高光谱背景知识介绍
2ENVI高光谱分析优质资料
董彦卿
主要内容
1、高光谱简介 2、高光谱数据预处理 3、物质制图与识别、探测
1、高光谱遥感简介
光学遥感技术的发展：
全色（黑白）－－彩色摄影－－多光谱扫描成像－－ 高光谱遥感
高光谱分辨率遥感（HyperspectralRemote Sensing）
用很窄（10-2λ ）而连续的光谱通道对地物持续遥感 成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率 高达纳米(nm)数量级，通常具有波段多的特点，光谱 通道数多达数十甚至数百个以上，而且各光谱通道间 往往是连续的，因此高光谱遥感又通常被称为成像光 谱（Imaging Spectrometry）遥感。
与传统多光谱遥感相比， 其光谱通道不是离散而 是连续的，因此从它的 每个像元均能提取一条 平滑而完整的光谱曲线。
成像光谱仪系统介绍
航空成像光谱仪系统 国内系统：MAIS、OMIS-1、OMIS-2、PHI、WHI、
LASIS 国外系统：AIS、AVIRIS、TRWIS、GERIS、
HYDICEAISA、DAIS、CASI、HYMAP
单一的水气因数用于整体影像，默认是1，
对于多光谱数据使用水气反演模型，可以在多光谱设置中手 动设置水气波段
气溶胶模型（Aerosol Model）
提供四种标准MODTRAN气溶胶模型 Rural（乡村）、Urban（城市）、Maritime（海洋）、 Tropospheric（对流层，能见度在40km以上）
基于统计学模型 平场域定标 对数残差 内部平均反射率法 经验线性
基于简化辐射传输模型的黑暗像元法 基于统计的不变目标法 基于植被指数的大气阻抗植被指数法 ……
高光谱图像
高光谱图像
高光谱图像是一种特殊的图像，它不同于普通的彩色图像，能够提供更加丰富
和详细的信息。
在高光谱成像中，每个像素点不仅具有红、绿、蓝三个通道的信息，还包含了很多更加细致的波长范围内的信息。
这种细致的信息能够提供更加全面的数据，对于很多应用领域都具有重要意义。
高光谱成像的原理
高光谱成像是利用光谱分析技术，通过记录目标在不同波长下的光谱响应，获
得目标在光谱范围内的反射、透射等信息。
在高光谱成像中，往往需要使用具有很高光谱分辨率的设备，例如高光谱相机或高光谱遥感仪器。
这些设备能够获取大量的波长信息，使得每个像素点都能够呈现在光谱上的一个连续曲线，而非单一的颜色。
高光谱图像的应用
高光谱图像在很多领域都有广泛的应用。
其中，农业是一个重要的应用领域之一。
通过高光谱图像，可以实现对土壤、植被及作物的快速检测和分析，实现精准农业。
此外，高光谱图像还可以应用于环境监测、食品安全等领域，为决策提供数据支持。
高光谱成像的未来
随着科学技术的不断进步，高光谱成像技术也在不断发展。
未来，高光谱成像
技术可以望远镜技术结合，实现在宇宙空间中对星球和星系进行高光谱成像，为天文研究提供更多宝贵的数据。
同时，高光谱成像技术还可以与人工智能技术相结合，实现更加智能化的数据分析和应用。
高光谱成像是一项强大的技术，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断完善和
发展，相信在未来的某一天，高光谱成像技术将为人类社会的发展做出更大的贡献。
高光谱参数
高光谱参数是遥感领域中一个重要的概念，它涉及到对地物光谱特性的测量和分析。
高光谱参数通常用于描述地物在特定波段范围内的光谱响应，这些参数可以提供关于地物类型、表面特征、内部结构等方面的信息。
高光谱参数通常包括反射率、发射率、辐射传输系数等。
其中，反射率是地物表面反射太阳辐射的能力，可以反映地物的颜色和纹理；发射率是地物表面发射红外辐射的能力，可以反映地物的温度和热辐射特性；辐射传输系数则是地物表面反射和吸收辐射的能力的综合体现，可以反映地物的透光性和反光性。
高光谱参数的应用非常广泛，例如在农业、林业、环境监测、城市规划、地质调查等领域都有广泛的应用。
例如，在农业领域中，可以利用高光谱参数来监测作物的生长状况、病虫害情况等；在林业领域中，可以利用高光谱参数来监测森林的健康状况、树种分布等；在环境监测领域中，可以利用高光谱参数来监测空气质量、水质污染等。
总之，高光谱参数是遥感领域中一个重要的概念，它涉及到对地物光谱特性的测量和分析。
通过获取和分析高光谱参数，我们可以更加深入地了解地物的性质和特征，为相关领域的研究和应用提供有力的支持。
高光谱技术的原理和应用
