高光譜成像儀的應用范圍遍及化學、物理學、生物學、醫學等多個領域。目前，高光譜成像儀在土地利用、農作物生長、分類，病蟲害檢測，海洋水色測量，城市規劃、石油勘探、地芯地貌及軍事目標識別等方面都有著很廣泛和深遠的應用前景。可見光近紅外光譜范圍高光譜成像儀比較廣闊的應用領域為植被和海洋;植被的反射光譜特征主要取決于葉片中的葉綠素含量和成份，正常生長的植物有典型的光譜形狀;當生長不良、病蟲害、地下金屬礦物誘導病變等因素會引起反射強度比例變化和吸收光譜特征的微小位移，這種位移的觀測要求超高光譜成像儀具有優于 5nm的光譜分辨率和 100 以上的信噪比。在光波范圍能夠觀測水下狀況的只有可見光，其中穿透性好的波長范圍為 0.45～0.60μm(藍光至黃光)，亦被稱為“海洋窗口”。可見光超高光譜成像儀可以觀測海洋中沉積性懸浮物、浮游生物、葉綠素的分布等海況，但是獲取海洋表層中懸浮體物質在質量和數量方面的信息時，不僅需要高光譜分辨率，而且要很高的輻射靈敏度(信噪比 500 以上)。

在農林業上的應用在農林業上的應用很多，如農作物長勢分析、作物類別鑒定、病蟲害防治分析、產量評估、林業資源調查、伐林造林、森林草場調查、土地沙化、土壤侵蝕等。

在農業、林業中的應用：高光譜成像儀可以用來研究品種因素對小麥品質的影響程度以及品種因素與品質指標之間的相關性，還可以得出環境條件下籽粒的白質含量與濕面筋含量、沉降值、吸水率、形成時間和穩定時間之間存在的相關性，并利用不同品種、不同肥水條件下的作物關鍵生育時期的生化參量與光譜指數進行分析，預測預報籽粒品質。2005年6月 12 日我國首次利用地物光譜儀高空監測小麥條銹病 5。在位于昌平小湯山的“國家精準農業研究示范基地”小麥實驗田，國家自然科學基金項目研究的“基于 3S 技術的小麥條銹病監測預警”采用熱氣球進行近地遙感監測小麥條銹病初步獲得成功， 這在我國尚屬首次。這項研究以小麥條銹病為對象，根據全球定位系統(GPS)的精確定位，利用地理信息系統(GIs)研究其大區流行規律，利用遙感(Rs)技術探索其實時監測新途徑(合稱 3S 技術)，期望最終構建基于網絡的小麥條銹病監測預警信息系統，這項成果將為政府部門制訂小麥條銹病防治決策方案提供科學依據，也為信息技術在植物病害研究中的應用提供新的方法借鑒。項目研究的成功將會促進我國重大農作物病害監測與預警系統的規范化和實用化，實現病害大流行早知道，保障糧食生產，增加農民收入，縮小我國植物病害監測預警技術與國際前沿水平的差距。

農業作物長勢監測：主要利用紅外波段和近紅外波段的遙感信息，得到的植被指數(NDVI)與作物的葉面積指數和生物量正相關。利用NDVI 過程曲線， 特別是后期的變化速率預測冬小麥產量的效果很好，精度較高。在農業應用中，通過高空間和高光譜分辨率的航空與航天遙感，來及時(平均 2 天～3 天一次)地提供農作物長勢、水肥狀況和病蟲害情況，稱之為“征兆圖”(Symptom Maps)，供診斷、決策和估產等使用。為了實時地獲取數據，需要反復利用航空遙感或利用各個小衛星建立全球數據采集網。

高光譜遙感與精準農業研究的基礎問題還有待解決，如環境脅迫作用下的遙感機理和遙感標志研究，

遙感與GIS 的集成對作物脅迫作用的診斷理論以及作物生長環境和收獲產量實際分布的空間差異性機理和環境脅迫作用與產量形成的遙感定量關系。為了解決上面的理論和應用問題，需要抓住高光譜、高分辨率、雷達遙感等技術手段和“三S”集成技術等關鍵技術。

對植被的葉面積指數、生物量、全氮量、全磷量等生物物理參數進行分析和估算。在精準農業研究中， 高光譜遙感具有廣闊的應用前景。比如可以從遙感數據中提取生物物理和生物化學的參數，就是用高空的高光譜遙感數據對一些重要的生物和農學參數的反演。這種研究可以用來研究生態系統過程，如光合作用、C、N 循環等，也可以用來對生態系統進行描述和模擬。

最具潛力和效益的應用前景就是研究作物的光譜特征農學遙感機理，將其應用于遙感估產，做到對農作物生長勢的動態監測、病蟲害的早期診斷和產量的早期預報。可以用于農業自然災害(水、旱、火、蟲、病等)的遙感實時動態監測和損失評估，主要農作物的長勢、播種面積的監測和產量預報以及草地估產、草畜平衡估算，進行農業自然資源與環境的動態監測與評估，進行全國耕地變化的遙感動態監測。

環境監測：環境監測主要應用在 ①石化工業：如對油品、塑料、添加劑、催化劑等中的元素分析等，還可對其有害元素含量是否超標進行分析監測;②生態環保：污水或水中有害金屬分析，植物中殘余無機元素的分析;③建筑、建材工業：結合城市地物和人工目標的檢識等，對水泥、玻璃及耐火材料分析。

自然災害和災情評估：目前我國在加緊研制的環境災害監測衛星，計劃在 2005 年前研制出由兩個光學衛星和一個雷達衛星組成的小衛星星座。在2010 年前研制出由四個光學衛星和4 個雷達衛星組成的小衛星星座，開展對環境和災害全天時、全天候的監測。自然災害監測和災情評估可以包括很多種， 如洪澇、干旱、雪災、森林大火、地震、海洋狀況等。

赤潮是指海洋微藻、細菌和原生動物在海水中過度增殖或聚集致使海水變色的一種現象。隨著經濟發展，沿海富營養化加劇，近年來赤潮的頻繁發生和規模的不斷擴大，破壞了漁業資源和海產養殖業，赤潮毒素也嚴重威脅著人類的生命安全。2002 年我國海域共發現赤潮 79 次，累計面積超過 10，000 平方公里，直接經濟損失 2300 萬元。利用機載高高光譜成像儀，獲得了赤潮爆發現場 8G 高光譜數據。通過海監船的現場取樣和事后數據分析。所以，利用高光譜成像儀獲得的數據，可以迅速對赤潮做出反應，有利于赤潮的及早發現、分類、控制和治理，從而減小赤潮的危害。

海洋資源普查：利用高光譜成像儀可獲得海陸相互作用區域的高分辨率圖像，可以兼顧海洋和陸地的需求，目前高光譜成像儀已經應用于我國海岸帶重點地區(黃河口、長江口和珠江口)的資源和植被調查、海岸帶動態監測，以及海岸帶變遷的長期研究。葉綠素分布是與海洋初級生產力、海水富營養化、赤潮等密切相關的指標，同時，也是研究全球氣候變化的重要依據。目前利用高光譜成像儀已能夠較準確地確定大洋和遠海的葉綠素分布，但近岸水體的葉綠素分布的反演精度還需進一步提高。

除了以上實際應用外，目前高光譜成像儀在自然科學的大部分領域起著主要的作用。隨著面陣探測器陣列制造技術的進一步提高，一些新型的成像光譜技術得到了應用，具有這些技術的光譜儀更具有可靠性和穩定性的特點，并且體積小、重量輕、光譜分辨率高、實時性更好、光譜范圍更寬。