高光譜成像技術(shù)進展光電檢測技術(shù)大作業(yè)

高光譜成像技術(shù)進展xx一．高光譜成像技術(shù)的簡介物質(zhì)能夠被探測，其重大意義已得到世界公認。高光譜成像技術(shù)光譜分辨率遠高于多光譜成像技術(shù)，因此高光譜成像技術(shù)數(shù)據(jù)的光譜信息更加詳細,更加豐富,有利于地物特征分析。有人說得好，如果把多光譜掃描成像的MSS(multi-spectralscanner)和TM(thematicmapper)作為遙感技術(shù)發(fā)展的第一代和第二代的話,那么高光譜成像(hyperspectralimagery)技術(shù)則是第三代的成像技術(shù)。的光譜范圍內(nèi)，利用成像光譜儀，在光譜覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百條光諧波段對目標物體連續(xù)成像。在獲得物體空間特征成像的同時，也獲得了被測物體的光譜信息。（一）高光譜成像系統(tǒng)的組成和成像原理或者N400nm-1000nm分為300個通道。因此，通過高光譜設(shè)備獲取到的是一個數(shù)據(jù)立方，不僅有圖像的信息，并且在光譜維度上進行展開，結(jié)果不僅可以獲得圖像上每個點的光譜數(shù)據(jù)，還可以獲得任一個譜段的影像信息。光、芯片鍍膜等。下面分別介紹下以下幾種類別：（1）光柵分光光譜儀維圖像上的每個點，再通過光柵進行衍射分光，形成一個譜帶，照射到探測器上，探測器上的每個像素位置和強度表征光譜和強度。一個點對應(yīng)一個譜段，一條線就對應(yīng)一個譜面，因此探測器每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過機械推掃，完成整個平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。如下圖所示。高靈敏相機，同時需要加光源。例如系統(tǒng)如下：成，其光譜的覆蓋范圍為200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光譜相機的主要組成部分為準直鏡，光柵光譜儀，聚焦透鏡以及面陣ccd。其掃描過程是當ccd探測器在光學(xué)焦面的垂直方向上做橫向掃描（x），當橫向的平行光垂直入射到投身光柵是就形成了光柵光譜，這是像元經(jīng)過高光譜儀在ccd上得出的數(shù)據(jù)，它的橫向式x方向上的像素點也就是掃描的象元，它的總像是各像元對應(yīng)的信息。三圍高光譜數(shù)據(jù)。（2）聲光可調(diào)諧濾波分光（AOTF）光譜儀AOTF由聲光介質(zhì)、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅(qū)動信號通過換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵出超聲波。改變射頻驅(qū)動信號的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長，從而實現(xiàn)電調(diào)諧波長的掃描。最常用的AOTF晶體材料為TeO2出射角傳播。如上圖所示：在晶體前端有一個換能器，作用于不同的驅(qū)動頻率，產(chǎn)生不TeO之后，2使晶體中晶格產(chǎn)生了布拉格衍射，晶格更像一種濾波器，使晶體只能通過一種波長的光。光進入晶體之后發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射光和零級光。上圖是AOTF的組成。由圖可知，AOTF是由成像物鏡+準直鏡+偏振片+晶體+偏振片+準平行光進入偏振片通過同一方向的傳播的光，平行光進入晶體之后，平行于光軸的光按照原來方向前行，非平行光進行衍射，分成兩束相互垂直o光和e光（入射光的波長不同經(jīng)過晶體之后的o光與e光的角度也不同，因此在改變波長的過程中，圖像會出現(xiàn)漂移）；o光和e光及0級光分別會聚在不同的面上。如下圖所示：有一定的要求，根據(jù)晶體的xxx角，可算出物鏡最大的視場角，小于最大視場角的情況，成像ok，如果大于視場角，則會造成重影（衍射光與0級光都進入了sensor）?？