什么是高光谱.doc

什么是高光谱,多光谱,超光谱作者：felles 提交日期：2010-4-26 8:16:00 | 分类:高光谱 | 访问量：196 到底什么是高光谱，多光谱和超光谱技术2009-11-18 13:53多光谱，高光谱和高光谱技术都被称为成像光谱技术，在遥感和其他科研领域具有举足轻重的作用。多年来，我一直对这种技术理解不深，很多人说什么多光谱，甚至是超光谱，多光谱技术实际上是高光谱技术的原始阶段，几乎被淘汰了。而有些人说的超光谱实际上还在美国研发，根本没有进入到市面上，也就说诸多同仁对成像光谱技术也是糊里糊涂。今日，我在一个网站上发现了对这种技术的解释 ， 我认为从专业角度来说，他们说的还比较靠谱。对于科研确实有一定的帮助。我在这里吧相关资料拷贝过来供大家欣赏。成像光谱技术（高光谱成像技术）基础Imaging Spectrometer Fundamentals说明：1.下文所属的成像光谱仪又叫高光谱成像系统，而且同一个概念。 2.该资料为天津菲林斯光电仪器公司 编写，仅作成像光谱技术的内部交流之用，禁止一切形式的侵权传播或引用行为。一 技术历史背景 在现代科研过程中, 多数情况下必须对空间不均匀样品的分布特性加以分析和确认，使用传统的光谱仪仅仅能够以聚焦的镜头扫描样品或者获得整个样品的平均特性，这种光谱和空间信息不可兼得的局限性促使高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）应用而生。早在20世纪60年代（1960s）人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料时，成像就成为研究地球的有利工具。在传统的成像技术中，人们就知道黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异因而可用于辨别不同的材料，在此基础上，成像技术有了更高的发展，对地球成像时，选择一些颜色的滤波片成像对于提高对特殊农作物、研究大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早的多光谱技术（Multispectral imaging）它最早出现在LandSat卫星上。这些最早的星载图像传感器（例如，LandSat卫星上的Thematic Mapper和法国SPOT卫星上的相机）以离散的几种颜色（或者几个波段）对地球成像，就是人们常说的多光谱成像。既然多光谱成像（Multispectral Imaging）仅仅以几个连续的光谱波带成像对于我们研究环境就如此有用，为什么不把波带数拓展更多，把光谱分辨率拓展更细呢？因此，用于遥感目的的高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）在20世纪80年代初期诞生了，它最早是机载的成像光谱仪（Airborne Imaging Spectrometer），如今已拓展到先进的可见和红外成像光谱仪（AVIRIS），这两种最早都诞生在NASA的JPL中心（NASA：美国国家航天航空管理局）。从多光谱到高光谱遥感技术的前进也需要仪器的发展。虽然对地球成像而言七个非连续的波段称不上什么光谱成像技术，但是如果使用200个连续的波段，每个波段的光谱分辨率在10nm左右，谁都不会否认这是光谱成像技术。而且人类对更好更高的追求从来都没停止过，现在光谱成像技术已经发展到超光谱时代（Ultraspectral Imaging），比如，它使用的是空间发射光谱仪（Atmospheric Emission Spectrometer， AES）， 这个超光谱成像仪在红外波段就能产生数千个波带，分辨率高达1/cm。全球第一个星载高光谱成像器于1997年在NASA随着Lewis卫星发射升空，它包含了384个波段涵盖了400-2500nm波段，不幸的是这颗卫星控制出现问题，失去了动力，升空一个月后就偏离了轨道。