光学遥感信息技术与应用研究综述

光学遥感利用可见光、近红外和短波红外传感器对地物进行特定电磁谱段的成像观测,是遥感科技中发展最早,也是目前对地观测和空间信息领域中应用最为广泛的技术手段.随着近年来光学成像、电子学与空间技术的飞速发展,高空间、高光谱和高时间分辨率遥感技术不断取得新突破,为光学遥感图像处理与应用技术发展创造了前所未有的机遇和广阔前景.本文首先概述了光学遥感的基本原理和发展历程,然后重点介绍了光学遥感图像的数据特点及光学遥感图像处理技术与方法,阐述了光学遥感在生态环境、自然资源和国防安全等领域的应用情况,讨论了未来光学遥感信息技术与应用发展的几个主要方向和趋势.     

特约主编寄语

正光学遥感利用可见光、近红外和短波红外传感器对地物进行特定电磁谱段的成像观测,是遥感科技中发展最早,也是目前对地观测和空间信息领域中应用最为广泛的技术手段。近年来随着光学成像、电子学与空间技术的飞速发展,高空间、高光谱和高时间分辨率遥感不断取得新突破,遥感卫星数量也呈爆发式增长,为光学遥感图像处理与应用发     

小型Offner色散型高光谱成像系统设计

针对传统型色散成像光谱仪较复杂的准直物镜结构,讨论了轻量小型化的可能,研究了曲面棱镜的色散和像差特性,曲面棱镜-Offner系统色散型光谱仪的的设计原则,得出了初始结构的设计方法,并设计了可见光/近红外光谱段的高光谱成像系统,其中2块曲面棱镜材料都为H-F2,用来提高光谱分辨率和成像质量,并用Zemax光学设计软件进行了系统优化,在400~800nm的谱段内,光谱分辨率小于4nm,全光谱范围内,色畸变小于0.082个像元,谱线弯曲小于0.068个像元。     

航天遥感器的辐射度精度分析

辐射度精度是评价航天光学遥感器辐射度性能的一个重要指标。针对测量的目标辐射度与目标绝对辐射度之间的差异,建立一种航天遥感器的辐射度精度公式,对航天光学遥感器的辐射度性能进行分析。在辐射度精度的分析过程中,分析了星上定标源的辐射、偏振、杂散辐射、谱段外响应和波长漂移等因素对遥感器辐射度的影响。     

商业遥感卫星在现代战争中的应用

与军事侦察卫星相比，商业遥感卫星轨道高、覆盖面广，在目标侦察、战争潜力评估、攻击后毁伤评估及战时气象保障等方面的作用不容忽视，在战争中是军事侦察卫星的有力补充。尤其是近些年来，遥感器种类不断增多，分辨率逐步提高，商业遥感卫星在实战中发挥的作用也越来越大；介绍了20世纪90年代以来，世界上几次局部战争中商业遥感卫星的应用情况；分析了商业遥感卫星成像技术的发展历程及今后的发展趋势。     

“资源一号”卫星在轨一年运行良好

中国和巴西联合研制的“资源一号” (又称中巴地球资源卫星 )卫星于1 999年 1 0月 1 4日在太原卫星发射中心发射成功。在西安卫星测控中心的组织下 ,1 1月 1 5日完成了卫星在轨测试。在轨测试表明 ,卫星工作正常 ,图像清晰 ,主要技术指标均达到了设计要求。 2 0 0 0年 3月 2日 ,在国防科工委的主持下 ,卫星由研制方中国空间技术研究院移交给用户抓总单位———中国资源卫星应用中心使用。“资源一号”的光学遥感器有 1台2 0ｍ分辨率的 5个光谱段的ＣＣＤ相机、1台四谱段的 80ｍ、 1 6 0ｍ分辨率的红外相机和 1台 2 5 6ｍ分辨率的两谱段的宽…     

航天与航空

中国科学院遥感应神用研究所承担的“神舟舟飞船陆地遥感应用系统飞研究”通过了成果鉴船定。该课题研究以神舟陆飞船中分辨率成像光谱地仪和多模态微波遥感器遥应用研究为目标,围绕感生态环境变化快速调查应与监测、土壤水分和融用雪径流监测、大型地质系 环境与成矿背景遥感探统 测、数据处理和系统集研 成等四个方面开展研究通究,形成了由数据获取过与处理技术、陆地地表鉴应用、土地利用及农作定物监测、地质应用与岩 性填图、水文应用、数 据库与电子图集等6个子系统组成的神舟飞船陆地遥感应用系统。该系统包括地物波谱数据库、植被光…     

基于预条件共轭梯度的超分辨图像重构方法

针对在航空航天遥感领域使用CCD相机对景物进行成像时，由于像元尺寸的限制导致图像分辨率低和混频现象严重的问题，采用超分辨率图像重构技术融合从不同角度对同一景物重复拍照得到的多帧图像冗余信息，在相机参数已知的情况下重构出超分辨率图像，消除和降低了混频效应，同时提出了快速收敛的预条件共轭梯度最优化超分辨图像重构算法．模拟成像仿真实验从9帧低分辨／率欠采样图像重构得到了分辨率提高4倍的图像．     

