成像光谱 成像光谱仪介绍

简介

目前，国际上正在迅速发展的一种新型传感器被称为成像光谱仪，它是一种以多通道、连续、高光谱分辨率的方式获取图像信息的仪器。通过将传统空成像技术与地物光谱技术有机结合，可以在同一区域内同时获取几十到几百个波段的地物反射光谱图像。

成像光谱仪基本属于多光谱扫描仪，结构与CCD线阵推扫扫描仪、多光谱扫描仪相同。唯一的区别就是通道多，每个通道的带宽都很窄。

发展背景

70年代末80年代初，在研究总结各种地物光谱特征的基础上，形成了一个概念:如果能实现连续窄带成像，就有可能实现对地面矿物的直接识别，从而产生了光谱与图像相结合的成像光谱技术。1983年，美国喷气推进实验室研制了第一台AIS-1成像光谱仪，随后包括中国在内的许多国家成功研制了一系列成像光谱仪，包括基于线阵探测器的光机扫描式、基于面阵探测器的固态推扫式和基于面阵探测器抛光机的平行扫描式。

把… 分类

成像光谱仪根据结构的不同可以分为两种。一种是带面阵探测器和推扫扫描器的成像光谱仪，它利用线阵探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描。空之间的扫描通过使用线阵列检测器及其沿轨道方向的移动来完成。

具有面阵的成像光谱仪

另一种是带有线阵列探测器抛光机扫描仪的成像光谱仪，利用点探测器采集光谱信息，通过色散元件后分成不同的波段，然后通过点扫描镜垂直于轨道方向的面内摆动和沿轨道方向的运动，在线阵列探测器的不同元件之间空进行扫描，线探测器完成光谱扫描。

带针成像光谱仪

优点和缺点

成像光谱仪数据具有光谱分辨率高的优点，但数据量巨大，存储、检索和分析困难。为了解决这个问题，必须对数据进行压缩，不能使用传统的少波段遥感图像二维结构表达方法。图像立方体是为适应成像光谱数据的表达而发展起来的一种新的数据格式。它是像扑克牌一样的各种光谱段图像的叠加。立方体正面的图像是由自身选取的三个波段图像合成而成，是表示空之间信息的二维图像，下方叠加有单波段图像。位于立方体边缘的信息表示每个单波段图像边缘的每个像素的地面辐射的编码值或反射率。这种图像表示也称为图像立方体。

在几何上，成像光谱仪的成像方式与多光谱扫描仪相同或类似于CCD线阵传感器。因此，在几何处理上，可以采用类似于多光谱扫描仪和CCD线阵传感器的方法。但是目前成像光谱仪只专注于提高光谱分辨率，而空之间的分辨率较低(几十米甚至几百米)。正是因为成像光谱仪可以获得带宽较窄的多波段图像数据，所以多用于地物的光谱分析和识别。特别是由于成像光谱仪的工作波段为可见光、近红外和短波红外，对于特殊的矿产勘查和海色调查非常有效，特别是对于具有短波段诊断光谱特征的矿化蚀变岩。

性能参数和原则

成像光谱仪的主要性能参数有:(1)噪声等效反射率差(Neδ P)，反映为信噪比(SNR)；(2)瞬时视场(IFOV)，即地面分辨率；(3)光谱分辨率，直观地表示为波段数和波段的光谱宽度。

高光谱分辨率遥感信息的分析和处理主要集中在光谱维度上图像信息的扩展和定量分析。其图像处理模式的关键技术有:(1)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，即对成像光谱数据和大气校正模型及算法进行标定和量化，从而实现成像光谱信息的图像-光谱转换；(3)光谱编码，特别是光谱吸收位置、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及参数识别与反演算法。

高端成像光谱仪采用透射式体全息衍射光栅，从可见光到近红外波段具有杂散光低、吸收率低的特点，由于核心部分密封在玻璃或其他透明材料中，使用寿命长，易于清洗，耐刮擦，非常适合各种恶劣的户外应用环境。

成像光谱仪的工作模式主要是推扫。为了实现扫描过程，一般采用外部扫描平台驱动光谱仪运行；由于扫描平台较重，增加了功耗，给现场工作带来了很多不便，最新的成像光谱仪取消了扫描平台，改为内置扫描设计，减轻了整机的重量和能耗，可以直接垂直向下测量，更有利于现场使用。

app应用

高光谱分辨率的影像光谱遥感起源于地质矿产识别与制图的研究，逐渐扩展到植被生态、海洋与海岸水色、冰雪、土壤与大气的研究。

成像光谱仪在高光谱测量的基础上，具有地图集成的优势，可以准确检测作物叶片某一点不同胁迫症状的特征，还可以获取受胁迫作物的光谱信息，点面结合全面反映作物的胁迫程度。因此，高光谱成像成为国内外的研究热点。学者们利用高光谱成像技术定量提取作物遭受的各种胁迫特征，并根据高分辨率图像分析叶片和叶片局部区域，从而在更微观的尺度上进行机理检测研究。

正是因为成像光谱仪可以获得带宽较窄的多波段图像数据，所以多用于地物的光谱分析和识别。特别是由于成像光谱仪的工作波段为可见光、近红外和短波红外，对于特殊的矿产勘查和海色调查非常有效，特别是对于具有诊断和光谱特征的矿化蚀变岩在短波段内非常有效。

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