高光谱技术的原理和应用原理高光谱技术是一种用于获取和分析广谱波长范围上的光谱数据的技术。
它与传统的光谱技术相比，能够提供更丰富和详细的信息，因为它可以在每个波长点上获取光谱数据。
高光谱技术的原理可以简单地描述如下：1.光源发射：在高光谱技术中，首先需要一个光源来发射光线。
这可以是白炽灯、激光器或其他类型的光源。
2.光线传播：发射的光线通过样本或被测对象，并传播到其中。
样本可以是土壤、植物、水体或其他材料。
3.样本反射或散射：样本对入射光的不同波长的光线进行反射、散射或吸收。
这个过程会导致光线在不同波长上的强度发生变化。
4.光谱数据采集：在经过样本后，光线被检测器接收，并将光谱数据转换成电信号。
这些信号可以是连续的或离散的，取决于检测设备的类型。
5.数据处理和分析：经过采集的光谱数据需要进行处理和分析。
这可以包括去噪、校正和模式识别等步骤。
根据应用需求，可以采用不同的处理算法和方法。
6.数据解释和应用：最后，根据处理和分析的结果，可以对数据进行解释，并将其应用到不同的领域，如农业、环境监测、医学等。
应用高光谱技术在许多不同领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1.农业：高光谱技术可以用于农作物的生长监测和疾病诊断。
通过分析植物在不同波长上的反射光谱，可以获取植物的生长状态和健康状况。
这对于农作物的管理和灾害监测非常重要。
2.环境监测：高光谱技术可以用于环境中的污染物检测和监测。
通过分析光谱数据，可以识别出水体中的有害物质、土壤中的重金属或空气中的污染物。
这对于环境保护和污染治理非常重要。
3.地质勘探：高光谱技术可以用于地质勘探和矿产资源的探测。
通过分析地表或地下的光谱数据，可以找到矿藏的迹象，并进行资源储量估计。
这对于矿业公司和勘探团队非常重要。
4.医学：高光谱技术可以用于医学成像和疾病诊断。
通过分析组织或血液样本的光谱数据，可以获取关于疾病发展和组织结构的信息。
这对于疾病的早期诊断和治疗至关重要。
什么是高光谱
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。
高光谱成像技术的原理-概述说明以及解释
高光谱成像技术的原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述是引言部分的一部分，它旨在向读者介绍高光谱成像技术的基本概念和背景。
高光谱成像技术是一种基于光谱分析的图像获取方法，可以获取物体在不同波长下的光谱信息，从而实现对物体的精细分析和识别。
该技术结合了光谱学、光学和图像处理等多学科的知识，广泛应用于农业、环境保护、地质勘探、医学等领域。
传统的成像方法一般只能获取物体的灰度或彩色图像，而高光谱成像技术能够获取物体在数百个或数千个连续波长范围内的光谱数据，使得物体的细微差别能够被有效检测和分析。
通过对不同波长下的光谱反射率进行分析，可以获得物体的光谱特征，比如吸收峰、反射特性等，从而可以实现对物体的材质、组织、化学成分等进行定量和定性分析。
高光谱成像技术的应用非常广泛。
在农业领域，可以通过对农作物的高光谱图像进行分析，实现对农作物的健康状况、营养状况和水分状况的监测和管理。
在环境保护领域，可以通过对水体、土地和大气环境等进行高光谱成像，实现对环境质量的监测和评估。
在地质勘探领域，可以利用高光谱成像技术进行矿产勘查和地质灾害监测。
在医学领域，可以通过高光谱成像技术实现对皮肤病变、肿瘤和血液疾病等进行快速诊断和监测。
然而，高光谱成像技术也存在一些局限性。
首先，高光谱成像技术需要大量的光谱数据和复杂的图像处理算法，对硬件设备和计算资源的要求较高。
其次，高光谱成像技术对环境的光照条件和物体的表面特性比较敏感，可能受到光照不均匀和表面反射率变化等因素的影响。
此外，高光谱成像技术在实际应用中仍面临一些挑战，如传感器的成本和体积、采集速度的限制等。
尽管高光谱成像技术存在一些挑战和限制，但随着科学技术的不断进步，相信在未来的发展中，高光谱成像技术将更加成熟和普及，为各个领域提供更多的应用和发展机会。
文章结构部分的内容应该包括文章的主要章节和内容安排。
这部分通常介绍整篇文章的组织架构，让读者能够清楚地了解整篇文章的内容和结构。
知识库-高光谱成像技术
高光谱成像技术高光谱成像技术起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。
对空间探测、军事安全、国土资源、科学研究等领域都具有非常重要的意义。
