共有224个通道。第三代高光谱成像光谱仪为傅里叶变换高光谱成像仪（Fourier-transform hyperspectral imager，FTHISI），适合在Cessna-206轻型飞机上使用。它的重量为35kg，采用256通道，光谱范围为400~1050nm，有2~10nm的光谱分辨率，视场角为150°。

与此同时，国内成像光谱仪的发展也取得了长足的进步。“七五”期间研制了各自专题应用扫描仪：红外与紫外扫描仪是为海洋环境航空遥感监测系统研制的专用扫描仪；可见光、中红外与红外三波段扫描仪是探测森林火灾的专题扫描仪；在此基础上，“八五”期间又发展了71波段的模块化航空成像光谱仪MAIS系统。我国第一台224波段推扫式高光谱成像仪（Pushbroom hyperspectral imager，PHI）与128波段机载实用型模块化成像光谱仪OMIS已研制成功并进行了多次成功的航空遥感实验。

3. 高光谱遥感的研究现状

自成像光谱技术提出以来，许多国家都积极投身于成像光谱仪的研制和相关软件产品的开发中。成像光谱技术极大的推动了高光谱技术的发展，高光谱遥感技术的应用也向纵深方向发展，其应用所覆盖的领域和研究深度都有了突破性的飞跃。尽管成像光谱仪具有其独特的优越性，但海量数据也为应用和分析带来不便。目前，国内外关于成像光谱仪的遥感应用研究中，所采用的分析方法可归纳为两大类。

• 基于纯像元的分析方法

基于纯像元的分析方法可以分为如下三种方式。

1. 从地物光谱特征上发现表征地物的特征光谱区间和参数。
2. 地物光谱重建和重建的光谱与数据库光谱的匹配识别。
3. 视高光谱图像中每一波段的图像为随机变量，利用概率统计理论进行多维随机向量的分类

• 基于混合像元的分析方法

由于传感器器空间分辨率的限制及地物的复杂多样性，一个像元通常由几种地物混合组成。通过对混合像元进行解释，能够更加真实的反应地物覆盖状况。

根据对混合像元的反射率和端元的光谱特征和丰度之间的响应关系的假设，以及怎样考虑和包含其他地面特征和影像特征的影响，Ichoku等（1996）将像元混合模型归结为五种类型：线性模型、概率模型、几何光学模型、随机几何模型和模糊分析模型，其中后面四种属于非线性模型。

在传统混合分解模型基础上，今年来，过内外学者还提出不同的混合分解模型。针对传统混合分解模型中存在的“分解端元不变”的问题，提出了端元可变的混合像元分解模型，如基于端元可变的模糊神经网络分解等。而为了提高分解精度，克服线性模型通用性差的特点，发展了基于核空间的非线性混合像元分解模型等。

4. 高光谱遥感的应用

由于高光谱图像具有很高的光谱分辨率，因而能够提供更为丰富的地物细节，有利于地物的物理化学特性反演。高光谱遥感已经在各方面显示出了巨大的应用潜力，正受到国内外专家学者的广泛关注，今后必将在以下诸多领域发挥越来越重要的作用。

• 海洋遥感

由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点，因此因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它不仅可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温的探测，也可用于海冰、海岸带等的探测。

• 植被研究

植被中的非光合作用组分用传统宽带光谱无法测量，而用高光谱对植被组分中的非光合作用组分进行测量和分离则较易实现。因此，可以通过高光谱遥感定量分析植冠的化学成分，监测由于大气和环境变化引起的植物功能变化。植被应用方面还有许多成功的实例，如作物类型识别、森林树种识别、植被荒漠化研究等。

• 精细农业

土壤的水分含量、有机质含量、土壤粗糙度等特性是精细农业中重要的信息，而传统遥感技术无法提供这些信息。高光谱遥感凭借其极高的光谱分辨率为精细农业的发展提供了技术保障和数据来源。利用高光谱遥感技术，可以快速精确的获取作物生长状态及环境胁迫下的各种信息，从而相应调整投入物资的施入量，达到减少浪费、增加产量、保护农业资源和环境质量的目的。高光谱遥感是未来精细农业和农业可持续发展的重要手段。

• 地质调查

地质是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。例如，利用航空高光谱数据进行地质填图和岩石鉴别，可以识别出地表不同矿物的诊断性特性。因为一般矿物的光谱吸收峰宽度为30nm左右，只有利用光谱分辨率小于30nm的传感器才能识别出来。高光谱遥感已经在地质领域扮演着重要角色。

• 大气环境与遥感

大气中的分子和粒子成分在太阳反射光谱中有强烈反应这些成分包括水汽、二氧化碳、氧气、臭氧、云和气溶胶等。常规波段遥感方法无法识别出由于大气成分变化而引起的光谱差异，高光谱由于波段很窄，能够识别出光谱曲线的细微差异。

• 城市下垫面特征与环境研究

由于人类活动，城市下垫面特征与环境显得异常复杂，同物异谱、同谱异物及混合像元现象也非常严重；而高光谱遥感的发展使得人们有能力对城市地物的光谱特性进行深入研究，可以通过对高光谱数据进行处理，得到城市地物的光谱成分，为城市环境遥感分析及制图提供基础。

• 军事侦察与识别伪装

根据目标光谱与伪装材料光谱特性的不同，利用高光谱技术可以从伪装的物体中自动发现目标。在调查武器生产方面，超光谱成像仪不但可以探测目标的光谱特性、存在状况，甚至可分析其物质成分。根据工厂产生烟雾的光谱特性，直接识别其物质成分，从而可以判定工厂生产武器的种类，特别是攻击性武器。

其他方面诸如自然灾害监测、林业遥感、宇宙和天文学等领域，高光谱遥感都有着广阔的应用前景。随着科学技术的不断进步，高光谱遥感的应用领域将会进一步拓宽，在各个领域的影响也会进一步扩大。