随后，一些实验性的机载高光谱成像器在NASA的DOD（Department of Defense）得到了重点研发，这些机载的高光谱成像系统涵盖了VNIR/SWIR和MLIR(3-5微米），LWIR（又称热红外相机，适应波段8-12微米）。目前，成像光谱技术已经走出了最初的军事应用的局限，在国土资源调查，精准农业生产和研究，农作物分选和检测等多种应用领域发挥不可替代的作用。基于成像光谱技术波长范围为400-1000nm, 900-1700nm, 1100-2500nm,3000-15000nm的各种成像光谱仪和高光谱成像器也应运而生。但是由于军事应用的潜在性依然存在，国外先进成像光谱仪国家对成像光谱仪的对华出口管制非常严格，例如，红外成像光谱仪是百分之百对华禁运，其他波段的成像光谱仪也需要我国用户提供商务部签发的“End User and End Use Statement” ，但是，尽管如此，能否进口到中国来依然存在许多变数。为什么国外多这种技术对华如此高级别地限制，高光谱技术到底“高”在那些方面，高光谱成像光谱仪如何实现高光谱数据的获取？针对诸多技术细节，天津菲林斯光电仪器公司作为国内专业的成像光谱技术提供者，发挥专业技术优势，从纯技术的角度为广大用户和读者提供一份绝密级别的内部参考资料，这份资料仅供广大用户之间阅读参考，切勿随意散发。二 技术综述 成像光谱（高光谱）数据是图谱合一的海量数据源，它同时包含了图像信息和光谱信息，能够给出各个波段上每个像素的光谱强度数据，而且光谱分辨率很高，这样，这种数据在一些对光谱和图像和光谱分辨率要求较高的领域就显示出无可替代的作用。例如，矿产探测，高光谱数据由于较高的光谱分辨率就可以帮助人们通过光谱分析的的办法找到一些隐蔽性极强的稀有矿产，而在以前，普通的光谱技术是无法发现这些矿产的。高光谱成像的数据是一叠连续多个波段成像获得的景色或样品的图像，就是俗称的图像立方体（Image cube）。这个图像立方具有两个空间维度（X和Y），第三维为每个像素的波长或辐射强度。图二：一种比较典型的高光谱图像立方体那么，如何获得这种价值连城的高光谱图像立方体呢？它是通过成像光谱仪获取的，但是成像光谱仪（或高光谱成像系统）本身是一种获取图像的传感器，它获取的只是光谱信息，一般地，成像光谱仪器及其配套软件是不提供该图像立方体的显示功能的，您需要把成像光谱仪获取的数据导入到ENVI软件中才能显出如此漂亮的图片资料。图三： 一种比较典型的成像光谱仪(Imaging Spectrometer or Hyperspectral imager)获取这样一个图像立方有两种方法，一种是推扫式(Push-broom),适合动态成像，也就是成像光谱仪随着搭载平台时刻在运动而探测的目标静止, 另外一种是波长扫描式(Wavelength Scanning),适合静态成像，也就是程序光谱仪和目标都是静止不动。（有关扫摆式和摇摆式成像在此不作阐述）。在深入该话题的探讨之前，我们首先明确高光谱遥感的三个空间级别：航天级别：星载遥感（planet-borne）距离地面150公里以上。这是一种典型的高光谱遥感应用，也是高光谱技术（成像光谱技术）的最初应用，它是把成像光谱仪安装于卫星上，对地球目标进行高光谱遥感探测。工作距离通常是几万公里以上，我国的神舟七号飞船就成安装类似的成像光谱仪。使用的成像光谱仪非常庞大，每次实验的费用非常巨大。 航空级别：机载遥感（Airborne）距离地面100-到十多公里的距离。使用小型飞机或无人机作为光谱仪的搭载平台，是目前主要的遥感成像工作方法。它使用的成像光谱仪体积小。但是要获得比较好的实验结果并不容易，需要精确的GPS和惯导定位，高性能的计算机和高频率的拍摄速度。地面级别：这种应用的主要领域是地面或高度不高于50m的空间成像。它不再是像前两种那样动态的成像，而是通常静态成像，比较常见的是农业应用和是实验室高光谱成像。但是也有把推扫式成像光谱仪放置在地面，配备旋转位移台或线形位移台，以产生两种效果：成像光谱仪运动而待测物目标静止，或者成像光谱仪静止而待