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的区别，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，通过高光谱设备获取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展开，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迅速，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。
原理：光栅分光原理：在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会发生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。
也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照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，照射到探测器上，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。
经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。
例如系统如下：声光可调谐滤波分光（AOTF）原理：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。
改变射频驱动信号的频率，可以改变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。
高光谱信息采集及应用说明
高光谱信息采集及应用说明一、高光谱成像技术简介通俗地讲，高光谱成像技术就是将一个范围的光谱按照一定的间隔进行分光形成光谱间隔很小的一系列光谱集合，再分别用这些光谱进行成像，生成一系列图像集合。
由于高光谱将光谱分成了间隔很小的“纯净”光，因此形成的影像可以展示该波段所具有的特性。
一般情况下，400nm-1000nm的范围内，可分成200个以上的谱段，即可获取超过200幅图像，在文物图像上选取任一点，读取200幅图像上相同位置点的光谱反射率，形成一条光谱曲线，可以标识该点对光谱敏感性，形成“文物指纹”。
二、高光谱应用介绍及案例高光谱大量应用于全球的文物及艺术品发掘、颜料分析、收藏分析、签名真伪分析等领域，具体包括笔记分析、墨水分析、颜料分析和化学物质分析等。
文物分析的特点为非接触、无损、定性定量结合、可视化和实时。
（1）强化模糊或被遮蔽的痕迹图1. 发现隐藏字迹如上图1所示，BEVIN家族拥有一幅画作，通过高光谱成像分析，在短波红外段寻找出隐藏的作者独特签名“D”，通过于作者藏于其他馆的画作比对，确定该画作是西班牙画家Diego Velazquez的作品，该画作大幅增值。
图2. 发现《独立宣言》涂改字迹如上图2的美国《独立宣言》手稿，通过高光谱分析，发现了隐藏的字迹，揭示处托马斯-杰斐逊在起草时写上“我们的人民”（our fellow subjects）之后涂改为“我们的公民”（our fellow citizen），这对于研究美国历史具有重要意义。
图3. 发现烧焦纸片的字迹如上图3的烧焦纸片，进行高光谱成像后采用PCA方法进行图像分析，发现了纸片上的字迹。
（2）艺术品监控图4.可见光与紫外荧光下的艺术品如上图4所示的艺术品，进行紫外荧光假彩色成像后，可以发现艺术品外层掉漆现象，方便及时修补。
（3）探测退化标志和研究保存环境的影响图5. 梵高画作保存环境研究如上图5所示的梵高画作，可见光下笔触难以分辨，无法判断画作材质是否有变质现象，进行外红假彩色成像后，红色墨迹为正常鞣酸铁墨水，黑色墨迹为变质墨水，警示博物馆需要尽快采取行动。
高光谱技术的原理及应用
高光谱技术的原理及应用前言随着科技的发展，高光谱技术在许多领域中得到了广泛应用。
本文将介绍高光谱技术的基本原理和一些常见的应用领域。
什么是高光谱技术？高光谱技术是一种能够获取物体在不同波长范围内的光谱信息的技术。
与传统的彩色图像相比，高光谱图像能够提供更丰富的光谱信息，包括可见光、红外线和紫外线等。
这种技术通过捕捉和分析物体反射或发射的光谱信息，可以获取物体的化学成分、生理状态等细节信息。
高光谱技术的原理高光谱技术的原理主要基于光谱学和光学成像原理。