稍诰w的出光口加入遮擋片，即遮擋0級光，避免與衍射光一起進入sensor，以免造成重影現(xiàn)象。同時，對聚光準直系統(tǒng)的優(yōu)化有兩個方面：1.提高光源的聚光效果，2.減小聚光準直系統(tǒng)的外形尺寸。（3）棱鏡分光光譜儀鏡分光后，在棱鏡的出射面鍍了不同波段的濾光膜，使得不同方向的探測器可以采集到不同光譜信息，實現(xiàn)同時采集空間及光譜信息。（4）芯片鍍膜光譜儀CCD芯片及SCMOS芯片研制了一種新的高光譜成像技術(shù)，在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實現(xiàn)高光譜成像，此技術(shù)大大降低了高光譜成像的成本。目前IMEC提供三種標準的光譜探測器：100波帶的線掃描探測器，32波帶的瓷磚式鍍膜探測器，16波帶以4x4為一個波段的馬賽克式鍍膜探測器。能地獲得光譜信息和空間信息，集成度高，成本低。但是缺點是光譜靈敏度較低，一般大于10nm，多用于無人機等大范圍掃描的光譜應(yīng)用領(lǐng)域。（二）高光譜成像技術(shù)的特點1.光譜響應(yīng)范圍廣，光譜分辨率高。納米級。2.光譜信息與圖像信息有機結(jié)合，即“圖譜合一”。具有空間圖像維和光譜維。3.數(shù)據(jù)描述模型多，分析更加靈活。高光譜影像通常有三種描述模型：圖像模型、光譜模型與特征模型。4.數(shù)據(jù)量大，信息冗余多。高光譜數(shù)據(jù)的波段眾多，其數(shù)據(jù)量巨大，而且波段之間相關(guān)性大。（三）高光譜成像技術(shù)的優(yōu)勢狀、缺陷等外部品質(zhì)特征。由于不同成分對光譜的吸收也不同，在某個特定波長下圖像對某個缺陷會有較為顯著的反映，而光譜信息能充分反映樣品內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的差異。所以，高光譜圖像能夠反映綜合品質(zhì)。不同物質(zhì)間千差萬別的光譜特征和形態(tài)利用高光譜影像技術(shù)能得到很精細的反映。以高光譜遙感技術(shù)為例，其就具有以下優(yōu)勢：似連續(xù)的光譜反射率曲線，與地面實測值相匹配，將實驗室地物光譜分析模型應(yīng)用到遙感過程中。質(zhì)，能夠準確區(qū)分地表植被覆蓋類型、道路的鋪面材料等。3.地形要素分類識別方法靈活多樣。影像分類既可以采用各種模式識別方法，如貝葉斯判別、決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等，又可以采用基于地物光譜數(shù)據(jù)庫的光譜匹配方法。分類識別特征，可以采用光譜診斷特征，也可以進行特征選擇與提取。的狀態(tài)參量，提高遙感高定量分析的精度和可靠性。（四）高光譜成像技術(shù)所面臨的難題高光譜影像在應(yīng)用的過程中,還面臨著以下關(guān)鍵技術(shù)需要解決:1.高光譜影像光譜重建技術(shù)。高光譜影像記錄的DN值,根據(jù)成像光譜儀的輻射定標、光譜定標數(shù)據(jù)，經(jīng)過各種輻射校正，反演出地物反射率，這是高光譜遙感定量分析的基礎(chǔ)。2.高光譜影像分類識別技術(shù)。傳統(tǒng)影像分類算法，如最大似然估計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都是基于大數(shù)定理，高光譜影像維數(shù)高、波段相關(guān)性大，會遇到“維數(shù)災(zāi)難”現(xiàn)象，需要研究面向高光譜影像的分析方法。題，影像分析處理的過程中，需要巨大的計算資源。（五）高光譜成像技術(shù)的發(fā)展趨勢泛，高光譜遙感技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出了以下趨勢：成像光譜儀的光譜探測能力將繼續(xù)提高，成像光譜儀獲取影像的空間分辨率逐步提高，正由航空遙感為主轉(zhuǎn)為航空和航天遙感相結(jié)合階段，逐步從遙感定性分析階段發(fā)展到定量分析階段，應(yīng)用范圍越來越廣，應(yīng)用研究日益深入。（六）高光譜成像技術(shù)的發(fā)展建議1.