高光谱成像技术进展(光电检测技术大作业)

高光谱成像技术进展By130405100xx高光谱成像技术的简介高光谱成像技术的出现是一场革命，尤其是在遥感界。它使原来在宽波段不行探测的物质能够被探测，其重大意义已得到世界公认。高光谱成像技术光谱辨别率远高于多光谱成像技术，因此高光谱成像技术数据的光谱信息更加具体,更加丰富,有利于地物特征分析。有人说得好，假如把多光谱扫描成像的MSS(multi-spectralscanner)和TM(thematicmapper)作为遥感技术发展的第一代和其次代的话,那么高光谱成像(hyperspectralimagery)技术则是第三代的成像技术。高光谱成像技术的具体定义是在多光谱成像的基础上，从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谐波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。（一）高光谱成像系统的组成和成像原理而所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区分，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获得到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行绽开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。目前高光谱成像技术发展快速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。下面分别介绍下以下几种类别：光栅分光光谱仪空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光依据不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照耀到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。如下图所示。经过狭缝的光由于不同波长照耀到不同的探测器像元上，光能量很低，因此须要选择高灵敏相机，同时须要加光源。例如系统如下：光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是像元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总像是各像元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。声光可调谐滤波分光（AOTF）光谱仪AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。变更射频驱动信号的频率，可以变更AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生衍射光和零级光。上图是AOTF的组成。由图可知，AOTF是由成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜（把全部的入射光变成平行光），准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光依据原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光（入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在变更波长的过程中，图像会出现漂移）；o光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。如下图所示：为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变更成平行光，因此对前端的物镜视场角有肯定的要求，依据晶体的xxx角，可算出物镜最大的视场角，小于最大视场角的状况，成像ok，假如大于视场角，则会造成重影（衍射光与0级光都进入了sensor）。可在晶体的出光口加入遮挡片，即遮挡0级光，避开与衍射光一起进入sensor，以免造成重影现象。同时，对聚光准直系统的优化有两个方面：1.提高光源的聚光效果，2.减小聚光准直系统的外形尺寸。棱镜分光光谱仪入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照耀到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。芯片镀膜光谱仪近年来，IMEC（欧洲微电子探讨中心）采纳高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低了高光谱成像的成本。目前IMEC供应三种标准的光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器。这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱辨别率和空间辨别率，可以进行快速、高性能地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低，一般大于10nm，多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。