雙利合譜帶您解密高光譜

        2018年4月26日，"珠海一號(hào)"遙感微納衛(wèi)星星座02組衛(wèi)星順利升空，5顆衛(wèi)星均已進(jìn)入預(yù)定軌道，目前狀況良好。4顆高光譜衛(wèi)星的成功發(fā)射，意味著歐比特公司成為國(guó)內(nèi)一家擁有高光譜遙感衛(wèi)星的民營(yíng)企業(yè)，開啟了高光譜遙感新時(shí)代！

1.  什么是高光譜遙感？

        高光譜遙感實(shí)際上是一種簡(jiǎn)稱,它的全稱叫"高光譜分辨率遙感"。高光譜遙感是利用很多狹窄的電磁波波段產(chǎn)生光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)，它不像多光譜遙感中根據(jù)顏色的差異來分辨目標(biāo)，而是根據(jù)譜段光譜曲線的形態(tài)來分析目標(biāo)是什么。光譜分析是人類借助光認(rèn)知世界的重要方式。如果說可見光圖像提供的是平面信息，那么高光譜遙感圖像提供的就是空間信息，通過對(duì)光譜的分析，大大提高了圖像數(shù)據(jù)的采集能力。

2.  多光譜、高光譜的區(qū)別?

       隨著光譜分辨率的不斷提高，光學(xué)遙感的發(fā)展過程可分為：全色（Panchromatic）→彩色（Color Photography）→多光譜（Multispectral）→高光譜（hyspectral）。

       全色波段（Panchromatic band），因?yàn)槭菃尾ǘ?，在圖上顯示是灰度圖片。全色遙感影像一般空間分辨率高，但無法顯示地物色彩。 實(shí)際操作中，我們經(jīng)常將之與波段影象融合處理，得到既有全色影象的高分辨率，又有多波段影象的彩色信息的影象。全色波段，一般指使用0.5微米到0.75微米左右的單波段，即從綠色往后的可見光波段。全色遙感影象也就是對(duì)地物輻射中全色波段的影象攝取，因?yàn)槭菃尾ǘ?，在圖上顯示是灰度圖片。全色遙感影象一般空間分辨率高，但無法顯示地物色彩。

       多光譜遙感：將地物輻射電磁破分割成若干個(gè)較窄的光譜段，以攝影或掃描的方式，在同一時(shí)間獲得同一目標(biāo)不同波段信息的遙感技術(shù)。
       原理：不同地物有不同的光譜特性，同一地物則具有相同的光譜特性。不同地物在不同波段的輻射能量有差別，取得的不同波段圖像上有差別。
       優(yōu)點(diǎn)：多光譜遙感不僅可以根據(jù)影像的形態(tài)和結(jié)構(gòu)的差異判別地物，還可以根據(jù)光譜特性的差異判別地物，擴(kuò)大了遙感的信息量。
航空攝影用的多光譜攝影與陸地衛(wèi)星所用的多光譜掃描均能得到不同普段的遙感資料，分普段的圖像或數(shù)據(jù)可以通過攝影彩色合成或計(jì)算機(jī)圖像處理，獲得比常規(guī)方法更為豐富的圖像，也為地物影像計(jì)算機(jī)識(shí)別與分類提供了可能。
        高光譜遙感起源于20世紀(jì)70年代初的多光譜遙感，它將成像技術(shù)與光譜技術(shù)結(jié)合在一起，在對(duì)目標(biāo)的空間特征成像的同時(shí)，對(duì)每個(gè)空間像元經(jīng)過色散形成幾十乃至幾百個(gè)窄波段以進(jìn)行連續(xù)的光譜覆蓋，這樣形成的遙感數(shù)據(jù)可以用“圖像立方體”來形象的描述。同傳統(tǒng)遙感技術(shù)相比，其所獲取的圖像包含豐富的空間、輻射和光譜三重信息。