它使用一种称为高光谱摄影仪或光谱仪的设备来捕捉包含多个波长的光谱数据。
这些光谱数据由各种波段的像素组成，每个像素代表一个具体的波长。
通过收集并分析这些像素，可以获得物体在不同波段的反射或发射光谱信息。
高光谱技术依赖于光谱库，这是一个包含物体在不同波段的光谱数据的数据库。
通过与光谱库中的数据进行比较和匹配，可以确定物体的化学成分、表面特性等。
高光谱技术还可以通过光谱成像技术获取物体的空间分布信息，从而实现对物体的全息分析。
高光谱技术的应用高光谱技术在许多领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：农业•作物健康监测：利用高光谱技术，可以通过监测作物的反射光谱来评估其健康状况。
这对于实现精确的农业管理至关重要，可以帮助农民及时采取措施来防治病虫害，提高作物产量和质量。
•土壤分析：高光谱技术可以用于土壤成分和质量分析。
通过分析土壤的光谱信息，可以评估土壤中的养分含量、有机质含量等信息，为土壤肥力评估和精确施肥提供依据。
环境监测•水质监测：高光谱技术可以用于监测水体中的污染物，如藻类、悬浮物和有机物等。
通过分析水体的光谱信息，可以评估水体的污染程度并采取相应的治理措施。
•大气环境监测：利用高光谱技术，可以实时监测和分析大气中的气体成分和污染物。
这对于环境保护和气候变化研究等方面具有重要意义。
医学领域•癌症诊断：高光谱技术可以用于癌症的早期诊断和监测。
通过分析肿瘤组织的光谱信息，可以区分恶性肿瘤和良性肿瘤，提高癌症的诊断准确性。
高光谱技术原理
高光谱技术原理介绍如下：
高光谱技术是一种用于获取物体光谱信息的技术，它可以对物体表面反射、透射、辐射等光谱信息进行高精度的分析和识别。
高光谱技术的原理是基于物质分子的吸收、散射、反射光谱特性，通过光谱数据采集、处理和分析，来获取物质的成分和结构信息。
高光谱技术的核心是光谱数据采集与处理。
一般来说，高光谱数据采集需要用到高光谱成像仪，这种仪器可以在可见光和红外光谱范围内，以高分辨率获取物体表面的光谱数据。
成像仪可以将物体的光谱信息分解成数百或数千个窄带光谱，然后对每个窄带光谱进行采集和记录。
采集到的光谱数据可以分为两种类型：反射光谱和辐射光谱。
反射光谱是指物体表面反射的光线的光谱数据，而辐射光谱是指物体表面散射或辐射的光谱数据。
采集到的光谱数据需要经过预处理和分析，才能得到有用的信息。
预处理包括光谱数据去噪、归一化、标准化等。
分析包括光谱数据分类、聚类、回归、特征提取等。
其中，分类和聚类是高光谱图像处理的核心。
这些技术可以将采集到的光谱数据映射到特定的空间中，从而实现对物体的分类、识别和定量分析。
高光谱技术广泛应用于地球观测、农业、环境监测、医学影像等领域。
例如，在农业领域，高光谱技术可以用于精准农业，通过对农作物的光谱数据进行分析和识别，实现精准施肥、病虫害预警等。
在医学影像领域，高光谱技术可以用于诊断，通过对人体组织的光谱数据进行分析和识别，实现病变的早期诊断和治疗。
总的来说，高光谱技术是一种非常有前景的技术，它在多个领域都有广泛的应用前景。
高光谱应用描述
高光谱应用涉及到多个领域，并在这些领域中发挥着重要作用。
在遥感领域中，高光谱成像技术可以区分地表的不同特征，因
为每个特征都有独特的光谱带。
例如，多光谱卫星可以捕获几个波
段的图像，而高光谱成像卫星则可以在200多个波段中捕获地球表面，这有助于科学家区分由于光谱分辨率而无法在多光谱成像中区
分的物体。
此外，高光谱成像技术也可以应用于食品安全、医学诊断和航
天领域。
在食品安全方面，高光谱成像技术可以融合传统的成像和
光谱技术的优点，同时获取被检测物体的外部和内部品质。
在医学
诊断方面，高光谱成像技术是一种特殊的光学技术，具有成像系统
多样化、研究对象广泛化、临床诊断实用化和分析方法功能化等特征，能够原位实时活体诊断疾病，尤其是肿瘤，临床应用前景广阔。
在航天领域，高光谱成像仪的发展将进入新一轮发展。
除此之外，高光谱在种子活力研究、生物医学应用、生物技术
等方面也有着广泛的应用。
例如，通过使用高光谱图像和绘制反射
光谱，可以得出种子的活力情况；高光谱技术在生物和医学应用中
越来越流行，可以轻松快速地获取可在实验室中使用的数据；高光
谱成像是一种特殊光学诊断技术，具有成像系统多样化、研究对象
广泛化、临床诊断实用化和分析方法功能化等特征。
总的来说，高光谱应用已经渗透到许多领域中，并为相关行业
带来了革命性的进步。
高光谱成像检测技术.
