[科普中國]-成像光譜儀

簡介

目前國際上正在迅速發(fā)展的一種新型傳感器稱為成像光譜儀，它是以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器。通過將傳統(tǒng)的空間成像技術(shù)與地物光譜技術(shù)有機地結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)對同一地區(qū)同時獲取幾十個到幾百個波段的地物反射光譜圖像。

成像光譜儀基本上屬于多光譜掃描儀，其構(gòu)造與CCD線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區(qū)別僅在于通道數(shù)多，各通道的波段寬度很窄。2

發(fā)展背景70年代末80年代初，在研究歸納各種地物光譜特征的基礎上，形成這樣一個概念：如果能實現(xiàn)連續(xù)的窄波段成像，那么就有可能實現(xiàn)地面礦物的直接識別，由此產(chǎn)生了光譜和圖像結(jié)合為一體的成像光譜技術(shù)。1983 年美國噴氣推進實驗室研制出第一臺航空成像光譜儀（AIS-1），隨后包括中國在內(nèi)的許多國家都研制成功了一系列成像光譜儀，其中有以線陣探測器為基礎的光機掃描型，有以面陣探測器為基礎的固態(tài)推掃型，也有以面陣探測器加光機的并掃型。

分類成像光譜儀按其結(jié)構(gòu)的不同，可分為兩種類型。一種是面陣探測器加推掃式掃描儀的成像光譜儀，它利用線陣列探測器進行掃描，利用色散元件和面陣探測器完成光譜掃描。利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運動完成空間掃描。

另一種是用線陣列探測器加光機掃描儀的成像光譜儀，它利用點探測器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測器的不同元件上，通過點掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動以及沿軌道方向的運動完成空間掃描，而利用線探測器完成光譜掃描。1

優(yōu)點和缺點成像光譜儀數(shù)據(jù)具有光譜分辨率極高的優(yōu)點，同時由于數(shù)據(jù)量巨大，難以進行存儲、檢索和分析。為解決這一問題，必須對數(shù)據(jù)進行壓縮處理，而且不能沿用常規(guī)少量波段遙感圖像的二維結(jié)構(gòu)表達方法。圖像立方體就是適應成像光譜數(shù)據(jù)的表達而發(fā)展起來的一種新型的數(shù)據(jù)格式，它是類似撲克牌式的各光譜段圖像的疊合。立方體正面的圖像是一幅自己選擇的三個波段圖像合成，它是表示空間信息的二維圖像，在其下面則是單波段圖像疊合；位于立方體邊緣的信息表達了各單波段圖像最邊緣各像元的地物輻射亮度的編碼值或反射率，這種圖像表示形式亦稱為影像立方體。

從幾何角度來說，成像光譜儀的成像方式與多光譜掃描儀相同，或與CCD線陣列傳感器相似，因此，在幾何處理時，可采用與多光譜掃描儀和CCD線陣列傳感器數(shù)據(jù)類似的方法。但目前，成像光譜儀只注重提高光譜分辨率，其空間分辨率卻較低(幾十甚至幾百米)。正是因為成像光譜儀可以得到波段寬度很窄的多波段圖像數(shù)據(jù)，所以它多用于地物的光譜分析與識別上。特別是，由于目前成像光譜儀的工作波段為可見光、近紅外和短波紅外，因此對于特殊的礦產(chǎn)探測及海色調(diào)查是非常有效的，尤其是礦化蝕變巖在短波段具有診斷性光譜特征。1

性能參數(shù)和原理成像光譜儀主要性能參數(shù)是：（1）噪聲等效反射率差（NEΔp ），體現(xiàn)為信噪比（SNR）；（2）瞬時視場角（IFOV），體現(xiàn)為地面分辨率；（3）光譜分辨率，直觀地表現(xiàn)為波段多少和波段譜寬。

高光譜分辨率遙感信息分析處理，集中于光譜維上進行圖像信息的展開和定量分析，其圖像處理模式的關鍵技術(shù)有：⑴超多維光譜圖像信息的顯示，如圖像立方體的生成；⑵光譜重建，即成像光譜數(shù)據(jù)的定標、定量化和大氣糾正模型與算法，依此實現(xiàn)成像光譜信息的圖像-光譜轉(zhuǎn)換；⑶光譜編碼，尤其指光譜吸收位置、深度、對稱性等光譜特征參數(shù)的算法；⑷基于光譜數(shù)據(jù)庫的地物光譜匹配識別算法；⑸混合光譜分解模型；⑹基于光譜模型的地表生物物理化學過程與參數(shù)的識別和反演算法。

高端的成像光譜儀采用了透射型體相全息衍射光柵，其在可見光到近紅外波段具有低雜散光、低吸收率特點；由于核心部分密封在玻璃或其它透明材質(zhì)中，因此壽命長、容易清潔、抗刮檫，非常適合各種苛刻的野外的應用環(huán)境。

成像光譜儀工作方式主要為推掃式，為了實現(xiàn)掃描過程，一般利用外接掃描平臺帶動光譜儀運行；由于掃描平臺比較笨重，且增加了耗電量，給野外工作帶來諸多不便，所以現(xiàn)在最新型的成像光譜儀取消了掃描平臺，改為內(nèi)置式掃描設計，減輕了整機重量和能耗，而且可以直接進行垂直向下測量，更利于野外使用。

應用高光譜分辨率成像光譜遙感起源于地質(zhì)礦物識別填圖研究，逐漸擴展為植被生態(tài)、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大氣的研究中。

成像光譜儀在高光譜測量的基礎上，具有圖譜合一的優(yōu)勢，可以精確到葉片一個點去探測作物不同脅迫癥狀的特征，又可獲取受脅迫作物面狀的光譜信息，點面結(jié)合綜合地反映作物遭受脅迫的程度。所以，成像高光譜已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點，學者們利用高光譜成像技術(shù)定量化地提取作物所遭受的各種脅迫特征，根據(jù)高分辨率的圖像對葉片及葉片的局部區(qū)域進行分析，從而在更加微觀的尺度上進行機理探測研究。

正是因為成像光譜儀可以得到波段寬度很窄的多波段圖像數(shù)據(jù)，所以它多用于地物的光譜分析與識別上。特別是，由于成像光譜儀的工作波段為可見光、近紅外、短波紅外，因此對于特殊的礦產(chǎn)探測及海色調(diào)查是非常有效的，尤其是礦化蝕變巖在短波段具有診斷性和光譜特性。3