        高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù)。高光譜遙感具有不同于傳統(tǒng)遙感的新特點(diǎn)：
1）波段多：可以為每個(gè)像元提供十幾、數(shù)百甚至上千個(gè)波段；
2）光譜范圍窄：波段范圍一般小于10nm；
3）波段連續(xù)：有些傳感器可以在350~2500nm的太陽光譜范圍內(nèi)提供幾乎連續(xù)的地物光譜；
4）數(shù)據(jù)量大：隨著波段數(shù)的增加，數(shù)據(jù)量成指數(shù)增加；
5）信息冗余增加：由于相鄰波段高度相關(guān)，冗余信息也相對(duì)增加。
優(yōu)點(diǎn)：
1）有利于利用光譜特征分析來研究地物；
2）有利于采用各種光譜匹配模型；
3）有利于地物的精細(xì)分類與識(shí)別；
       根據(jù)有無影像區(qū)分成像光譜與非成像光譜，成像光譜測(cè)量結(jié)果以圖像方式表達(dá)出來，每一個(gè)像元均由光譜曲線組成，可以更為準(zhǔn)確地獲取目的物的反射光譜。比起非成像光譜儀，光譜成像儀對(duì)樣品的測(cè)量定位更為精準(zhǔn)。 

眾所周知，光譜技術(shù)能檢測(cè)到被測(cè)物體的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等指標(biāo)。多光譜儀及高光譜儀是基于點(diǎn)的測(cè)量，而高光譜成像儀的測(cè)量所得到是目的物面上的光譜圖。因此，高光譜成像技術(shù)是光譜分析技術(shù)和圖像分析技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，是二者結(jié)合的產(chǎn)物。高光譜成像技術(shù)不僅具有光譜分辨能力，還具有圖像分辨能力，利用高光譜成像技術(shù)不僅可以對(duì)待檢測(cè)物體進(jìn)行定性和定量分析，而且還能進(jìn)對(duì)其進(jìn)行定位分析。 

圖1  葉片不同部分的光譜反射率（1000-2500nm）

高光譜成像系統(tǒng)的主要工作部件是成像光譜儀，它是一種新型傳感器，研制這類儀器的目的是為獲取大量窄波段連續(xù)光譜圖像數(shù)據(jù)，使每個(gè)像元具有幾乎連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)。它是一系列光波在不同波長(zhǎng)處的光學(xué)圖像，通常包含數(shù)十到數(shù)百個(gè)波段，光譜分辨率一般為小于10nm(四川雙利合譜科技有限公司的GaiaSky-mini2，高可具有1440個(gè)波段，光譜分辨率達(dá)2.8nm，光譜采樣間隔達(dá)0.41nm)。由于高光譜成像所獲得的高光譜圖像對(duì)圖像中的每個(gè)像素都能提供一條幾乎連續(xù)的光譜曲線，其在待測(cè)物上獲得空間信息的同時(shí)又能獲得比多光譜更為豐富光譜數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息可用來生成復(fù)雜模型，來進(jìn)行判別、分類、識(shí)別圖像中的材料。

圖2  無人機(jī)高光譜影像用于識(shí)別不同的地物分類

通過高光譜成像獲取待測(cè)物的高光譜圖像包含了待測(cè)物的豐富的空間、光譜和輻射三重信息。這些信息不僅表現(xiàn)了地物空間分布的影像特征，同時(shí)也可能以其中某一像元或像元組為目標(biāo)獲取它們的輻射強(qiáng)度以及光譜特征。影像、輻射與光譜是高光譜圖像中的3個(gè)重要特征，這3個(gè)特征的有機(jī)結(jié)合就是高光譜圖像。 

高光譜圖像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)立方體(cube)。通常圖像像素的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別用z和Y來表示，光譜的波長(zhǎng)信息以(Z即軸)表示。該數(shù)據(jù)立方體由沿著光譜軸的以一定光譜分辨率間隔的連續(xù)二維圖像組成。

圖3  高光譜三維立體圖

地面使用的成像光譜儀多為推掃式，配備旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)或線形位移臺(tái)，以產(chǎn)生兩種效果：成像光譜儀運(yùn)動(dòng)而待測(cè)物目標(biāo)靜止，或者成像光譜儀靜止而待測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的效果。目前，已經(jīng)有新型的地面成像光譜儀，如四川雙利合譜科技有限公司生產(chǎn)的GaiaField和GaiaSky-mini系列的可見-近紅外成像光譜儀，利用儀器內(nèi)部的掃描裝置實(shí)現(xiàn)推掃成像，即光譜儀和被測(cè)物均不運(yùn)動(dòng)即可完成高光譜成像，而不需要配備位移云臺(tái)，儀器更為輕巧便攜，便于野外使用。

圖4   內(nèi)置推掃式的便攜式高光譜成像儀GaiaField

圖5   內(nèi)置推掃式的無人機(jī)高光譜成像儀GaiaSky-mini