（二）高光谱成像技术的特点1.光谱响应范围广，光谱辨别率高。成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延长到近红外，甚至到中红外，光谱辨别率达到纳米级。光谱信息与图像信息有机结合，即“图谱合一”。在高光谱影像数据中，每一像元对应于一条光谱曲线。整个数据是光谱影像的立方体，具有空间图像维和光谱维。数据描述模型多，分析更加敏捷。高光谱影像通常有三种描述模型：图像模型、光谱模型与特征模型。数据量大，信息冗余多。高光谱数据的波段众多，其数据量巨大，而且波段之间相关性大。（三）高光谱成像技术的优势高光谱图像集样本的图像信息与光谱信息于一身，图像信息可以反映样本的大小、形态、缺陷等外部品质特征。由于不同成分对光谱的汲取也不同，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较为显著的反映，而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异。所以，高光谱图像能够反映综合品质。不同物质间千差万别的光谱特征和形态利用高光谱影像技术能得到很精细的反映。以高光谱遥感技术为例，其就具有以下优势：1.蕴含着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像经过光谱反射率重建，能获得地物近似连续的光谱反射率曲线，与地面实测值相匹配，将试验室地物光谱分析模型应用到遥感过程中。2.地表覆盖的识别实力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱汲取特征的物质，能够精确区分地表植被覆盖类型、道路的铺面材料等。3.地形要素分类识别方法敏捷多样。影像分类既可以采纳各种模式识别方法，如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机等，又可以采纳基于地物光谱数据库的光谱匹配方法。分类识别特征，可以采纳光谱诊断特征，也可以进行特征选择与提取。4.地形要素的定量或半定量分类识别成为可能。在高光谱影像中，能估计出多种地物的状态参量，提高遥感高定量分析的精度和牢靠性。（四）高光谱成像技术所面临的难题高光谱影像在应用的过程中,还面临着以下关键技术须要解决:1.高光谱影像光谱重建技术。高光谱影像记录的DN值,依据成像光谱仪的辐射定标、光谱定标数据，经过各种辐射校正，反演出地物反射率，这是高光谱遥感定量分析的基础。2.高光谱影像分类识别技术。传统影像分类算法，如最大似然估计、神经网络等都是基于大数定理，高光谱影像维数高、波段相关性大，会遇到“维数灾难”现象，须要探讨面对高光谱影像的分析方法。3.海量影像数据的存储与计算。高光谱影像数据量大、相关性强，面临着数据压缩问题，影像分析处理的过程中，须要巨大的计算资源。（五）高光谱成像技术的发展趋势伴随着成像光谱技术的渐渐成熟，高光谱影像分析探讨的不断深化，应用领域日益广泛，高光谱遥感技术发展呈现出了以下趋势：成像光谱仪的光谱探测实力将接着提高，成像光谱仪获得影像的空间辨别率逐步提高，正由航空遥感为主转为航空和航天遥感相结合阶段，逐步从遥感定性分析阶段发展到定量分析阶段，应用范围越来越广，应用探讨日益深化。（六）高光谱成像技术的发展建议加大相关地物光谱数据库的建设力度成像光谱技术是依托于地物谱学的发展而发展的，地物光谱特性的探讨不仅是基础性工作，而且是整个工作中的重中之重，应加大地物光谱测定及地物光谱数据库建立的工作力度，为航空或航天遥感的地物识别供应参照标准。研制适合于海洋及内陆水体等监测的成像光谱仪器现有的成像光谱仪大都是针对陆地地物而研制的，对于海洋要素的遥感探测，现有的仪器性能指标往往不尽如人意，探测效果并不志向，所以研制适合于海洋及内陆水体等监测的成像光谱仪器燃眉之急。发展基于高光谱数据的光学特性提取模型以基于高光谱遥感数据的水体探测为例，发展基于高光谱数据的叶绿素、悬浮泥沙等水色因子参量的定量遥感反演模型，为赤潮、溢油、海冰等海洋灾难的航空遥感监测供应先进的技术保证。所以好的光学特性提取模型是必要的。促进高光谱数据的应用探讨高光谱成像技术的发呈现状高光谱成像技术是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术，技术成果主要表现为成像光谱仪研制、高光谱影像处理两方面。从成像光谱仪分析成像光谱仪主要分为2类，一是机载成像光谱仪，二是星载成像光谱仪。机载成像光谱仪主要有这些，比如：美国的AVRIS、MAS、CHRISS、AHI、Hymap，加拿大的CASI、德国的DAIS系列等，星载成像光谱仪主要有这些，比如：美国的MODIS、HRST、FIHSI，日本的GLI，欧空局的PRISM等。以下不对这两种成像光谱仪做具体的区分。美国的成像技术发展较早，从20世纪80年头至今已经研制了三代高光谱成像光谱仪。第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪AIS，是由美国国家航空和航天管理局(NASA)所属的喷气推动试验室JPL设计，已于1984～1986年装在NASA的C-130飞机上运用。这是一台装有二维、近红外阵列探测器的试验仪器,有128个通道,光谱覆盖范围从1.2～2.4μm,并在内华达Cuprite地区的应用中取得很好的效果。其次代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪AVIRIS，有224个通道，光谱范围为0.41～2.45μm。