成像光譜技術(shù)簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上成像光譜技術(shù)1. 成像光譜技術(shù)發(fā)展簡述光譜技術(shù)是指利用光與物質(zhì)的相互作用研究分子結(jié)構(gòu)及動態(tài)特性的學(xué)科，即通過獲取光的發(fā)射、吸收與散射信息可獲得與樣品相關(guān)的化學(xué)信息，成像技術(shù)則是獲取目標(biāo)的影像信息，研究目標(biāo)的空間特性信息。這兩個獨(dú)立的學(xué)科在各自的領(lǐng)域里已有數(shù)百年的發(fā)展歷史，但是知道上個世紀(jì)六十年代，遙感技術(shù)興起，空間探測和地表探測一時(shí)成為科學(xué)界研究的熱點(diǎn)，人們希望得到的不單純是目標(biāo)的影響信息或者目標(biāo)的光譜信息，而是同時(shí)得到影像信息和光譜信息，這一需求極大的導(dǎo)致了成像技術(shù)和光譜技術(shù)的結(jié)合，催生出了成像光譜技術(shù)。所謂光譜成像技術(shù)，其本質(zhì)是充分利用了物質(zhì)對不同電磁波譜的吸收或

2、輻射特性，在普通的二維空間成像的基礎(chǔ)上，增加了一維的光譜信息。由于地物物質(zhì)組成的不同，其對應(yīng)的光譜之間存在差異（即指紋效應(yīng)），從而可以利用地物目標(biāo)的光譜進(jìn)行識別和分類。光譜成像技術(shù)可以在電磁波段的紫外、可見光、近紅外和中紅外區(qū)域，獲取許多窄并且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)，為每個像元提供一條完整并且連續(xù)的光譜曲線。圖1 成像光譜技術(shù)示意圖圖1.1就是成像光譜技術(shù)的示意圖，成像光譜儀得到一個三維的數(shù)據(jù)立方體，從每個空間象元都可以提取一條連續(xù)的光譜曲線，通過譜線的特征分析，繼而用于后續(xù)的測探等目的。2. 成像光譜儀的分類成像光譜儀是成像光譜技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，是可以同時(shí)獲取影像信息與像元的光譜信息的光學(xué)傳感

3、器，是成像光譜技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的實(shí)物載體，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行多種分類，主要有以下幾種：(1) 根據(jù)成像光譜儀的光譜分辨率不同，可以分為多光譜成像儀(Multispectral Imager, MSI)，高光譜成像儀(Hyperspectral Imager, HSI)，超光譜成像儀(Hyperspectral Imager, USI)。多光譜成像儀：獲得的目標(biāo)物的波段在312之間，光譜分辨率一般在100nm左右，主要用于地帶分類等方面。高光譜成像儀：獲得的目標(biāo)物的波段在100200之間，光譜分辨率在10nm左右，被廣泛用于遙感中。超光譜成像儀：獲得的目標(biāo)物的波段在100010000之間，光

4、譜分辨率在1nm以下，通常用于大氣微粒探測等精細(xì)探測領(lǐng)域。(2) 按照分光原理的不同可以分為棱鏡色散型、光柵衍射型、濾光片型、干涉型以及計(jì)算層析型。棱鏡色散型和光柵衍射型分別是利用棱鏡的色散和光柵的衍射來獲取目標(biāo)物的光譜，這兩類光譜儀都是直接型光譜儀，即可以直接得到目標(biāo)物的光譜曲線，具有原理簡單和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。濾光片型光譜儀是采用相機(jī)加濾光片的方案，分光元件為濾光片，有多種形式，有線性濾光片、旋轉(zhuǎn)濾光片等。這種光譜儀也是一種間接成像光譜儀，需要調(diào)制才能獲得整個數(shù)據(jù)立方體干涉型光譜儀是采用干涉儀實(shí)現(xiàn)兩束相干光的干涉，從而獲得目標(biāo)物的干涉圖。該類型的光譜儀其采集到干涉圖和最終需要反演得到光譜圖之

5、間存在傅里葉變換關(guān)系，故其也稱傅里葉變換光譜儀。(3) 按照掃描方式不同，成像光譜技術(shù)可分為揮掃式(Whiskbroom)、推掃式(Pushbroom)和凝視(Staring)成像光譜儀。揮掃視：主要利用掃描鏡，將空間信息按照一定的順序輸入，再由光譜儀對各點(diǎn)進(jìn)行光譜分光，這類光譜儀的探測器一般為線陣。推掃式：采用一個垂直于運(yùn)動方向的面陣探測器，先將掃描成像于光譜儀的狹縫上，在通過運(yùn)動獲得另一維的光譜數(shù)據(jù)。凝視型：無需探測器的運(yùn)動，在任意時(shí)刻即可獲取目標(biāo)的二維空間信息以及一維光譜信息。此外，還有多種分類方法，比如按照數(shù)據(jù)稱重理論和調(diào)制方式以及搭載平臺的不同等等。3. 成像光譜技術(shù)的應(yīng)用成像光譜技

6、術(shù)應(yīng)用方向可以分為兩大類：軍用和民用。在軍用方面，由于成像光譜儀特別是高光譜成像儀具有在光譜上區(qū)分地物類型的能力，因此它在地物的精細(xì)分類、目標(biāo)檢測和變化檢測上體現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢，成為一種重要的戰(zhàn)場偵察手段。早在20世紀(jì)末，美國軍方就有實(shí)驗(yàn)表明高光譜圖像可以分辨出自然草地背景下的真實(shí)目標(biāo)和虛假目標(biāo)；沙漠背景下可以快速的檢測出戰(zhàn)術(shù)小目標(biāo)。在民用方面，成像光譜儀廣泛用在水體監(jiān)測，礦物識別以及植物生態(tài)學(xué)等方面。高光譜數(shù)據(jù)的精細(xì)光譜分辨率可用于識別和估算水域中的葉綠素及懸浮物的含量，還可以監(jiān)測水質(zhì)受到化學(xué)污染的情況；由于不同金屬離子在電子躍遷時(shí)形成的典型光譜特征不同，可以監(jiān)測地下礦物，并能精確的繪制出不同金屬分布的豐度圖；著眼于大的方面高光譜遙感改善了認(rèn)識對植被的識別和分類精度，從細(xì)小的方面來看，高光譜技術(shù)可以檢測到某個植物的葉子水分、葉綠素、纖維素、木質(zhì)素及其他成分，獲得植物的精細(xì)生長狀況，也別有利于檢測病蟲害的發(fā)生。圖2 某地區(qū)的全色圖像（左）和其高光譜圖像（右）如圖2所示，是拍攝到的某地區(qū)的全色圖像和高光譜圖像，圖中圈出來的地方是待檢測目標(biāo)物