超光谱成像技术-v2

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1、超光谱成像技术一、简介超光谱成像技术是一种集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体的新型遥感技术，属于当前可见红外遥感器的前沿科学。不同于传统的单一波段成像技术，超光谱成像是将成像技术和光谱测量技术相结合，获取的信息不仅包括目标景物的二维空间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息,形成所谓的“数据立方”，如图1所示。xyl图1超光谱成像的数据立方传统的光学成像技术是利用物质的形态特征来区分它们，而这种技术并不总是高效率的。例如，对海水中叶绿素浓度的测量单靠形态学的特征，其测量精度往往是很低的。然而若利用物质光谱特征法来解决，便可得到人们极其满意的结

2、果。众所周知，任何两种不同的物质决不会有完全相同的光谱特性曲线。反之，任何一种物质也决不会有两种不同的光谱特性曲线。也就是说物质的光谱特性曲线是唯一的。于是，把光谱分辨率和空间分辨率结合起来，便具有更高的探测和识别物质的能力。因此，超光谱成像技术的产生及其飞速发展是显而易见的。丰富的目标光谱信息结合目标空间影像极大提高了目标探测的准确性，扩展了传统探测技术的功能，目前这一技术已广泛应用于陆地海洋地理遥感,大气、土壤和水体的污染物遥感监测,医疗光谱成像诊断,军事目标侦查探测、监视等多个军事和民用领域。二、发展现状和趋势超光谱成像技术的发展首先是从遥感领域开始的

3、，20世纪80年代国际遥感发展最具标志性的成果就是成像光谱仪的出现，它的出现开启了超光谱成像探测技术的开端。自从1983年美国喷气推进实验室(JPL)研制第一台成像光谱仪(AIS-I)以来，成像光谱的研究日趋活跃。从第一代AIS的32个连续波段，到第二代高光谱成像仪¾航空可见光/近红外成像光谱仪(AVIRIS)的224个波段，光谱分辨率在不断提高，AVIRIS是首次测量全反射波长范围(0.4～2.5μm)的成像光谱仪。此外，工作在中波红外(3～5μm)、长波红外(8～14μm)波段的成像光谱仪也获得了重要发展，典型的有美国喷气推进实验室(JPL)的ASTER

4、星载遥感器及美国军方“联合多光谱计划(JMSP)”研制的SEBASS机载红外成像光谱仪。目前，已有许多国家相继研制出各具特色的成像光谱仪，数量达四十种之多，这些传感器有的己经进入了商业运营，技术比较成熟。此外，许多具有高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱仪正在或即将进入实用阶段。这些成像光谱仪在探测地表空间特征的同时，可以在几十乃至上百个波段获取地物的可见光/近红外/热红外光谱特征，大大提高了地物的分类和识别能力，在农业、林业、气象、海洋、地质、全球环境及军事遥感等诸多领域显示出巨大的应用前景。任何先进技术总是优先应用于军事领域，世界上军事技术发达国家对此倾

5、注了大量资金和人力，使该技术达到了相当的高度和一定的应用水平，美国的HYDICE、AVIRIS和SEBASS等成像光谱仪多次参与军方的试验，提供了大量的军事应用的第一手资料。迄今为止，见诸文献的多光谱、超光谱成像技术在军事方面的应用包括：地面复杂背景中的军事目标探测；飞机、导弹告警和制导；地雷探测；战场生化战剂和弹药库探测；弹药毁伤效果评估；导弹防御系统应用等方面。超光谱成像技术的发展趋势主要为以下四个方面：(1)各种目标/背景光谱特性的研究将越来越深入，建立大量标准光谱特征数据库。(2)各种新材料、新技术的应用导致新的成像光谱仪器体积更小、性能更高。(3)

6、大规模传感器阵列、读出电路、存储介质和信息处理技术的发展，推动该技术向更高的光谱分辨率、更高的空间分辨率方向发展。(4)光谱、图像数据的处理算法将更高效、快捷,进一步满足实时处理的需要。一、原理成像谱学是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。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，能产生一条完整而连续的光谱曲线。超光谱成像技术根据光谱分辨率（光学遥感器的性能指标之一，是指遥感器在接收目标辐射的光谱时，能分辨的最小波长间隔。这种间隔越窄，光谱分辨率越高）的不同，又可以分为多光谱型、超光谱型和超高光谱

7、型三种，光谱分辨率在10-1l，数量级范围的称为多光谱(MultisPectral)，而光谱分辨率在10-2l，时称为高光谱(Hyerspeetral)；随着光谱分辨率的进一步提高，在达到10-3l时，即进入超光谱(UltrasPectral)阶段。超光谱成像的特点是光谱分辨率高，波段连续性强，能获得多光谱传感器无法获得的精细的光谱信息，由于光谱分辨率高达纳米数量级，因此遥感器在0.4~2.5mm范围内可细分成几十个，甚至几百个波段，光谱分辨率为5~10nm。由于是超多段成像，若以波长为横轴，灰度值为纵轴，超光谱图像上每一个像元点在各通道的灰度值都可以形成一

8、条精细的光谱线，这样就构成了独特的超多维光谱空间。根