雙利合譜帶您解密高光譜

2018年4月26日，“珠海一號”遙感微納衛星星座02組衛星順利升空，5顆衛星均已進入預定軌道，目前狀況良好。4顆高光譜衛星的成功發射，意味著歐比特公司成為國內唯一一家擁有高光譜遙感衛星的民營企業，開啟了高光譜遙感新時代！

1．什么是高光譜遙感？

高光譜遙感實際上是一種簡稱，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生光譜連續的圖像數據，它不像多光譜遙感中根據顏色的差異來分辨目標，而是根據譜段光譜曲線的形態來分析目標是什么。光譜分析是人類借助光認知世界的重要方式。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，通過對光譜的分析，大大提高了圖像數據的采集能力。

2．多光譜、高光譜的區別？

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

全色波段（Panchromatic band），因為是單波段，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。實際操作中，我們經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地物輻射中全色波段的影象攝取，因為是單波段，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較窄的光譜段，以攝影或掃描的方式，在同一時間獲得同一目標不同波段信息的遙感技術。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。優點：多光譜遙感不僅可以根據影像的形態和結構的差異判別地物，還可以根據光譜特性的差異判別地物，擴大了遙感的信息量。航空攝影用的多光譜攝影與陸地衛星所用的多光譜掃描均能得到不同普段的遙感資料，分普段的圖像或數據可以通過攝影彩色合成或計算機圖像處理，獲得比常規方法更為豐富的圖像，也為地物影像計算機識別與分類提供了可能。高光譜遙感起源于20世紀70年代初的多光譜遙感，它將成像技術與光譜技術結合在一起，在對目標的空間特征成像的同時，對每個空間像元經過色散形成幾十乃至幾百個窄波段以進行連續的光譜覆蓋，這樣形成的遙感數據可以用“圖像立方體”來形象的描述。同傳統遙感技術相比，其所獲取的圖像包含豐富的空間、輻射和光譜三重信息。

高光譜遙感技術已經成為當前遙感領域的前沿技術。高光譜遙感具有不同于傳統遙感的新特點：1）波段多：可以為每個像元提供十幾、數百甚至上千個波段；2）光譜范圍窄：波段范圍一般小于10nm；3）波段連續：有些傳感器可以在350～2500nm的太陽光譜范圍內提供幾乎連續的地物光譜；4）數據量大：隨著波段數的增加，數據量成指數增加；5）信息冗余增加：由于相鄰波段高度相關，冗余信息也相對增加。優點：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）有利于地物的精細分類與識別；根據有無影像區分成像光譜與非成像光譜，成像光譜測量結果以圖像方式表達出來，每一個像元均由光譜曲線組成，可以更為準確地獲取目的物的反射光譜。比起非成像光譜儀，光譜成像儀對樣品的測量定位更為精準。

眾所周知，光譜技術能檢測到被測物體的物理結構、化學成分等指標。多光譜儀及高光譜儀是基于點的測量，而高光譜成像儀的測量所得到是目的物面上的光譜圖。因此，高光譜成像技術是光譜分析技術和圖像分析技術發展的必然結果，是二者完美結合的產物。高光譜成像技術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不僅可以對待檢測物體進行定性和定量分析，而且還能進對其進行定位分析。

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光譜圖像數據，使每個像元具有幾乎連續的光譜數據。它是一系列光波在不同波長處的光學圖像，通常包含數十到數百個波段，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，最高可具有1440個波段，光譜分辨率達2．8nm，光譜采樣間隔達0．41nm）。由于高光譜成像所獲得的高光譜圖像對圖像中的每個像素都能提供一條幾乎連續的光譜曲線，其在待測物上獲得空間信息的同時又能獲得比多光譜更為豐富光譜數據信息，這些數據信息可用來生成復雜模型，來進行判別、分類、識別圖像中的材料。

圖2  無人機高光譜影像用于識別不同的地物分類

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

高光譜圖像數據為數據立方體（cube）。通常圖像像素的橫坐標和縱坐標分別用z和Y來表示，光譜的波長信息以（Z即軸）表示。該數據立方體由沿著光譜軸的以一定光譜分辨率間隔的連續二維圖像組成。

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，配備旋轉位移臺或線形位移臺，以產生兩種效果：成像光譜儀運動而待測物目標靜止，或者成像光譜儀靜止而待測目標運動的效果。目前，已經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的GaiaField和GaiaSky－mini系列的可見－近紅外成像光譜儀，利用儀器內部的掃描裝置實現推掃成像，即光譜儀和被測物均不運動即可完成高光譜成像，而不需要配備位移云臺，儀器更為輕巧便攜，便于野外使用。

圖4   內置推掃式的便攜式高光譜成像儀GaiaField

圖5   內置推掃式的無人機高光譜成像儀GaiaSky－mini