成像光谱技术简介

成像光谱技术

1.成像光谱技术发展简述

光谱技术是指利用光与物质的相互作用研究分子结构及动态特性的学科，即通过获取光的发射、吸收与散射信息可获得与样品相关的化学信息，成像技术则是获取目标的影像信息，研究目标的空间特性信息。这两个独立的学科在各自的领域里已有数百年的发展历史，但是知道上个世纪六十年代，遥感技术兴起，空间探测和地表探测一时成为科学界研究的热点，人们希望得到的不单纯是目标的影响信息或者目标的光谱信息，而是同时得到影像信息和光谱信息，这一需求极大的导致了成像技术和光谱技术的结合，催生出了成像光谱技术。

所谓光谱成像技术，其本质是充分利用了物质对不同电磁波谱的吸收或辐射特性，在普通的二维空间成像的基础上，增加了一维的光谱信息。由于地物物质组成的不同，其对应的光谱之间存在差异（即指纹效应），从而可以利用地物目标的光谱进行识别和分类。光谱成像技术可以在电磁波段的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多窄并且光谱连续的图像数据，为每个像元提供一条完整并且连续的光谱曲线。

图1 成像光谱技术示意图

图1.1就是成像光谱技术的示意图，成像光谱仪得到一个三维的数据立方体，从每个空间象元都可以提取一条连续的光谱曲线，通过谱线的特征分析，继而用于后续的测探等目的。

2.成像光谱仪的分类

成像光谱仪是成像光谱技术发展的必然产物，是可以同时获取影像信息与像元的光谱信息的光学传感器，是成像光谱技术得以实现的实物载体，根据不同的分类标准可以进行多种分类，主要有以下几种：

(1)根据成像光谱仪的光谱分辨率不同，可以分为多光谱成像仪

(Multispectral Imager, MSI)，高光谱成像仪(Hyperspectral Imager, HSI)，超光谱成像仪(Hyperspectral Imager, USI)。

多光谱成像仪：获得的目标物的波段在3~12之间，光谱分辨率一般在

100nm左右，主要用于地带分类等方面。

高光谱成像仪：获得的目标物的波段在100~200之间，光谱分辨率在10nm 左右，被广泛用于遥感中。

超光谱成像仪：获得的目标物的波段在1000~10000之间，光谱分辨率在

1nm以下，通常用于大气微粒探测等精细探测领域。

(2)按照分光原理的不同可以分为棱镜色散型、光栅衍射型、滤光片型、干涉

型以及计算层析型。

棱镜色散型和光栅衍射型分别是利用棱镜的色散和光栅的衍射来获取目标物的光谱，这两类光谱仪都是直接型光谱仪，即可以直接得到目标物的光谱曲线，具有原理简单和性能稳定等优点。

滤光片型光谱仪是采用相机加滤光片的方案，分光元件为滤光片，有多种形式，有线性滤光片、旋转滤光片等。这种光谱仪也是一种间接成像光谱仪，需要调制才能获得整个数据立方体

干涉型光谱仪是采用干涉仪实现两束相干光的干涉，从而获得目标物的干涉图。该类型的光谱仪其采集到干涉图和最终需要反演得到光谱图之间存在傅里叶变换关系，故其也称傅里叶变换光谱仪。

(3)按照扫描方式不同，成像光谱技术可分为挥扫式(Whiskbroom)、推扫式(Pushbroom)和凝视(Staring)成像光谱仪。

挥扫视：主要利用扫描镜，将空间信息按照一定的顺序输入，再由光谱仪对各点进行光谱分光，这类光谱仪的探测器一般为线阵。

推扫式：采用一个垂直于运动方向的面阵探测器，先将扫描成像于光谱仪的狭缝上，在通过运动获得另一维的光谱数据。

凝视型：无需探测器的运动，在任意时刻即可获取目标的二维空间信息以及一维光谱信息。

此外，还有多种分类方法，比如按照数据称重理论和调制方式以及搭载平台的不同等等。

3.成像光谱技术的应用

成像光谱技术应用方向可以分为两大类：军用和民用。在军用方面，由于成像光谱仪特别是高光谱成像仪具有在光谱上区分地物类型的能力，因此它在地物的精细分类、目标检测和变化检测上体现出较强的优势，成为一种重要的战场侦察手段。早在20世纪末，美国军方就有实验表明高光谱图像可以分辨出

自然草地背景下的真实目标和虚假目标；沙漠背景下可以快速的检测出战术小目标。

在民用方面，成像光谱仪广泛用在水体监测，矿物识别以及植物生态学等方面。高光谱数据的精细光谱分辨率可用于识别和估算水域中的叶绿素及悬浮物的含量，还可以监测水质受到化学污染的情况；由于不同金属离子在电子跃迁时形成的典型光谱特征不同，可以监测地下矿物，并能精确的绘制出不同金属分布的丰度图；着眼于大的方面高光谱遥感改善了认识对植被的识别和分类精度，从细小的方面来看，高光谱技术可以检测到某个植物的叶子水分、叶绿素、纤维素、木质素及其他成分，获得植物的精细生长状况，也别有利于检测

病虫害的发生。

图2 某地区的全色图像（左）和其高光谱图像（右）如图2所示，是拍摄到的某地区的全色图像和高光谱图像，图中圈出来的地方是待检测目标物，如图所示，左图无法检测出目标物而右侧的光谱图可以

将目标物检测出来。

图3利用成像光谱仪绘制的某地区矿物分布情况图3是利用成像光谱仪绘制的某地区矿物分布情况，不同的颜色代表不同的矿物质集群。