每个通道的波段宽约为10nm，曾放在改装后的高空U2飞机上运用，为目前最常用的航空光谱仪之一。基于NASA仪器的胜利应用及采矿工业和石油工业的需求，在AVIRIS之后，地球物理环境探讨公司GER又研制了1台64通道的高光谱辨别率扫描仪GERIS。其中63个通道为高光谱辨别率扫描仪，第64通道是用来存储航空陀螺信息。该仪器由3个单独的线性阵列探测器的光栅分光计组成。它与其他仪器的区分是在不同的光谱范围区内，通道的光谱宽度是不同的。第三代高光谱成像光谱仪为克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪FTHSI，适合在Cessna-206轻型飞机上运用。它的重量为35kg，采纳256通道，光谱范围为400～1050nm，有2～10nm的光谱辨别率，视场角为150°。在此期间，很多国家都先后研制航空成像光谱仪。如美国的DAIS，加拿大的FLI、CASI，德国的ROSIS，澳大利亚的HyMap等。在国内，成像光谱仪的研制工作由于跟踪国际前沿技术，成像光谱仪的研制已跻身于国际先进行列。我国于20世纪80年头中后期着手发展自己的高光谱成像系统。主要的成像光谱仪有中科院上海技术物理探讨所研制的推扫式成像光谱仪(PHI)系列、好用型模块化成像光谱仪(OMIS)系列、中科院长春光机所研制的高辨别率成像光谱仪(C-HRIS)和西安光机所研制的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪(SLPIIS)。中科院上海技术物理探讨所研制的中辨别率成像光谱仪(CMODIS)于2002年随“神舟”三号放射升空,并胜利获得航天高光谱影像,其获得影像从可见光到近红外共30波段,中红外到远红外的4波段,空间辨别率为500m。2007年10月年放射的“嫦娥1号”卫星已携带中科院西安光机所研制的干涉成像光谱仪升空,用于获得月球表面二维多光谱序列图像及可辨别地元光谱图,通过与其他仪器协作运用对月球表面有用元素及物质类型的含量与分布进行分析,获得的数据用于编制各元素的月面分布图。从2007年到2010年,我国将组建环境与灾难监测预报小卫星星座,将携带超光谱成像仪,采纳0.45～0.95μm波段,平均光谱辨别率为5nm,地面辨别率为100m。下面，以CASI、PHI、AVRIS、OMIS-II、VIMIS为例，进行主要性能指标的比较。从高光谱影像处理（数据库与图像处理）分析在成像光谱仪快速发展的同时，地物光谱数据库、高光谱影像分析技术探讨也得到了快速发展。地物光谱数据库技术方面，以美国最为先进，有代表性的主要有JPL标准波谱数据库、USGS波谱数据库、ASTER波谱数据库和IGCP-264波谱数据库。此外，美国空军部门和环保局针对大气污染和空气成分的诊断建立了AEDC/EPA光谱数据库，并针对美国海军探讨室研制的HYDICE成像光谱仪建立了森林高光谱数据库等。部分其他国家也绽开了光谱数据库技术探讨和建设工作，如英国在20世纪90年头初针对海水颜色探讨建立了海水光谱数据库。美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、日本国家空间发展局(NASDA)和高校及探讨所都有特地的高光谱影像应用分析的探讨机构。国外商业遥感图像处理系统，相继增加成像光谱数据处理模块，其中具有代表性的有RSI公司的ENVI，PCIGeomatics公司的PCI，MicroImages公司的TNTmips等。同时，我国也紧密跟踪国际高光谱成像技术的发展，在主动研制具有自主学问产权的成像光谱仪的同时,在地物光谱数据技术、高光谱影像分析技术等方面的探讨中也取得了部分的成果。20世纪90年头初期,中科院安徽光机所、遥感所等单位对大量的典型地物进行了波谱采集,建立了我国第一个综合性“地物波谱特性数据库”。1998年,中国国土资源航空物探与遥感中心建立了“典型岩石矿物波谱数据库”,其中包含了我国主要的典型岩石和矿物500余种。2000年,中国科学院遥感所基于GIS和网络技术研制了典型地物波谱数据库及其管理系统,记录了10000多条地物波谱，并能动态生成相应的波谱曲线和遥感器模拟波段,实现了波谱数据库与“3S”技术的链接。在高光谱数据处理方面,目前国外已经开发了一些含有高光谱图像处理模块的软件,如美国JPL和USGS开发的SPAM、SIS、ENVI以及加拿大的PCI等软件。1991年科罗拉多高校的CSES探讨中心采纳交互式语言IDL研制了基于UNIX的成像光谱处理系统SIPS,1993年推出了其微机版本。主要遥感图像处理软件包及其处理高光谱数据的功能见下表：在国内,中国科学院遥感应用探讨所开发了高光谱图像处理系统HIPAS,原地矿部航空物探遥感中心开发了成像光谱数据处理分析系统ISDPS。但是,国内目前尚无比较成型的商业化成像光谱图像处理系统。高光谱成像技术的应用在大气科学探讨中的应用高光谱成像具有特别高的光谱辨别率它不仅可以探测到常规成像更精细的被探测物的信息，而且也能探侧到大气汲取特征。大气的分子和粒子的成份在反射光谱波段反映特别的剧烈能够被高光谱仪器监测到。云盖制图，云顶高度和云层状态参数估算，大气水汽含量与分布估算，气溶胶含量估计以及大气光学特性评价等是高光谱成像技术在大气探讨中的突出应用。利用高光谱数据在精确探测大气成分的基础上，不仅能提高天气预报、灾难预警等的精确性更能提高其牢靠性。