高光谱,多光谱及超光谱

1、光谱分辨率

光谱分辨率spectral resolution

定义1：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。遥感器的波段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。

定义2：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。

光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。

传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。

举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。

一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。

2、什么是高光谱，多光谱及超光谱

高光谱成像是新一代光电检测技术，兴起于2O世纪8O年代，目前仍在迅猛发展巾。高光谱成像是相对多光谱成像而言，通过高光谱成像方法获得的高光谱图像与通过多光谱成像获取的多光谱图像相比具有更丰富的图像和光谱信息。如果根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类，光谱成像技术一般可分成3类。

(1)多光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。

(2)高光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．01mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm 级。

(3)超光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda =O．001mm=1nm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。

众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标。光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点。因此，可以说光谱成像技术是光谱分析

技术和图像分析技术发展的必然结果，是二者完美结合的产物。光谱成像技术不仅具有光谱分辨能力，还具有图像分辨能力，利用光谱成像技术不仅可以对待检测物体进行定性和定量分析，而且还能进对其进行定位分析。

高光谱成像系统的主要工作部件是成像光谱仪，它是一种新型传感器，2O 世纪8O年代初正式开始研制，研制这类仪器的目的是为获取大量窄波段连续光谱图像数据，使每个像元具有几乎连续的光谱数据。它是一系列光波波长处的光学图像，通常包含数十到数百个波段，光谱分辨率一般为1～l0nm。由于高光谱成像所获得的高光谱图像能对图像中的每个像素提供一条几乎连续的光谱曲线，其在待测物上获得空间信息的同时又能获得比多光谱更为丰富光谱数据信息，这些数据信息可用来生成复杂模型，来进行判别、分类、识别图像中的材料。

通过高光谱成像获取待测物的高光谱图像包含了待测物的丰富的空间、光谱和辐射三重信息。这些信息不仅表现了地物空间分布的影像特征，同时也可能以其中某一像元或像元组为目标获取它们的辐射强度以及光谱特征。影像、辐射与光谱是高光谱图像中的3个重要特征，这3个特征的有机结合就是高光谱图像。

高光谱图像数据为数据立方体(cube)。通常图像像素的横坐标和纵坐标分别用x和Y来表示，光谱的波长信息以(Z即轴)表示。该数据立方体由沿着光谱轴的以一定光谱分辨率间隔的连续二维图像组成。(Z轴的每一层对应一定窄带波长的光谱图像)。

3、多光谱、高光谱、超光谱辨识

一．技术历史背景

早在20世纪60年代（1960s）人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料时，成像就成为研究地球的有利工具。在传统的成像技术中，人们就知道黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异因而可用于辨别不同的材料，在此基础上，成像技术有了更高的发展，对地球成像时，选择一些颜色的滤波片成像对于提高对特殊农作物、研究大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早的多光谱技术（Multispectral imaging）它最早出现在LandSat卫星上。这些最早的星载图像传感器（例如，LandSat卫星上的Thematic Mapper和法国SPOT卫星上的相机）以离散的几种颜色（或者几个波段）对地球成像，就是人们常说的多光谱成像。

既然多光谱成像（Multispectral Imaging）仅仅以几个连续的光谱波带成像对于我们研究环境就如此有用，为什么不把波带数拓展更多，把光谱分辨率拓展更细呢？因此，用于遥感目的的高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）在20世纪80年代初期诞生了，它最早是机载的成像光谱仪（Airborne Imaging

Spectrometer），如今已拓展到先进的可见和红外成像光谱仪（AVIRIS），这两种最早都诞生在NASA的JPL中心（NASA：美国国家航天航空管理局）。

从多光谱到高光谱遥感技术的前进也需要仪器的发展。虽然对地球成像而言七个非连续的波段称不上什么光谱成像技术，但是如果使用200个连续的波段，每个波段的光谱分辨率在10nm左右，谁都不会否认这是光谱成像技术。而且人类对更好更高的追求从来都没停止过，现在光谱成像技术已经发展到超光谱时代（Ultraspectral Imaging），比如，它使用的是空间发射光谱仪（Atmospheric Emission Spectrometer，AES），这个超光谱成像仪在红外波段就能产生数千个波带，分辨率高达1nm。