高光谱成像检测技术一、高光谱成像技术的简介高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术, 其最突出的应用是遥感探测领域, 并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。
它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术,是传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。
高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上,在从紫外到近红外 (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谱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。
高光谱成像技术具有超多波段 (上百个波段、高的光谱分辨率 (几个 nm 、波段窄(≤ 10-2λ、光谱范围广(200-2500nm 和图谱合一等特点。
优势在于采集到的图像信息量丰富, 识别度较高和数据描述模型多。
由于物体的反射光谱具有“指纹” 效应, 不同物不同谱, 同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。
二、高光谱成像系统的组成和成像原理高光谱成像技术的硬件组成主要包括光源、光谱相机 (成像光谱仪 +CCD 、装备有图像采集卡的计算机。
光谱范围覆盖了 200-400nm 、 400-1000nm 、 900-1700 nm 、 1000-2500 nm。
光谱相机的主要组成部分有:准直镜、光栅光谱仪、聚焦透镜、面阵 CCD 。
高光谱成像仪的扫描过程:面阵 CCD 探测器在光学焦面的垂直方向上做横向排列完成横向扫描(X 方向 ,横向排列的平行光垂直入射到透射光栅上时,形成光栅光谱。
这是一列像元经过高光谱成像仪在 CCD 上得到的数据。
它的横向是 X 方向上的像素点,即扫描的一列像元;它的纵向是各像元所对应的光谱信息。
同时, 在检测系统输送带前进的过程中, 排列的探测器扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描(Y 方向。
综合横纵扫描信息就可以得到样品的三维高光谱图像数据。
一、高光谱遥感简介
1.2 电磁波与物质的相互作用
(4)大气窗口
不同的电磁波段通过大气后衰减的程度不一样，有些波段的电磁辐射通过大气后衰 减很小，透光率很高，通常称为“大气窗口”。
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1.2 电磁波与物质的相互作用
(4)大气窗口
（1）0.30～1.15μm大气窗口（全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波 段） ：反映地物对太阳光的反射，白天成像；
晶体场效应
[TiF6]2-为八面体配合物，电子构型1s22s22p63s23p6, 该离子的5个空3d 轨道为简并轨道。
由于d轨道的取向，F-离子很靠近dx2-y2和dz2轨道（eg轨道）, eg轨道直 接指向F-配体；而dxy, dxz 和 dyz轨道（t2g轨道）指向F-配体之间。
eg 轨道比t2g轨道具有较高的能量。
（2）1.30～2.50μm大气窗口（近红外波段）：主要用于地质遥感 ； （3）3.50～5.00μm大气窗口（中红外波段）：用来探测高温目标，如森林火
灾、火山、核爆炸等 ； （4）8～14μm大气窗口（热红外波段）：探测常温下地物热辐射能量、发射
率、温度； （5）1.00mm～1m微波窗口（毫米波、厘米波和分米波）：能穿透云层、植被和
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1.3 典型地物的光谱特性
色心
透明晶体中的点缺陷或其复合物捕获电子或空穴而形成的一类缺陷，和相应的 一组能级，这些允许能级之间的间距与可见光谱中的光子相当，当相应的光子 在缺陷处被吸收时，晶体好像被染了颜色一样。这种缺陷就是色心，常见于碱 卤化合物和多种金属氧化物。
• F心: M+X-晶体中负离子X的子晶格空位，捕获一个电子构成F心。该电子不 稳定，可由类1S态激发到类2s态、类2p态－－－F吸收线 LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl，如CaF2中的F离子丢失而被一个电子取代时， 就会造成红绿吸收，而呈现紫色，从而形成色心。
高光谱的原理和应用
高光谱的原理和应用1. 什么是高光谱高光谱是一种用于获取物体反射或发射光谱信息的技术。
它能够在非接触、非破坏的情况下检测出被测试物体的光谱特征，提供了更加丰富的光谱信息。