加大相關(guān)地物光譜數(shù)據(jù)庫的建設(shè)力度工作，而且是整個工作中的重中之重，應(yīng)加大地物光譜測定及地物光譜數(shù)據(jù)庫建立的工作力度，為航空或航天遙感的地物識別提供參照標準。2.研制適合于海洋及內(nèi)陸水體等監(jiān)測的成像光譜儀器儀器性能指標往往不盡如人意，探測效果并不理想，所以研制適合于海洋及內(nèi)陸水體等監(jiān)測的成像光譜儀器迫在眉睫。3.發(fā)展基于高光譜數(shù)據(jù)的光學(xué)特性提取模型水色因子參量的定量遙感反演模型，為赤潮、溢油、海冰等海洋災(zāi)害的航空遙感監(jiān)測提供先進的技術(shù)保證。所以好的光學(xué)特性提取模型是必要的。4.促進高光譜數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究二．高光譜成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀處理技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)，技術(shù)成果主要表現(xiàn)為成像光譜儀研制、高光譜影像處理兩方面。（一）從成像光譜儀分析成像光譜儀主要分為2譜儀主要有這些，比如：美國的CASI、德國的DAIS本的GLI，歐空局的PRISM等。以下不對這兩種成像光譜儀做具體的區(qū)分。20世紀80年代至今已經(jīng)研制了三代高光譜成像光譜儀。第一代成像光譜儀稱航空成像光譜儀AIS，是由美國國家航空和航天管理局(NASA)所屬的噴氣推進實驗室JPL設(shè)計，已于1984～1986年裝在NASA的C-130飛機上使用。這,有128個通道,光譜覆蓋范圍從1.2～2.4μm,并在內(nèi)華達Cuprite地區(qū)的應(yīng)用中取得很好的效果。第二代成像光譜儀稱航空可見光、近紅外成像光譜儀AVIRIS，有224個通道，光譜范圍為0.10nm，曾放在改裝后的高空U2飛機上使用，為目前最常用的航空光譜儀之一?；贜ASAAVIRIS環(huán)境研究公司GER又研制了1臺64通道的高光譜分辨率掃描儀GERIS。其中63個通道為高光譜分辨率掃描儀，第64通道是用來存儲航空陀螺信息。該儀器由3個單獨的線性陣列探測器的光柵分光計組成。它與其他儀器的區(qū)別是在不同的光譜范圍區(qū)內(nèi)，通道的光譜寬度是不同的。第三代高光譜成像光譜儀為克里斯特里爾傅立葉變換高光譜成像儀FTHSI，適合在Cessna-206256400～1050nm，有2～10nm的光譜分辨率，視場角為150°。德國的ROSIS，澳大利亞的HyMap等。在國內(nèi)，成像光譜儀的研制工作由于跟蹤國際前沿技術(shù)，成像光譜儀的研制已躋身于國際先進行列。我國于20世紀80(C-HRIS)和西安光機所研制的穩(wěn)態(tài)大視場偏振干涉成像光譜儀(SLPIIS)。中科院上海技術(shù)物理研究所研制的中分辨率成像光譜儀(CMODIS)于2002年隨“神30波段,中紅外到遠紅外的4波段,空間分辨率為500m。2007年10月年發(fā)射的“嫦娥1號”衛(wèi)星已攜帶中科院西安光機所研制的干涉成像光譜儀升空,用于獲取月球表面二維多光譜序列圖像及可分辨地元光譜圖,通過與其他儀器配合使用對月球表面有用元素及物質(zhì)類型的含量與分布進行分析,獲得的數(shù)據(jù)用于編制各元素的月面分布圖。從2007年到2010年,我國將組建環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星星座,將攜帶超光譜成像儀,采用0.45～0.95μm波段,平均光譜分辨率為5nm,地面分辨率為100m。下面，以CASI、PHI、AVRIS、OMIS-II、VIMIS為例，進行主要性能指標的比較。（二）從高光譜影像處理（數(shù)據(jù)庫與圖像處理）分析迅速發(fā)展。JPL標準波譜數(shù)據(jù)庫、USGS波譜數(shù)據(jù)庫和IGCP-264波譜數(shù)據(jù)庫。此外，美國空軍部門和環(huán)保局針對大氣污染和空氣成分的診斷建立了AEDC/EPA室研制的HYDICE據(jù)庫技術(shù)研究和建設(shè)工作，如英國在20世紀90年代初針對海水顏色研究建立了海水光和大學(xué)及研究所都有專門的高光譜影像應(yīng)用分析的研究機構(gòu)。