高光谱遥感技术起源于20世纪80年代初期(Goetz et al.，1985)，因其既能成像又能测光谱，在概念和技术上有重大创新，被认为是与成像雷达技术并列，自遥感技术问世以来最重大的两项技术突破(Tong et al.，2016)。经过30多年的飞速发展，高光谱遥感已成为一个颇具特色的前沿领域，并孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类(Goetz，2009；Tong et al.，2014)。它的出现和发展使人们通过遥感技术观测和认识事物的能力产生了一次飞跃，也续写和完善了光学遥感影像从全色影像经由多光谱到高光谱的全部影像信息链。光谱是指复色光经色散系统分光后按波长或频率大小依次排列的图案，可以反映物质内部电子跃迁、分子振动等所产生的诊断性吸收差异，在很大程度上表征了地物的本征特性。光谱分辨率的提高有助于对地物的精确识别和分类(Goetz，1995；Goetz，2009；Goetz et al.，1985)。高光谱遥感技术发展的动力来自数据获取方式的创新。1983年，美国率先成功研制出世界上第一台航空成像光谱仪AIS(airborne imaging spectrometer)，并在矿物填图、植被生化特征等方面取得了成功，初显了高光谱遥感的魅力(Goetz et al.，1985；童庆禧，2009)。此后，各个国家陆续研制了多种类型的航空成像光谱仪(T.Cocksetal.，1998；Tong et al.，2014；Vane et al.，1993)，包括美国的AVIRIS(airborne visible/infrared imaging spectrometer)，加拿大CASI(compact airborne spectrographic imager)、SASI(shortwave airborne spectrographic imager)、TASI(thermal airborne spectrographic imager)，德国的ROSIS(reflective optics system imaging spectrometer)，澳大利亚的HyMap(hyperspectral mapper)，中国的MAIS(modular airborne imaging spectrometer)、PHI(push broom hyperspectral imager)、OMIS(operational modular imaging spectrometer)等。

        到21世纪初，随着遥感平台和传感器技术等的发展，卫星高光谱成像仪受到各国关注，并陆续发射升空，以便从更宽广的视角观测地球。例如美国在2000年成功发射了著名的“新千年第一星”EO-1 Hyperion高光谱遥感卫星(Pearlmanetal.，2003)。Hyperion是第一颗真正意义上的高光谱遥感卫星，光谱范围为0.4~2.5μm，共有220个有效波段，光谱分辨率高达10nm，空间分辨率30m，幅宽7.5km，重访周期16天。Hyperion开启了航天高光谱遥感应用的时代，在地质制图、植被调查、海洋遥感、农业遥感、大气研究、环境监测等领域得到广泛应用。继Hyperion之后，国际上陆续成功发射了一系列高光谱遥感卫星，应用较广的主要包括:欧洲航天局(european spaceagency，ESA)于2001年在印度发射的CHRIS(compact high resolution imaging spectrometer)(Cutter，2004)和2002年成功发射的MERIS(medium resolution imaging spectrometer)/ENVISAT(Guanteretal.，2007)；中国于2008年成功发射的环境一号小卫星HJ-1A(hyper-spectralimager，HSI(Tong et al.，2014)。中国的高光谱遥感技术自20世纪80年代以来，经过几代人的不懈努力，从蹒跚起步到蓬勃发展，从探索研究到开展应用，始终和国际保持同步发展步伐:早在2002年中国就成功发射了一颗中分辨率成像光谱仪SZ-3CMODIS，该卫星与美国NASA于1999年发射的MODIS指标类似(Tongetal.，2004)；在2007年10月、2008年5月、2011年9月和2016年12月又先后成功发射了嫦娥一号探月干涉成像光谱仪IIM、风云三号中分辨率光谱成像仪MERSI(medium resolution spectralimager)、天宫一号高光谱成像仪TG-1HSI、高光谱微纳小卫星(SPARK01、SPARK02)等(Tong et al.，2004)。尤其，2018年5月9日，我国在太原卫星发射中心成功发射了一颗太阳同步轨道高光谱观测卫星(简称高分五号，GF-5)。GF-5是我国高分辨率对地观测系统的重要组成部分，它设计寿命8年，同时搭载了可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪等6种先进载荷，是实现我国高光谱分辨率观测能力的重要标志(刘文清，2019)。其中，GF-5主载荷可见短波红外高光谱相机综合性能指标与未来5~10年国际上要发射的高光谱载荷(如德国的EnMAP、美国的HyspIRI等)相当(Zhang et al.，2017；刘银年，2018)，其光谱范围覆盖400~2500nm，共有330个波段，光谱分辨率5~10nm，空间分辨率高达30m，幅宽是Hyperion的8倍(60km)。

        纵观中国乃至世界，尽管在短短的三十几年内高光谱遥感取得了飞速发展(Goetz 2009；Goetz et al.，1985；Tong et al.，2014；Zhang，2014)，但高光谱遥感技术及其应用水平，特别是和传统摄影测量遥感和多光谱遥感相比，其应用范围的广度和应用层次的深度还都存在明显差距。造成这种差距的原因主要表现在以下两个方面(Tong et al.，2016)。

        其一是“无源之水”之困。从高光谱遥感技术诞生以来，主要的数据获取方式是依靠有人航空飞机平台，航空数据获取实施难度大、覆盖范围小；世界上第一颗实用的高光谱卫星是美国于2000年发射的EO-1 Hyperion高光谱遥感卫星，目前在轨的高光谱遥感卫星尚未形成业务化的全球获取能力。截至2017年6月，在地球科学领域，全球共成功发射1079颗卫星(NSSDC，2017)，然而高光谱遥感卫星有效载荷很少，目前仍在轨运行的则更少，并且高光谱遥感卫星普遍存在空间分辨率低、重访周期长等特点。总之，航空航天这种高成本、低频率获取数据的能力是高光谱遥感发展的瓶颈所在，“无源之水”也就是高光谱遥感技术和应用发展的最大困境。

        其二是“曲高和寡”之忧。高光谱遥感在应用模型方面，过于依靠地面反射率数据。然而从航天卫星或航空高光谱遥感数据到地面反射率数据，需要经历从原始数据到表观反射率再到地面反射率的复杂过程，涉及遥感器定标、大气校正等一系列复杂处理过程，特别是大气校正有时候还需要同步的观测数据，这种处理的复杂性把高光谱遥感变得“曲高和寡”，很多应用部门对高光谱遥感技术望而却步，极大地阻碍了高光谱遥感的应用推广。

        如何破解这两方面的问题，降低高光谱遥感的数据获取、处理、信息提取与应用等方面的门槛，便构成了高光谱遥感关键的科学问题。本书侧重介绍高光谱遥感数据处理与信息提取算法模型方面的内容以及近年来在研究方面取得的最新成果，通过信息处理“软”手段弥补硬件的不足，试图解决高光谱遥感的“无源之水”之困和“曲高和寡”之忧。