2. 高光谱的原理高光谱技术基于物质对不同光波长的光反应不同的原理，通过探测物体反射或发射的光谱，可以获取物体表面的光谱特性。
光谱信号可以被分解成多个连续的波长，每个波长都对应一个光谱值。
3. 高光谱的应用领域3.1 农业领域•粮食产量预测：通过高光谱技术可以获取作物的生长情况和养分状况，进而对粮食产量进行预测。
•病虫害检测：高光谱技术可以帮助农民及时发现作物的病虫害情况，及早采取措施进行防治。
•植被指数监测：高光谱技术可以测量植被的光谱特征，通过计算植被指数来监测植物的生长状态和健康程度。
3.2 环境监测领域•水质监测：高光谱技术可以用于监测水体中的溶解物质浓度、藻类数量和水质变化趋势，提供水环境质量评估的依据。
•空气污染监测：高光谱技术可以用于检测空气中的有害气体浓度、颗粒物质分布状况等，对环境污染进行监测和预警。
3.3 地质勘探领域•矿产资源勘探：高光谱技术可以对地表及地下进行光谱扫描，通过分析光谱特征来检测矿产资源的分布情况。
•地质构造识别：高光谱技术可以用于识别地质构造中的矿物成分差异，帮助地质学家研究地球内部结构和构造演化过程。
3.4 医学诊断领域•肿瘤检测：高光谱技术可以通过检测组织细胞的光谱信息来诊断肿瘤存在与否，提供早期癌症筛查和诊断的手段。
•血液分析：高光谱技术可以分析血液中不同成分的光谱特征，帮助医生进行血液疾病的诊断和治疗。
4. 高光谱技术的优势•信息丰富：高光谱技术能够提供大量的光谱信息，对被测试物体进行更为全面和准确的描述。
•非接触式检测：高光谱技术不需要对物体进行接触，避免了对被测试物体的破坏和污染。
•快速且实时性高：高光谱技术具有快速的采集速度和实时的数据处理能力，适用于大规模的数据采集和处理需求。
高光谱原理及应用简介
目录
1
高光谱遥感的基本概念
2
高光谱遥感器及平台
3
高光谱遥感技术
4
高光谱遥感技术应用
从嫦娥一号说起
Moon Observing
嫦娥一号的高光谱干涉成像光谱仪
光学遥感的发展阶段
• 国际遥感界认为光谱分辨率在10-1λ数量级范围内的为多光谱遥感 (Multispectral)；
• 光谱分辨率在10-2λ的遥感信息称之为高光谱(Hyperspectral)遥感。 • 随着遥感光谱分辨率的进一步提高，在达到10-3λ时，遥感即进入了超高光谱
土壤研究中应用
• 连续窄带短波红外光谱信息，为土壤评价与监测提供了强 有力的工具。
• 高光谱分辨率遥感作为一种手段可以用来提供土壤表面状 况及其性质的空间信息，亦可用来评价探测土壤性质细微 差异的潜力。
• 高光谱在土壤研究中的价值主要在于土壤类型的填图、土 壤中矿物成分定量鉴别、土壤湿度、土壤有机质、土壤侵 蚀以及土壤退化监测，从成像光谱图像定量反演土壤物理 化学参数，对土壤潜在生产力评价以及监测由于风蚀、水 侵、盐碱化、沙漠化造成的土地退化现象。
• 通过对植被光谱特征的分析也是找矿的依据，由 于矿物中金属离子对植被的侵蚀，会引起植被的 病变，使得植被近红外高反射峰就会向短波方向 移动5-20纳米，成为“红边蓝移”现象。高光谱 遥感就有能力发现这种现象。
地质
黄铁矿 黄钾铁矾矿 针铁矿和 黄钾铁矾
针铁矿
赤铁矿
植被生态学
• 植被群落、植被种类的分类与识别； • 冠层结构、状态或活力的评价、冠层水文状态与冠层生物
农业-农作物的识别和品种划分
不同成熟度的水稻和不同深浅的水域分类
农业-农作物的识别和品种划分
什么是高光谱
什么是高光谱1.光谱分辨率spectral resolution定义(1)：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。
遥感器的波段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。
定义(2)：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。
光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。
细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。
传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。
举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。
一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。
2.多光谱、高光谱、超光谱(1)多光谱成像——光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。
(2)高光谱成像——光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．01mm 数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm级。
