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高光谱仪/高光谱成像仪百科

高光谱仪/高光谱成像仪
高光谱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。高光谱成像技术集中了光学、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。 ...   详细内容>>

高光谱简介

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。高光谱成像技术集中了光学、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。

高光谱图像


光谱分辨率在10l数量级范围内的光谱图像称为高光谱图像(Hyperspectral Image)。遥感技术经过20世纪后半叶的发展,无论在理论上、技术上和应用上均发生了重大的变化。其中,高光谱图像技术的出现和快速发展无疑是这种变化中十分突出的一个方面。通过搭载在不同空间平台上的高光谱传感器,即成像光谱仪,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。在获得地表图像信息的同时,也获得其光谱信息,第一次真正做到了光谱与图像的结合。与多光谱遥感影像相比,高光谱影像不仅在信息丰富程度方面有了极大的提高,在处理技术上,对该类光谱数据进行更为合理、有效的分析处理提供了可能。因而,高光谱图像技术所具有的影响及发展潜力,是以往技术的各个发展阶段所不可比拟的,不仅引起了遥感界的关注,同时也引起了其它领域(如医学、农学等)的极大兴趣。

高光谱遥感的发展得益于成像光谱技术的发展与成熟。

成像光谱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。其最大特点是将成像技术与光谱探测技术结合,在对目标的空间特征成像的同时,对每个空间像元经过色散形成几十个乃至几百个窄波段以进行连续的光谱覆盖。这样形成的数据可以用“三维数据块”来形象地描述。其中x和y表示二维平面像素信息坐标轴,第三维(λ轴)是波长信息坐标轴。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、形状、缺陷等外部品质特征,由于不同成分对光谱吸收也不同,在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映,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。这些特点决定了高光谱图像技术在农产品内外部品质的检测方面的独特优势。

高光谱遥感发展背景


70年代末80年代初,在研究归纳各种地物光谱特征的基础上,形成这样一个概念:如果能实现连续的窄波段成像,那么就有可能实现地面矿物的直接识别,由此产生了光谱和图像结合为一体的成像光谱技术。1983 年美国喷气推进实验室研制出第一台航空成像光谱仪(AIS-1),随后包括中国在内的许多国家都研制成功了一系列成像光谱仪,其中有以线阵探测器为基础的光机扫描型,有以面阵探测器为基础的固态推扫型,也有以面阵探测器加光机的并扫型。

高光谱遥感性能参数和原理


成像光谱仪主要性能参数是:(1)噪声等效反射率差(NEΔp ),体现为信噪比(SNR);(2)瞬时视场角(IFOV),体现为地面分辨率;(3)光谱分辨率,直观地表现为波段多少和波段谱宽。

高光谱分辨率遥感信息分析处理,集中于光谱维上进行图像信息的展开和定量分析,其图像处理模式的关键技术有:⑴超多维光谱图像信息的显示,如图像立方体的生成;⑵光谱重建,即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法,依此实现成像光谱信息的图像-光谱转换;⑶光谱编码,尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法;⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法;⑸混合光谱分解模型;⑹基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。

高端的成像光谱仪采用了透射型体相全息衍射光栅,其在可见光到近红外波段具有低杂散光、低吸收率特点;由于核心部分密封在玻璃或其它透明材质中,因此寿命长、容易清洁、抗刮檫,非常适合各种苛刻的野外的应用环境。

成像光谱仪工作方式主要为推扫式,为了实现扫描过程,一般利用外接扫描平台带动光谱仪运行;由于扫描平台比较笨重,且增加了耗电量,给野外工作带来诸多不便,所以现在最新型的成像光谱仪取消了扫描平台,改为内置式扫描设计,减轻了整机重量和能耗,而且可以直接进行垂直向下测量,更利于野外使用。

高光谱遥感应用


高光谱分辨率成像光谱遥感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。

成像光谱仪在高光谱测量的基础上,具有图谱合一的优势,可以精确到叶片一个点去探测作物不同胁迫症状的特征,又可获取受胁迫作物面状的光谱信息,点面结合综合地反映作物遭受胁迫的程度。所以,成像高光谱已经成为国内外研究的热点,学者们利用高光谱成像技术定量化地提取作物所遭受的各种胁迫特征,根据高分辨率的图像对叶片及叶片的局部区域进行分析,从而在更加微观的尺度上进行机理探测研究。

正是因为成像光谱仪可以得到波段宽度很窄的多波段图像数据,所以它多用于地物的光谱分析与识别上。特别是,由于成像光谱仪的工作波段为可见光、近红外、短波红外,因此对于特殊的矿产探测及海色调查是非常有效的,尤其是矿化蚀变岩在短波段具有诊断性和光谱特性。
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