全球第一个星载高光谱成像器于1997年在NASA随着Lewis卫星发射升空，它包含了384个波段涵盖了400-2500nm波段，不幸的是这颗卫星控制出现问题，失去了动力，升空一个月后就偏离了轨道。随后，一些实验性的机载高光谱成像器在NASA的DOD（Department of Defense）得到了重点研发，这些机载的高光谱成像系统涵盖了VNIR/SWIR和MLIR(3-5微米），LWIR（又称热红外相机，适应波段8-12微米）。

目前，成像光谱技术已经走出了最初的军事应用的局限，在国土资源调查，精准农业生产和研究，农作物分选和检测等多种应用领域发挥不可替代的作用。基于成像光谱技术波长范围为400-1000nm, 900-1700nm, 1100-2500nm,

3000-15000nm的各种成像光谱仪和高光谱成像器也应运而生。但是由于军事应

用的潜在性依然存在，国外先进成像光谱仪国家对成像光谱仪的对华出口管制非常严格，例如，红外成像光谱仪是百分之百对华禁运，其他波段的成像光谱仪也需要我国用户提供商务部签发的“End User and End Use Statement”，但是，尽管如此，能否进口到中国来依然存在许多变数。

为什么国外多这种技术对华如此高级别地限制，高光谱技术到底“高”在那些方面，高光谱成像光谱仪如何实现高光谱数据的获取？针对诸多技术细节，天津菲林斯光电仪器公司作为国内专业的成像光谱技术提供者，发挥专业技术优势，从纯技术的角度为广大用户和读者提供一份绝密级别的内部参考资料，这份资料仅供广大用户之间阅读参考，切勿随意散发。

二．技术综述

成像光谱（高光谱）数据是图谱合一的海量数据源，它同时包含了图像信息和光谱信息，能够给出各个波段上每个像素的光谱强度数据，而且光谱分辨率很高，这样，这种数据在一些对光谱和图像和光谱分辨率要求较高的领域就显示出无可替代的作用。例如，矿产探测，高光谱数据由于较高的光谱分辨率就可以帮助人们通过光谱分析的的办法找到一些隐蔽性极强的稀有矿产，而在以前，普通

的光谱技术是无法发现这些矿产的。

高光谱成像的数据是一叠连续多个波段成像获得的景色或样品的图像，就是俗称的图像立方体（Image cube）。这个图像立方具有两个空间维度（X和Y），第三维为每个像素的波长或辐射强度。

那么，如何获得这种价值连城的高光谱图像立方体呢？它是通过成像光谱仪获取的，但是成像光谱仪（或高光谱成像系统）本身是一种获取图像的传感器，它获取的只是光谱信息，一般地，成像光谱仪器及其配套软件是不提供该图像立方体的显示功能的，您需要把成像光谱仪获取的数据导入到ENVI软件中才能显出如此漂亮的图片资料。

在深入该话题的探讨之前，我们首先明确高光谱遥感的三个空间级别：

航天级别：星载遥感（planet-borne）距离地面150公里以上。这是一种典型的高光谱遥感应用，也是高光谱技术（成像光谱技术）的最初应用，它是把成像光谱仪安装于卫星上，对地球目标进行高光谱遥感探测。工作距离通常是几万公里以上，我国的神舟七号飞船就成安装类似的成像光谱仪。使用的成像光谱仪非常庞大，每次实验的费用非常巨大。

航空级别：机载遥感（Airborne）距离地面100-到十多公里的距离。使用小型飞机或无人机作为光谱仪的搭载平台，是目前主要的遥感成像工作方法。它使用的成像光谱仪体积小。但是要获得比较好的实验结果并不容易，需要精确的GPS和惯导定位，高性能的计算机和高频率的拍摄速度。