(3)超光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda =0．001mm 数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。
3.光谱范围：(1)多光谱：光谱分辨率在10-1λ数量级范围内称为多光谱(Multi-spectral)。
包括：可见光、紫外光、红外光(2)高光谱：光谱分辨率在10-2λ数量级范围内称为高光谱(Hyper-spectral)。
在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，以数十至数百个连续且细分的光谱波段对目标区域同时成像(3)红外光谱：通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.75-2.5μm)、中红外区(2.5-25μm)和远红外区(25-1000μm)。
高光谱技术原理及应用(朱黎明)
Agriculture
不同成熟度的水稻和不同深浅的水域
Mineral exploration
蚀变带是找矿的重要依据，蚀变带在2.2微米处具 蚀变带是找矿的重要依据，蚀变带在2.2微米处具 有光谱吸收特征，其吸收光谱的半带宽在10纳米 有光谱吸收特征，其吸收光谱的半带宽在10纳米 到50纳米之间，因此，具有10纳米光谱分辨率的 50纳米之间，因此，具有10纳米光谱分辨率的 成像光谱仪就有能力直接通过遥感发现蚀变带， 以确定找矿的靶区。 同时，通过对植被光谱特征的分析也是找矿的依 据，由于矿物中金属离子对植被的侵蚀，会引起 植被的病变，使得植被近红外高反射峰就会向短 波方向移动5 20纳米，成为“红边蓝移” 波方向移动5-20纳米，成为“红边蓝移”现象。 高光谱遥感就有能力发现这种现象。
摆扫型
推扫型
图像立方体
在通常显示的二维图 像的基础上添加光谱 维，就可以形成三维 的坐标空间
y
x
λ
二维的光谱曲线
为了表达 图像上某 图像上某 一像元的 一像元的 光谱特征， 引入二维 的光谱曲 线，对于 一列像元 可进一步 形成光谱 形成光谱 曲面。 曲面。
高光谱图像的预处理
成像光谱仪的标定，要建立成像光谱 仪每个探测元件输出的数字量化值与 仪每个探测元件输出的数字量化值与 它所对应像元内的实际地物的辐射亮 它所对应像元内的实际地物的辐射亮 度值之间的定量关系（实验室标定、 度值之间的定量关系（实验室标定、 机上或星上标定、场地标定）
Hyperspectral image
高光谱与传统光谱比较
传统光谱 波段数 分辨率 图谱 通道是否连续 少 >100nm 分离 不连续 高光谱 非常多 一般10~20nm 一般10~20nm 个别达2.5nm 个别达2.5nm 合一 连续
高光谱成像原理
高光谱成像原理高光谱成像是一种通过获取物体在可见光和近红外光谱范围内的光谱信息来获取物体特征和识别目标的技术。
它利用物体在不同波长下的光谱特性来进行分析，可以广泛应用于农业、环境监测、地质勘探、医学诊断等领域。
本文将介绍高光谱成像的原理及其在不同领域的应用。
高光谱成像的原理是利用物体在不同波长下的反射、吸收和透射特性来获取其光谱信息。
在高光谱成像系统中，通过使用具有高光谱分辨率的传感器和光谱仪，可以获取物体在连续波长范围内的光谱数据。
这些数据可以用来分析物体的化学成分、表面特性以及其他相关信息。
通过对光谱数据的处理和分析，可以实现对目标的识别、分类和定量分析。
在农业领域，高光谱成像技术可以用于作物生长监测、病虫害识别、土壤养分测定等方面。
通过获取作物在不同波长下的光谱信息，可以实现对作物生长状态的实时监测和分析，及时发现病虫害和营养不良等问题。
这有助于农民制定科学的管理策略，提高农作物的产量和质量。
在环境监测领域，高光谱成像技术可以用于大气污染监测、水质检测、植被覆盖监测等方面。
通过获取地表和水体在不同波长下的光谱信息，可以实现对环境污染和生态变化的监测和评估。
这有助于政府和环保部门制定有效的环境保护政策，保护生态环境，改善人民生活质量。
在地质勘探领域，高光谱成像技术可以用于矿产资源勘探、地质灾害监测等方面。
通过获取地表和地下在不同波长下的光谱信息，可以实现对矿产资源和地质灾害的识别和评估。
这有助于提高矿产资源的开采效率，减少地质灾害对人类社会的影响。
在医学诊断领域，高光谱成像技术可以用于肿瘤检测、疾病诊断等方面。
通过获取人体组织在不同波长下的光谱信息，可以实现对肿瘤和疾病的早期诊断和定量分析。
这有助于提高医学诊断的准确性和精度，为患者提供更好的治疗方案。
综上所述，高光谱成像技术具有广泛的应用前景，在农业、环境监测、地质勘探、医学诊断等领域都有重要的作用。
随着技术的不断进步和发展，相信高光谱成像技术将会为人类社会的发展和进步带来更多的福祉。
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高光谱背景知识介绍