例如：在国内，刘金涛等人提出了一套高光谱辨别率激光雷达系统，用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质，该系统可以分别大气气溶胶和分子散射，可以干脆反射出大气的后向散射比和气溶胶的后相散射系数，同时采纳双边缘监测技术，可以获得高精度的大气风速信息。对于冬季覆盖北半球面积30%以上的冰雪，通过成像光谱的模拟试验，特殊是在1.0～1.3μm光谱范围的波段，可以获得对冰雪粒径大小的识别，Anne等人利用航空成像光谱仪AVIRIS中心在1.03μm的波段与冰雪颗粒关系进行冰雪颗粒填图，并提出波段面积标尺法，解决了信号建立在单波段上易受到传感器噪声影响的缺点。在城市下垫面特征和环境探讨中的应用由于人类活动、城市下垫面特征与环境显得异样困难，同物异谱、同谱异物及混合像元现象也特别严峻。而高光谱成像的发展使得人们有实力对城市地物的光谱特性进行深化探讨，人们用试验室光谱、地物光谱、航空和航天的高光谱遥感器对城市的光谱进行了一系列的深化分析。探讨的内容包括城市地物的光谱特性及可分性，为城市环境遥感分析及制图供应基础。城市遥感探讨中，由于城市下垫面地物类型繁多，而且很多地物类型的光谱曲线相像性很高，所要想很精确的区分出城市地物，诊断出微小的汲取波段是必要的，这对高光谱数据的图像光谱质量提出了很高要求。例如：国内刘建贵等人，利用高光谱数据结合光谱检测算法，对城市地物分类进行了探讨，将高光谱辨别率的PHI成像光谱数据和高空间辨别率的彩红外照片结合，利用高空间辨别率图像数据的高几何清楚度，检测出城市各地物的轮廓线，以此形成多边形图斑，然后利用高光谱数据的光谱信息，针对每一个图斑进行统计分析与分类，以确定它的类别归属，最终可产生很规范的地物图斑边界，将图像分割为水体及阴影、植被、沥青表面、水泥表面、大理石表面和裸土6大类典型地物。在海洋及内陆水环境监测中的应用高光谱成像是当前海洋成像前沿领域。由于中辨别率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、辨别率高和波段多等很多优点，因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它既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探测，还可用于海冰、海岸带等的探测。国内海洋遥感应用基础探讨主要是一些数学模型的构建。关于如何解决水体的低反射率、大气对蓝紫波段光谱的散射影响等难题的探讨还未涉足。在海洋水质监测应用方面，只有可见光光谱能够观测水下的状况。另外，陆源污染、海水养殖、滩涂等海岸带典型要素的光谱特性探讨工作也在开展，探讨人员以航空高光谱图像为数据源，选取陆源污染、海水养殖、滩涂为监测要素，进行上述要素的光谱波段敏感性探讨，试获得其探测的最佳波段，并进一步发展精确、快速识别和探测技术。在海洋表面温度测量、海洋表层悬浮泥沙浓度的定性或半定量的观测、海洋动力现象的探讨等方面都开展了相应的探讨。现在国际上开展的主要探讨有:海洋碳通量探讨；海洋生态系统与混合层物理性质的关系探讨；海岸带环境监测与管理。在植被与生态探讨中的应用高光谱超多波段的成像光谱数据为植被分类识别供应了比以往更加具体的信息，基于高光谱成像的植被识别精度远远超出了常规所能获得信息的精确性和牢靠性，体现出高光谱在植被信息获得实力方面的巨大优势。高光谱成像还应用于生态环境梯度制图、光合作用色素含量提取、植被干物质信息提取、植被生物多样性监测、土壤属性反演、植被和土地覆盖精细制图、土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富养分化检测、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾难评估等等。植被高光谱数据，按获得方式的不同，采纳相应的高光谱信息处理技术处理后可用于植被参数估算与分析，植被长势监测及估产等领域。另外，高光谱的出现使植物化学成分估测成为可能。

例如：1995年12月，中国科学院遥感应用探讨所与国外合作采纳模块化航空成像光谱仪(MAIS)与地面同步光谱测,开展了湿地植被高光谱遥感监测试验。吴长山利用高光谱数据对导数光谱与群体叶绿素密度做相关分析，选取相关关系最高的波段与导数光谱进行线性拟合，估算叶绿素密度。在地质矿产调查中的应用区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的领域也是高光谱成像应用中最胜利的一个领域。如今地面光谱仪主要有澳大利亚的PIMA，美国的ASD，GER,热红外FT-IR等，国内的有中科院研发的OMIS系列，PHI等。利用高光谱遥感（含热红外高光谱）进行矿物识别可分为3

个层次：矿物种类识别、矿物含量识别和矿物成分识别。（1.基于单个诊断性汲取的特征参数；2.基于完全波形特征；3.基于光谱学问模型）在矿物识别和矿物精细识别的基础之上，依据矿物共生组合规律和矿物自身的地质意义指示作用，直观地反演各种地质因素之间的内在联系，可提高高光谱在地质应用中分析和解决地质问题的效能。随着高光谱遥感地质应用的不断扩展和日益深化，高光谱遥感技术和方法也在不断改进。近年来在基于高光谱数据的矿物精细识别、高光谱影像地质环境信息反演、基于高光谱遥感的行星地质探测等方面取得了突出的进展。高光谱遥感在地质成因环境探测、蚀变矿物与矿化带的探测、成矿预料、岩性的识别与分类、油气资源及灾难探测、高光谱植被重金属污染探测等方面也有应用。例如：国内也开展了类似的探讨。谢红接等运用MAIS数据做了试验性探讨工作，提取了探讨区域