空间光学遥感器柔性支撑结构设计

为了在保证空间遥感器系统结构刚度的同时,使结构具有良好的热尺寸稳定性,设计了一种应用于空间光学遥感器的正交双向柔性支撑结构,有效解决了影响反射镜成像质量的力和热两个关键环境约束之间的矛盾,从而保持光学系统组件的有效位置,为遥感器能达到良好的成像质量提供了保证.对柔性铰链结构参数进行分析,并对铰链结构进行设计和性能的有限元仿真分析.结果表明,柔性支撑结构在力和热两种主要环境约束下能有效地保持结构的稳定性.     

风云三号A星在轨交付运行

风云三号A星1月12日正式交付中国气象局使用。 风云三号卫星是我国自主研制的第二代太阳同步轨道极轨气象卫星．风云三号A星作为首发试验试用卫星．是迄今为止我国民用卫星中设计最复杂、技术最先进的遥感卫星．实现了我国气象卫星从单一遥感成像到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从千米级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收等卫星技术的“四大突破”。     

低分辨雷达编队目标分辨新方法

对于编队飞行的目标,由于它们之间的间距较小,常规雷达无法直接在距离和方位上区别目标,如果利用逆合成孔径雷达成像技术对运动目标回波的多普勒频率的差别,获得了产高的横向分辨率目标是完全有可能分辨目标的,该文将图形化度准则估计目标的运动参数进行平动补偿的方法用到低分辨雷达一维横向成像,并采取超分辨方法提高分辨率,进行编队多目标的精确分辨,实测数据证明,该方法是一种有效的多分辨方法。     

宽场光学相干断层成像系统横向分辨率的实验研究

宽场光学相干断层成像技术（WFOCT）是一种非侵入式、高分辨率层析成像技术。为了研究WFOCT的关键技术并使WFOCT系统具有较高的横向分辨率,从宽场光学相干断层成像系统的基本原理出发,研究探讨了WFOCT技术中系统的横向分辨率问题,分析了影响该系统横向分辨率的主要因素,对WFOCT系统成像通用的实验方法进行了进一步的研究。通过实验调试和状态分析,给出了获得较为清晰、横向分辨率较高的样品图像的系统成像状态。实验证明,系统的横向分辨率受系统的成像状态和振动因素影响很大。     

基于成像机理的遥感图像融合

探讨了遥感多光谱与全色波段图像的融合问题．分析了多光谱与全色波段成像机理,提出了一种新的基于小波变换的遥感图像融合方法,实验结果表明,该方法可有效综合多光谱与全色波段图像的优点,从而获得具有较高空间分辨率的多谱图像．     

我国高光谱成像仪将出口马来西亚

中国科学院上海技术物理研究所研制的高技术产品——“轻型机载高光谱分辨率成像遥感系统”．将于年底出口至马来西亚国家遥感中心。     

基于联合字典稀疏表示的遥感图像超分辨率制图

超分辨率制图是一种由低分辨率遥感图像获得高分辨率土地覆盖图的技术,针对空间相关性原则不足以描述复杂地物模式的问题,本文提出了一种基于联合字典稀疏表示的超分辨率制图方法。利用迁移学习机制,使用自然图像训练高、低分辨率图块联合字典,并根据高、低分辨率图像块对与其对应字典的稀疏表示间的一致性,将低分辨率丰度图像的稀疏表示与高分辨率字典结合生成高分辨率软分类图像,最后进行类分配从而获得高分辨率土地覆盖图。利用合成Landsat多光谱图像和NLCD 2001子图像对所提方法进行测试,并与几种现有的典型超分辨率制图方法进行比较,实验结果显示本文所提算法的超分辨率制图精度优于对比算法。     

土地覆盖分类影像融合与精度评价研究

影像融合技术可以使遥感影像具有高光谱和高空间分辨率的效果,实现不同空间、光谱、时间等多种分辨率的信息资源互补,从而提高图像的空间分辨率,提高图像的几何精度.文章利用ERDAS软件,对遥感影像数据进行融合,采用乘积变换、PCA变换、Brocey变换、小波变换等遥感影像融合方法对多光谱与全色影像进行融合和土地覆盖分类研究.通过结合图像的光谱统计参数和融合图像的分类精度,对这些方法的分类精度进行评价.这4种方法对于原始影像分类精度,均有不同程度的提高.而小波变换所得融合影像与原多光谱影像的相关系数最大,均方差、平均梯度和信息熵最大,偏差指数最小,影像所含信息量最多;在光谱特性、图像清晰度、对于空间细节信息的表现能力上其它三种方法都好,所得融合影像的分类精度也是最高的.小波变换更适合融合影像的土地覆盖分类研究.     