一光谱怎么作用:
组成物质的分子、原子的种类及其排列方式决定了该物质区别于其它物质的本质特征。
当电磁波入射到物质表面，物质内部的电子跃迁，原子、分子的震动、转动等作用使物质在特定的波长形成特有的吸收和反射特征，根据这个吸收或者反射的光谱，就可以反映出物质的组成成分与结构的差异。
不同的物质，光谱不同，特定的物质有特定的光谱，这是研究的方向，也是得出结论的根据。
二高光谱遥感：
概念：所谓高光谱遥感，即高光谱分辨率遥感，指利用很多很窄的电磁波波段（通常<10nm）从感兴趣的物体获取有关数据。
高光谱图像是由成像光谱仪获取的，成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息，产生一条完整而连续的光谱曲线。
它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱中能被探测。
特点：高光谱遥感具有以下特点：
⑴波段多。
成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。
⑵光谱分辨率高。
成像光谱仪采样的间隔小，一般为10nm 左右。
精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。
⑶数据量大。
随着波段数的增加，数据量呈指数增加。
⑷信息冗余增加。
由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。
⑸可提供空间域信息和光谱域信息，即“图谱合一”，并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。
高光谱数据可表示为高光谱数据立方体，是三维数据结构。
高光谱数据可视为三维图像，在普通二维图像之外又多了一维光谱信息。
其空间图像为描述地表二维空间特征，其光谱维揭示了图像每一像元的光谱曲线特征，由此实现了遥感数据图像维与光谱维信息的有机融合。
(1)空间图像维：在空间图像维，高光谱数据与一般的图像相似。
(2)光谱维：从高光谱图像的每一个像元中可获得一个“连续”的光谱曲线。
采用基于光谱数据库的“光、谱匹配”技术，可以实现识别地物的目的。
同时大多数地物都具有典型的光谱波形特征，尤其是光谱吸收特征。
这些特征与地物的化学成分是密切相关的。
难点：高光谱图像处理技术面临的主要难点有:
（1）数据量大
（2）加性噪声
（3）混合像素点
（4）从地物目标到图像的光谱响应的机理和作用过程非常复杂，即使是同一种材料，其光谱表现通常也有很大的差异，即存在所谓“同物异谱”和“同谱异物”的现象。
意义：高光谱图像处理意义在于：这一技术将确定物质或地物性质的光谱与揭示其空间和几何关系的图像革命性地结合在一起，而许多物质的特征往往表现在一些狭窄的光谱范围
内，高光谱遥感实现了捕获地物的光谱特征同时又不失其整体形态及其与周围地物的关系。
高光谱技术产生的一组图像所提供的丰富信息可以显著地提高分析的质量、细节性、可靠性以及可信度。
三高光谱发展程度
1．高光谱数据处理技术的发展程度
（1）基于纯像元的分析方法
①基于光谱特征的分析方法。
基于光谱特征的分析方法主要从地物光谱特征上出发，表征地物的特征光谱区间和参数。
这一方法通过对比分析地面实测的地物光谱曲线来区分地物。
“光谱匹配”是利用成像光谱仪探测数据进行地物分析的主要方法之一。
②基于统计模型的分类方法。
基于统计模型的分类方法
主要是对高光谱数据样本的总体特征进行统计分析。
对样本
采样点统计分布特征的分析可以帮助识别不同的目标物。
（2）基于混合像元的分析
由于传感器空间分辨率的限制以及地物的复杂多样性，遥感影像中的像元大多数都是几种地物的混合体，而它的光谱特征也就成了几种地物光谱特征的混合体。
2．高光谱应用的发展程度
（1）在地质方面的应用
在地质方面主要利用其探测岩石和矿物的吸收、反射等诊断性特征，从而进行岩石矿物的分类、填图和矿产勘查。
（2）在植被检测中的应用
通过对来源不同的植被高光谱遥感数据采取相应的技术处理后，可将其用于植被参数估算与分析，植被长势监测以及估产。
（3）在农业中的应用
高光谱在农业中的应用，主要表现在快速、精确地获取作物生长状态以及环境胁迫的各种信息，从而相应调整投入物资的投入量，达到减少浪费，增加产量，保护农业资源和环境质量的目的。
（4）在大气和环境方面的应用
大气中的分子和粒子成分在太阳反射光谱中有强烈反应，这些成分包括水汽、二氧化碳、氧气、臭氧、云和气溶胶等。
传统宽波段遥感方法无法识别出由于大气成分的变化而引起的光谱差异，而波段很窄的高光谱则能够识别出这种光谱差异。
高光谱遥感可以对人们周围的生态环境情况做出
定量的分析（环境污染）；用来探测危险环境因素（精确识别危险废矿物，编制特殊蚀变矿物分布图，评价野火的危险等级，识别和探测燃烧区域等）。
目前主要应用于地质、植被调查、农业、环境、军事等领域。