RSI公司的ENVI，PCIGeomatics公司的PCI，MicroImages公司的TNTmips等。部分的成果。20世紀90年代初期,中科院安徽光機所、遙感所等單位對大量的典型地物進行了波譜采集,建立了我國第一個綜合性“地物波譜特性數(shù)據(jù)庫”。1998年,中國國土資源航空礦物500年,中國科學(xué)院遙感所基于GIS和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研制了典型地物波譜數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng),記錄了10000擬波段,實現(xiàn)了波譜數(shù)據(jù)庫與“3S”技術(shù)的鏈接。在高光譜數(shù)據(jù)處理方面,目前國外已經(jīng)開發(fā)了一些含有高光譜圖像處理模塊的軟件,如美國JPL和USGS開發(fā)的SPAM、SIS、ENVI以及加拿大的PCI等軟件。1991年科羅拉多大學(xué)的CSES研究中心采用交互式語言IDL研制了基于UNIX的成像光譜處理系統(tǒng)SIPS,1993下表：在國內(nèi),中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所開發(fā)了高光譜圖像處理系統(tǒng)HIPAS,原地礦部航空物探遙感中心開發(fā)了成像光譜數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)ISDPS。但是,國內(nèi)目前尚無比較成型的商業(yè)化成像光譜圖像處理系統(tǒng)。三．高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用1.在大氣科學(xué)研究中的應(yīng)用高光譜成像具有非常高的光譜分辨率它不僅可以探測到常規(guī)成像更精細的被探測物的信息，而且也能探側(cè)到大氣吸收特征。大氣的分子和粒子的成份在反射光譜波段反映非常的強烈能夠被高光譜儀器監(jiān)測到。云蓋制圖，云頂高度和云層狀態(tài)參數(shù)估算，大氣水汽含量與分布估算，氣溶膠含量估計以及大氣光學(xué)特性評價等是高光譜成像技術(shù)在大氣研究中的突出應(yīng)用。利用高光譜數(shù)據(jù)在準確探測大氣成分的基礎(chǔ)上，不僅能提高天氣預(yù)報、災(zāi)害預(yù)警等的準確性更能提高其可靠性。氣風和氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)，該系統(tǒng)可以分離大氣氣溶膠和分子散射，可以直接反射出大氣的后向散射比和氣溶膠的后相散射系數(shù)，同時采用雙邊緣監(jiān)測技術(shù)，可以獲得高精度的大氣風速信息。對于冬季覆蓋北半球面積30%以上的冰雪，通過成像光譜的模擬試驗，特別是在1.0～1.3μm光譜范圍的波段，可以獲得對冰雪粒徑大小的識別，Anne等人利用航空成像光譜儀AVIRIS中心在1.03μm的波段與冰雪顆粒關(guān)系進行冰雪顆粒填圖，并提出波段面積標尺法，解決了信號建立在單波段上易受到傳感器噪聲影響的缺點。2.在城市下墊面特征和環(huán)境研究中的應(yīng)用由于人類活動、城市下墊面特征與環(huán)境顯得異常復(fù)雜，同物異譜、同譜異物及混合的光譜特性進行深入研究，人們用實驗室光譜、地物光譜、航空和航天的高光譜遙感器對城市的光譜進行了一系列的深入分析。研究的內(nèi)容包括城市地物的光譜特性及可分性，為城市環(huán)境遙感分析及制圖提供基礎(chǔ)。城市遙感研究中，由于城市下墊面地物類型繁多，而且許多地物類型的光譜曲線相似性很高，所要想很精確的區(qū)分出城市地物，診斷出微小的吸收波段是必要的，這對高光譜數(shù)據(jù)的圖像光譜質(zhì)量提出了很高要求。