细胞内分子检测及成像技术研究

针对复杂生物学系统的研究和观测,指出对活体细胞内的分子及其相关事件,以高时空分辨率实现可视化、跟踪和定量处理,采用远场荧光成像是目前细胞内分子检测及成像的主要工具.在述评的基础上,介绍该课题组在活体细胞内分子检测及成像中的荧光显微成像和非标记检测技术的研究进展.围绕提高荧光显微成像分辨率,研究图像信息获取速率高的宽场成像方法,包括结构光照明和单分子定位显微.在结构光照明显微研究中,采用可编程的数字微镜器件代替需要精确移动的光栅对生物样品进行显微成像,获得了超分辨显微成像;在单分子定位显微成像研究中,搭建单分子定位显微成像系统,实测分辨率达到48nm,并获得了HeLa细胞突起中微丝束结构的纳米分辨图像;针对厚样品成像时存在的荧光串扰难题,提出利用双波长空间非相干光干涉照明,理论分析证明,其可实现厚度为35nm半高全宽的单一薄层的轴向选择性激发.在非标记检测成像技术方面,围绕相干反斯托克斯拉曼散射(coherentanti-Stokes Ramanscattering,CARS)方法中存在的问题展开研究.为获得完整的物质分子CARS光谱,利用飞秒激光脉冲泵浦PCF获得超连续谱激光输出同时作为泵浦光和斯托克斯光,实现超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术;通过数值模拟获得优化超连续谱激光输出的时谱结构的实验条件,初步实现了满足实验所需的SC激光光源;通过调节探测光脉冲与SC激光脉冲之间的时间延迟实现时间分辨CARS,达到有效抑制非共振背景噪声,提高系统探测灵敏度的目的.利用超宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像技术,获得多种有机溶液在387～4092cm-1范围内,光谱分辨率达14cm-1的不同分子的CARS光谱信号;通过分析探讨实现超分辨CARS显微成像技术的途径,提出利用双探测光实现纳米分辨的方案.未来研究方向,在荧光显微方面,将结合双波长空间非相干光干涉照明和轴向纳米定位,实现完整细胞三维纳米分辨荧光成像,通过发展高量子效率的小分子荧光开关材料及高灵敏度高帧频的探测器,将单分子定位显微应用到活细胞三维纳米成像和分子追踪上;在非标记成像方面,将重点发展基于CARS原理的单分子检测和纳米成像方法,尤其是基于改进后的超连续谱的超宽带CARS光谱技术和纳米分辨的CARS显微技术.     

基于冗余字典的高光谱图像超分辨率复原算法

为了提高高光谱图像的空间分辨率,将基于冗余字典的信号稀疏表示理论应用到高光谱图像的超分辨率复原领域,提出一种基于冗余字典的高光谱图像超分辨率复原算法.该算法通过训练一组高低分辨率相对应的冗余字典对,使得高低分辨率相对应的像元曲线在基于各自的冗余字典进行稀疏分解时,具有相同的稀疏表示系数.超分辨率复原过程中,将待复原的低分辨率高光谱图像基于低分辨率冗余字典进行稀疏分解,利用所得的稀疏表示系数和对应的高分辨率字典,重建高分辨率的图像.实验结果表明:与基于图像块字典的超分辨率复原算法及传统的双线性插值图像放大方法相比,重建图像的峰值信噪比(peak signal to noise radio,PSNR)得到了显著提高.该算法将高光谱图像沿光谱维方向进行整体稀疏分解,避免了传统算法逐波段进行超分辨率复原带来的波段间的光谱失真问题,显著降低了算法的运算量.     

基于支持向量机与相关向量机的高光谱图像分类

高光谱遥感是将目标探测技术与光谱成像技术相结合的多维地物信息获取技术,可以同时获取描述地物分布的二维空间信息与描述地物光谱特征属性的一维光谱信息。相对于多光谱遥感,高光谱图像具有更加丰富的地物光谱信息,可以详细地反映待测地物细微的光谱属性,使地物的精确分类成为可能。本文通过对SVM与RVM的理论研究与对比分析,将这两种高维数据处理算法应用于同一高光谱图像中进行分类研究。实验结果表明,SVM的总体分类精度要略高于RVM的总体分类精度。     

结合注意力机制的人脸超分辨率重建

因受成像设备限制,得到的人脸图像分辨率通常较低,针对此问题提出了一种将生成对抗网络和注意力机制相结合的方法,来对人脸图像进行多尺度超分辨率重建。将深度残差网络和深度神经网络分别作为生成器和判别器,并将注意力模块与深度残差网络中的残差块相结合,重建出与高分辨率图像高度相似且难以被判别器区分的超分辨率人脸图像。实验结果证明,所提出的方法能够有效地提升人脸图像的分辨率,同时也证明了注意力机制在图像细节信息重建中的重要作用。