地面级别：这种应用的主要领域是地面或高度不高于50m的空间成像。它不再是像前两种那样动态的成像，而是通常静态成像，比较常见的是农业应用和实验室高光谱成像。但是也有把推扫式成像光谱仪放置在地面，配备旋转位移台或线形位移台，以产生两种效果：成像光谱仪运动而待测物目标静止，或者成像光谱仪静止而待测目标运动的效果。

目前,实际科研过程中,常用的是航空级别(动态成像)和地面级别的高光谱遥感成像(静态成像)。现在，可以这样认为：动态的测量应用就需要使用推扫式成像方式获取图像，静态测量应用需要使用波长扫描式获取高光谱图像。这两者有何区别呢？下图将有利于您理解该问题。

4、

众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标。光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点。因此，可以说光谱成像技术是光谱分析

技术和图像分析技术发展的必然结果，是二者完美结合的产物。光谱成像技术不仅具有光谱分辨能力，还具有图像分辨能力，利用光谱成像技术不仅可以对待检测物体进行定性和定量分析，而且还能进对其进行定位分析。

高光谱成像系统的主要工作部件是成像光谱仪，它是一种新型传感器，2O 世纪8O年代初正式开始研制，研制这类仪器的目的是为获取大量窄波段连续光谱图像数据，使每个像元具有几乎连续的光谱数据。它是一系列光波波长处的光学图像，通常包含数十到数百个波段，光谱分辨率一般为1～l0nm。由于高光谱成像所获得的高光谱图像能对图像中的每个像素提供一条几乎连续的光谱曲线，其在待测物上获得空间信息的同时又能获得比多光谱更为丰富光谱数据信息，这些数据信息可用来生成复杂模型，来进行判别、分类、识别图像中的材料。

通过高光谱成像获取待测物的高光谱图像包含了待测物的丰富的空间、光谱和辐射三重信息。这些信息不仅表现了地物空间分布的影像特征，同时也可能以其中某一像元或像元组为目标获取它们的辐射强度以及光谱特征。影像、辐射与光谱是高光谱图像中的3个重要特征，这3个特征的有机结合就是高光谱图像。

高光谱成像是一种新兴的技术，可以在仪器的视场范围内同时快速测量和分析多个物体的光谱构成。这些成像系统用在多个工业和商业领域，比如高速在线检测和严密的质量控制工序。

一般说来，在加工应用中捕捉精确的光谱信息，面临着机器视觉系统简单或单点光谱（single-point）测量的问题。这些仪器系统的成本很高，且它们只可以在整个产品中进行小范围采样，导致了采样率较低。

然而高光谱成像不同，可以进行大批量检查。并且可以侦查出任何产品的化学组成或光谱信号，只要在它的视场范围内。并且在图像中，可以根据已经建立起来的谱库，用不同颜色标识出存在或者不存在的材料。

多光谱遥感

利用多光谱摄影系统或多光谱扫描系统对电磁波谱不同谱段做同步摄影遥感，分别获得植被及其他地物在不同谱段上的影像的遥感技术。多光谱遥感不仅可以根据影像的形态和结构的差异判别地物，还可以根据光谱特性的差异判别地物，扩大了遥感的信息量。航空摄影用的多光谱摄影与陆地卫星所用的多光谱扫描均能得到不同谱段的遥感资料，分谱段的图像或数据可以通过摄影彩色合成或计算机图像处理，获得比常规方法更为丰富的图像，也为地物影像计算机识别与分类提供了可能。

5、

遥感对地观测要解决的两个重要问题，一是几何问题，二是物理问题。前者正是摄影测量的目标，后者则要回答观测的对象是什么？这就是遥感问题。图像和光谱是人们在纷繁的大千世界中认识事物，以至识别所要寻求的对象最重要的两种依据。图像为解决地物的几何问题提供了基础，光谱往往反映了地物所特有的物理性状。现代遥感技术的发展，使得地物的成像范围不仅延伸到人们不可见的紫外和红外波长区，而且可以在人们需要的任何波段独立成像或连续成像。高光谱遥感的光谱分辨率高于百分之一波长达到纳米(nm)数量级，其光谱通道数多达数十甚至数百。高光谱或成像光谱技术就是将由物质成分决定的地物光谱与反映地物存在格局的空间影像有机地结合起来，对空间影像的每一个像素都可赋予对它本身具有特征的光谱信息。遥感影像和光谱的合一，实现了人们认识论中逻辑思维和形象思维的统一，大大提高了人们对客观世界的认知能力，为人们观测地物、认识世界提供了一种犀利手段，这无疑是遥感技术发展历程中的一项重大创新。

