高光譜遙感成像原理及特點

2020.10.23

　　高光譜遙感（hyperspectral remote sensing）是高光譜分辨率遙感(highspectral resolution remote sensing)的簡稱，是在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄、光譜連續(xù)影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。

　　高光譜遙感源于20世紀(jì)70年代初期的多光譜遙感技術(shù)，它的出現(xiàn)在遙感的發(fā)展歷史上是一個概念和技術(shù)上的創(chuàng)新。

　　高光譜成像遙感是20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的新型遙感技術(shù)，與合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像技術(shù)并列為當(dāng)代遙感兩大前沿領(lǐng)域。高光譜成像遙感技術(shù)的產(chǎn)生，是遙感發(fā)展史上最具標(biāo)志性的成果，高光譜遙感圖像在記錄地物空間信息的同時也記錄了地物的光譜信息，實現(xiàn)了圖譜合一。相對于全色影像和多光譜影像，高光譜影像的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：高光譜影像具有高的光譜分辨率，達(dá)到納米級，表現(xiàn)為不同地物在光譜維上的細(xì)微差異，能夠精細(xì)地刻畫地物的反射光譜，從而大大提高對地物分類與識別的能力。目前，世界各國對高光譜成像遙感技術(shù)的發(fā)展都十分重視，隨著技術(shù)的日趨成熟，高光譜成像遙感已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、地質(zhì)制圖、植被生態(tài)監(jiān)測、精細(xì)農(nóng)業(yè)、大氣環(huán)境、環(huán)境監(jiān)測、海洋遙感、食品安全、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、戰(zhàn)場偵察、偽裝檢測等多個領(lǐng)域。

　　高光譜遙感成像原理及特點

　　所謂高光譜圖像就是在光譜維度上進(jìn)行了細(xì)致的分割，不僅僅是傳統(tǒng)的黑和白或者R(紅)、G(綠)和B(藍(lán))的區(qū)別，而是在光譜維度上也有N個通道，例如可以把400～1000nm分為300個通道。因此，通過高光譜成像儀獲得的數(shù)據(jù)是一個數(shù)據(jù)立方體，不但有圖像的信息，而且還可以在光譜維度上進(jìn)行展開，這樣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。成像光譜儀在空間成像的同時，以相同的空間分辨率記錄下幾十至成百的光譜通道數(shù)據(jù)，它們疊合在一起就構(gòu)成高光譜圖像立方體，如圖1.1(a)所示，在圖像立方體的每個像元處均可提取到一條連續(xù)的光譜曲線，如圖1.1(b)所示。在對高光譜遙感圖像進(jìn)行處理和應(yīng)用時，除了可以利用圖像的空間信息外，還可以利用其光譜信息，從而大大提高了目標(biāo)與背景的定量分析能力。

　　與傳統(tǒng)全色及多光譜遙感圖像相比，高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)具有以下特點。

　?、俟庾V的波段范圍廣且光譜分辨率非常高。成像光譜儀獲得的光譜范圍可以從可見光延伸到短波紅外，甚至到中紅外，其波段數(shù)高達(dá)數(shù)百個，形成一條近似于連續(xù)的光譜曲線，光譜分辨率可達(dá)10nm以內(nèi)。

　?、诟吖庾V遙感數(shù)據(jù)立方體包含豐富的圖像信息及光譜信息。在高光譜遙感圖像中，它在普通的二維空間圖像的基礎(chǔ)上，增加了一維光譜數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)形成一個光譜圖像立方體，每一個像元的光譜數(shù)據(jù)展開來就對應(yīng)為一條光譜曲線，整個數(shù)據(jù)就是圖譜合一的立方體。

　　③描述高光譜數(shù)據(jù)的模型有多種形式，如圖像模型、光譜模型與特征模型，使得數(shù)據(jù)的分析和處理更加靈活、方便。

　?、芨吖庾V數(shù)據(jù)中存在大量冗余信息。因為高光譜數(shù)據(jù)是由很多狹窄的波段構(gòu)成的，所含數(shù)據(jù)數(shù)量巨大，同時相鄰波段之間存在空間相關(guān)、譜間相關(guān)，以及波段相關(guān)，這都導(dǎo)致高光譜數(shù)據(jù)中冗余信息的增多。

　?、莞吖庾V遙感具有非線性特性。其非線性出現(xiàn)在兩個方面：一方面是地物反射太陽光的過程，是一個典型的非線性過程；另一方面是太陽入射光和地物反射光在空氣中的傳播，也是一個非線性的過程。

　　⑥信噪比低。高光譜數(shù)據(jù)較低的信噪比給其處理也增加了很大難度。

　　高光譜遙感成像技術(shù)經(jīng)過短短30余年的快速發(fā)展，取得了舉世矚目的成績，得到廣泛的應(yīng)用。相對高光譜成像技術(shù)的迅猛發(fā)展，高光譜圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)明顯滯后，為其應(yīng)用帶來了許多挑戰(zhàn)和困難，亟須解決如下數(shù)據(jù)處理問題。

　　① 高光譜圖像擁有豐富地物光譜信息的同時也帶來數(shù)據(jù)冗余，以及數(shù)據(jù)維數(shù)災(zāi)難的問題，如何有效降低高光譜遙感數(shù)據(jù)的維數(shù)和選擇有效波段是拓寬高光譜圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

　?、诟吖庾V圖像光譜分辨率提高的同時也帶來高光譜圖像空間分辨率降低的問題，這使得高光譜圖像中存在大量的混合像元，如何正確解決高光譜圖像混合像元問題是高光譜圖像處理的重要內(nèi)容。

　?、巯鄬τ谌跋窈投喙庾V影像，高光譜影像更容易受到噪聲的干擾，如何提高高光譜圖像的信噪比和質(zhì)量需進(jìn)一步研究。

　　④高光譜圖像中的地物目標(biāo)檢測、分類和識別，所獲取的空間信息和光譜信息沒有得到充分利用。

高光譜遙感

科學(xué)出版社

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