高光譜遙感成像原理及特點

　　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，獲取許多非常窄、光譜連續影像數據的技術。

　　高光譜遙感源于20世紀70年代初期的多光譜遙感技術，它的出現在遙感的發展歷史上是一個概念和技術上的創新。

　　高光譜成像遙感是20世紀80年代初出現的新型遙感技術，與合成孔徑雷達（SAR）成像技術并列為當代遙感兩大前沿領域。高光譜成像遙感技術的產生，是遙感發展史上最具標志性的成果，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，高光譜影像的優勢主要表現在：高光譜影像具有高的光譜分辨率，達到納米級，表現為不同地物在光譜維上的細微差異，能夠精細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的發展都十分重視，隨著技術的日趨成熟，高光譜成像遙感已經廣泛應用于地質勘探、地質制圖、植被生態監測、精細農業、大氣環境、環境監測、海洋遙感、食品安全、產品質量檢測、戰場偵察、偽裝檢測等多個領域。

　　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行了細致的分割，不僅僅是傳統的黑和白或者R(紅)、G(綠)和B(藍)的區別，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據是一個數據立方體，不但有圖像的信息，而且還可以在光譜維度上進行展開，這樣不僅可以獲得圖像上每個點的光譜數據，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據，它們疊合在一起就構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的光譜曲線，如圖1.1(b)所示。在對高光譜遙感圖像進行處理和應用時，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與背景的定量分析能力。

　　與傳統全色及多光譜遙感圖像相比，高光譜遙感圖像數據具有以下特點。

　　①光譜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，其波段數高達數百個，形成一條近似于連續的光譜曲線，光譜分辨率可達10nm以內。

　　②高光譜遙感數據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上，增加了一維光譜數據，整個數據形成一個光譜圖像立方體，每一個像元的光譜數據展開來就對應為一條光譜曲線，整個數據就是圖譜合一的立方體。

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

　　④高光譜數據中存在大量冗余信息。因為高光譜數據是由很多狹窄的波段構成的，所含數據數量巨大，同時相鄰波段之間存在空間相關、譜間相關，以及波段相關，這都導致高光譜數據中冗余信息的增多。

　　⑤高光譜遙感具有非線性特性。其非線性出現在兩個方面：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。高光譜數據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經過短短30余年的快速發展，取得了舉世矚目的成績，得到廣泛的應用。相對高光譜成像技術的迅猛發展，高光譜圖像數據處理技術明顯滯后，為其應用帶來了許多挑戰和困難，亟須解決如下數據處理問題。

　　① 高光譜圖像擁有豐富地物光譜信息的同時也帶來數據冗余，以及數據維數災難的問題，如何有效降低高光譜遙感數據的維數和選擇有效波段是拓寬高光譜圖像數據應用領域的基礎。

　　②高光譜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容。

　　③相對于全色影像和多光譜影像，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量需進一步研究。

　　④高光譜圖像中的地物目標檢測、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。