20多年来，高光谱遥感已发展成一个颇具特色的前沿技术，并孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类。它的出现和发展将人们通过遥感技术观测和认识事物的能力带入了又一次飞跃，续写和完善了光学遥感从全色经多光谱到高光谱的全部影像信息链。由于高光谱遥感影像提供了更为丰富的地球表面信息，因此受到国内外学者的很大关注，并有了快速发展。其应用领域已涵盖地球科学的各个方面，在地质找矿和制图、大气和环境监测、农业和森林调查、海洋生物和物理研究等领域发挥着越来越重要的作用。

1983年，世界第一台成像光谱仪AIS－1在美国研制成功，并在矿物填图、植被生化特征等研究方面取得了成功，初显了高光谱遥感的魅力。在此后，许多国家先后研制了多种类型的航空成像光谱仪。如美国的AVIRIS、DAIS，加拿大的FLI、CASI，德国的ROSIS，澳大利亚的HyMap等。

在经过航空试验和成功运行应用之后，90年代末期终于迎来了高光谱遥感的航天发展。1999年美国地球观测计划（EOS）的Terra综合平台上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）、号称新千年计划第一星的EO-1，欧洲环境卫星（ENVISAT）上的MERIS，以及欧洲的CHRIS卫星相继升空，宣告了航天高光谱时代的来临。

上世纪80年代初、中期，在国家科技攻关项目和863计划的支持下，我国亦开展了高光谱成像技术的独立发展计划。我国高光谱仪的发展，经历了从多波段到成像光谱扫描，从光学机械扫描到面阵推扫的发展过程。根据我国海洋环境监测和森林探火的需求，研制发展了以红外和紫外波段以及以中波和长波红外为主体的航空专用扫描仪。80年代中期，面向地质矿产资源勘探，又研制了工作在短波红外光谱区间（2.0－2.5 mm）的6—8波段细分红外光谱扫描仪（FIMS）和工作波段在8－12mm光谱范围的航空热红外多光谱扫描仪（ATIMS）。在此基

础上于80年代后期又研制和发展了新型模块化航空成像光谱仪（MAIS）。这一成像光谱系统在可见—近红外—短波红外具有64波段，并可与6-8波段的热红外多光谱扫描仪集成使用，从而使其总波段达到70—72个。这一系列高光谱仪器的研制成功，为中国遥感科学家提供了新的技术手段。通过在我国西部干旱环境下的地质找矿试验，证明这一技术对各种矿物的识别以及矿化蚀变带的制图十分有利，成为地质研究和填图的有效工具。

此后，中国又自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪（PHI）和实用型模块化成像光谱仪（OMIS）等，并在国内外得到多次应用，成为世界航空成像光谱仪大家庭中的一员。PHI成像光谱仪在可见到近红外光谱区具有244个波段，其光谱分辨率优于5nm；OMIS则具有更宽泛的光谱范围，如OMIS-1具有128波段，其中可见—近红外光谱区（0.46—1.1μm）32波段，短波红外区（1.06—1.70μm及2.0—2.5μm）48波段，中波红外区（3.0—5.0μm）8波段，热红外区（8.0—12.5μm）6—8波段。新的成像光谱系统不仅继续在地质和固体地球领域研究中发挥作用，而且在生物地球化学效应研究、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面都有很好的结果。