研究，將高光譜分辨率的PHI成像光譜數(shù)據(jù)和高空間分辨率的彩紅外照片結(jié)合，利用高空間分辨率圖像數(shù)據(jù)的高幾何清晰度，檢測出城市各地物的輪廓線，以此形成多邊形圖斑，然后利用高光譜數(shù)據(jù)的光譜信息，針對每一個圖斑進行統(tǒng)計分析與分類，以確定它的類別歸屬，最終可產(chǎn)生很規(guī)范的地物圖斑邊界，將圖像分割為水體及陰影、植被、瀝青表面、水泥表面、大理石表面和裸土6大類典型地物。3.在海洋及內(nèi)陸水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用高光譜成像是當前海洋成像前沿領(lǐng)域。由于中分辨率成像光譜儀具有光譜覆蓋范圍廣、分辨率高和波段多等許多優(yōu)點，因此已成為海洋水色、水溫的有效探測工具。它既可用于海水中葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、某些污染物和表層水溫探測，還可用于海冰、海岸帶等的探測。率、大氣對藍紫波段光譜的散射影響等難題的研究還未涉足。在海洋水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用方面，只有可見光光譜能夠觀測水下的狀況。另外，陸源污染、海水養(yǎng)殖、灘涂等海岸帶典型要素的光譜特性研究工作也在開展，研究人員以航空高光譜圖像為數(shù)據(jù)源，選取陸源污染、海水養(yǎng)殖、灘涂為監(jiān)測要素，進行上述要素的光譜波段敏感性研究，試獲得其探測的最佳波段，并進一步發(fā)展準確、快速識別和探測技術(shù)。在海洋表面溫度測量、海洋表層懸浮泥沙濃度的定性或半定量的觀測、海洋動力現(xiàn)象的研究等方面都開展了相應(yīng)的研究?，F(xiàn)在國際上開展的主要研究有:海洋碳通量研究；海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究；海岸帶環(huán)境監(jiān)測與管理。4.在植被與生態(tài)研究中的應(yīng)用高光譜成像的植被識別精度遠遠超出了常規(guī)所能獲取信息的精確性和可靠性，體現(xiàn)出高光譜在植被信息獲取能力方面的巨大優(yōu)勢。取、植被生物多樣性監(jiān)測、土壤屬性反演、植被和土地覆蓋精細制圖、土地利用動態(tài)監(jiān)測、礦物分布調(diào)查、水體富營養(yǎng)化檢測、大氣污染物監(jiān)測、植被覆蓋度和生物量調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害評估等等。植被參數(shù)估算與分析，植被長勢監(jiān)測及估產(chǎn)等領(lǐng)域。另外，高光譜的出現(xiàn)使植物化學(xué)成分估測成為可能。?年12月，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所與國外合作采用模塊化航空成像光譜儀(MAI譜數(shù)據(jù)對導(dǎo)數(shù)光譜與群體葉綠素密度做相關(guān)分析，選取相關(guān)關(guān)系最高的波段與導(dǎo)數(shù)光譜進行線性擬合，估算葉綠素密度。5.在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中的應(yīng)用區(qū)域地質(zhì)制圖和礦產(chǎn)勘探是高光譜技術(shù)主要的領(lǐng)域也是高光譜成像應(yīng)用中最成功的一個領(lǐng)域。如今地面光譜儀主要有澳大利亞的PIMA，美國的FT-IR等，國內(nèi)的有中科院研發(fā)的OMIS系列，PHI等。利用高光譜遙感（含熱紅外高光譜）進行礦物識別可分為3?個層次：礦物種類識別、礦物含量識別和礦物成分識別。（1.基于單個診斷性吸收的特征參數(shù)；2.基于完全波形特征；3.基于光譜知識模型）在礦物識別和礦物精細識別的基礎(chǔ)之上，根據(jù)礦物共生組合規(guī)律和礦物自身的地質(zhì)意義指示作用，直觀地反演各種地質(zhì)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，可提高高光譜在地質(zhì)應(yīng)用中分析和解決地質(zhì)問題的效能。進。近年來在基于高光譜數(shù)據(jù)的礦物精細識別、高光