在航空高光谱技术取得成功的基础上，2002年3月在我国载人航天计划中发射的第三艘试验飞船“神舟三号”中，搭载了一台我国自行研制的中分辨率成像光谱仪。这是继美国EOS计划MODIS之后，几乎与欧洲环境卫星（ENVISAT）上的MERIS同时进入地球轨道的同类仪器。它在可见光到热红外波长范围（0.4-12.5μm）具有34个波段。2007年10月24日我国发射的“嫦娥-1”探月卫星上，成像光谱仪也作为一种主要载荷进入月球轨道。这是我国的第一台基于富里叶变换的航天干涉成像光谱仪，它具有光谱分辨率高的特点。在我国计划于2008年发射的环境与减灾小卫星（HJ-1）星座中，也将搭载一台工作在可见光—近红外光谱区（0.45—0.95μm）、具有128个波段、光谱分辨率优于5nm的高光谱成像仪。它将对广大陆地及海洋环境和灾害进行不间断的业务性观测。即将发射升空的我国“风云-3”气象卫星也将中分辨率光谱成像仪作为基本观测仪器，纳入大气、海洋、陆地观测体系，为对地球的全面观测和监测提供服务。高光谱遥感系统在我国的普遍应用，标志着我国的高光谱遥感已逐步走向成熟。特别应该指出的是中国科学院上海技术物理研究所和西安光学精密机械研究所在发展我国航空航天高光谱成像系统中作出了重大贡献。

高光谱遥感影像数据的一个重要特征是超多波段和大数据量，对它的处理也就成为其成功应用的关键问题之一。对于高光谱图像处理和分析来说，其研究的热点和重点主要体现在对高光谱图像的压缩、纠正和地物分类、目标识别等方面。在高光谱图像的大气纠正方面，除了基于地面光谱辐射测量和大气模型的纠正方法之外，基于图像自身大气吸收波段的大气纠正模型是当前的热点；而基

于平台精确姿态和位置的图像几何纠正算法已在我国大面积航空高光谱图像几何自动纠正方面取得了很好的效果。

高光谱图像的分类和识别，归纳起来主要有两种方法，即基于地物光谱特征的分类识别方法和基于统计的分类识别方法。前者是利用光谱库中已知的光谱数据，采用匹配算法来鉴别和识别图像中地物类型。这种方法既可采用全波长的比较和匹配，也可用感兴趣的光谱特征或部分波长的光谱或光谱组合参量进行匹配，达到分类和识别的目的。

基于统计特征的分类，可采用非监督和监督分类两种方法，非监督方法甚至不需要有对数据的先验知识，也可以直接应用原始高光谱遥感图像数据来进行分类，虽然精度有所欠缺，但简单易行，也是常用的方法之一。

高光谱遥感应用的普及和深入在很大程度上与处理分析软件的发展息息相关。伴随着航空航天遥感的不断发展，国际上遥感商业软件的市场竞争也日益激烈。到目前为止，国际上已经开发了十余套专用的高光谱图像处理与分析软件系统，对高光谱遥感技术应用的普及和发展起到了很大的推动作用。自上世纪90年代末期，中国科学院遥感应用研究所着手对高光谱遥感图像处理和分析系统进行开发。近年来，在863计划支持下，利用国家重点实验室这一平台，已形成了具有完全自主知识产权的高光谱遥感图像处理和分析软件系统（HIPAS V1.0）。这一系统采用了模块化思路和组件技术，具有很强的可移植性和跨平台支持能力；它的开放式外存储结构，几乎能兼容业内所有主流遥感影像格式。HIPAS系统的一个重要特点是它的专业应用模块，如光谱分析模块、矿物填图模块、目标提取模块等。

高光谱遥感在我国的顺利发展体现了需求牵引和前沿引导两个重要的特点。目前无论在航空还是航天领域，均有我国科学家自行研制和发展的高光谱技术系统在运行。在应用领域中，我国自主研制的高光谱影像处理、分析系统和相应的软件也在不断完善，并在各行业和多学科的应用中发挥作用。高光谱遥感在我国的发展展现了良好的前景。（作者系中国科学院院士、国际欧亚科学院院士）