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高光谱成像技术进展By130405100xx一．高光谱成像技术的简介高光谱成像技术的出现是一场革命，尤其是在遥感界。它使本来在宽波段不可探测的物质能够被探测，其重大意义已得到世界公认。高光谱成像技术光谱分辨率远高于多光谱成像技术，因此高光谱成像技术数据的光谱信息更加详细,更加丰富,有利于地物特征分析。有人说得好，如果把多光谱扫描成像的MSS(multi-spectralscanner)和TM(thematicmapper)作为遥感技术发展的第一代和第二代的话,那么高光谱成像(hyperspectralimagery)技术则是第三代的成像技术。高光谱成像技术的具体定义是在多光谱成像的基础上，从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谐波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。（一）高光谱成像系统的组成和成像原理而所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。下面分别介绍下以下几种类别：（1）光栅分光光谱仪空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。如下图所示。经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。例如系统如下：光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是像元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总像是各像元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。（2）声光可调谐滤波分光（AOTF）光谱仪AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生衍射光和零级光。上图是AOTF的组成。由图可知，AOTF是由成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜（把所有的入射光变成平行光），准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光（入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移）；o光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。如下图所示：为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光，因此对前端的物镜视场角有一定的要求，根据晶体的xxx角，可算出物镜最大的视场角，小于最大视场角的情况，成像ok，如果大于视场角，则会造成重影（衍射光与0级光都进入了sensor）。可在晶体的出光口加入遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍射光一起进入sensor，以免造成重影现象。同时，对聚光准直系统的优化有两个方面：1.提高光源的聚光效果，2.减小聚光准直系统的外形尺寸。（3）棱镜分光光谱仪入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。（4）芯片镀膜光谱仪近年来，IMEC（欧洲微电子研究中心）采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低了高光谱成像的成本。目前IMEC提供三种标准的光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器。这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以进行快速、高性能地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低，一般大于10nm，多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。（二）高光谱成像技术的特点1.光谱响应范围广，光谱分辨率高。成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延伸到近红外，甚至到中红外，光谱分辨率达到纳米级。2.光谱信息与图像信息有机结合，即“图谱合一”。在高光谱影像数据中，每一像元对应于一条光谱曲线。整个数据是光谱影像的立方体，具有空间图像维和光谱维。3.数据描述模型多，分析更加灵活。高光谱影像通常有三种描述模型：图像模型、光谱模型与特征模型。4.数据量大，信息冗余多。高光谱数据的波段众多，其数据量巨大，而且波段之间相关性大。（三）高光谱成像技术的优势高光谱图像集样本的图像信息与光谱信息于一身，图像信息可以反映样本的大小、形状、缺陷等外部品质特征。由于不同成分对光谱的吸收也不同，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较为显著的反映，而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异。所以，高光谱图像能够反映综合品质。不同物质间千差万别的光谱特征和形态利用高光谱影像技术能得到很精细的反映。以高光谱遥感技术为例，其就具有以下优势：1.蕴含着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像经过光谱反射率重建，能获取地物近似连续的光谱反射率曲线，与地面实测值相匹配，将实验室地物光谱分析模型应用到遥感过程中。2.地表覆盖的识别能力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱吸收特征的物质，能够准确区分地表植被覆盖类型、道路的铺面材料等。3.地形要素分类识别方法灵活多样。影像分类既可以采用各种模式识别方法，如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机等，又可以采用基于地物光谱数据库的光谱匹配方法。分类识别特征，可以采用光谱诊断特征，也可以进行特征选择与提取。4.地形要素的定量或半定量分类识别成为可能。在高光谱影像中，能估计出多种地物的状态参量，提高遥感高定量分析的精度和可靠性。（四）高光谱成像技术所面临的难题高光谱影像在应用的过程中,还面临着以下关键技术需要解决:1.高光谱影像光谱重建技术。高光谱影像记录的DN值,根据成像光谱仪的辐射定标、光谱定标数据，经过各种辐射校正，反演出地物反射率，这是高光谱遥感定量分析的基础。2.高光谱影像分类识别技术。传统影像分类算法，如最大似然估计、神经网络等都是基于大数定理，高光谱影像维数高、波段相关性大，会遇到“维数灾难”现象，需要研究面向高光谱影像的分析方法。3.海量影像数据的存储与计算。高光谱影像数据量大、相关性强，面临着数据压缩问题，影像分析处理的过程中，需要巨大的计算资源。（五）高光谱成像技术的发展趋势伴随着成像光谱技术的逐渐成熟，高光谱影像分析研究的不断深入，应用领域日益广泛，高光谱遥感技术发展呈现出了以下趋势：成像光谱仪的光谱探测能力将继续提高，成像光谱仪获取影像的空间分辨率逐步提高，正由航空遥感为主转为航空和航天遥感相结合阶段，逐步从遥感定性分析阶段发展到定量分析阶段，应用范围越来越广，应用研究日益深入。（六）高光谱成像技术的发展建议1.加大相关地物光谱数据库的建设力度成像光谱技术是依托于地物谱学的发展而发展的，地物光谱特性的研究不仅是基础性工作，而且是整个工作中的重中之重，应加大地物光谱测定及地物光谱数据库建立的工作力度，为航空或航天遥感的地物识别提供参照标准。2.研制适合于海洋及内陆水体等监测的成像光谱仪器现有的成像光谱仪大都是针对陆地地物而研制的，对于海洋要素的遥感探测，现有的仪器性能指标往往不尽如人意，探测效果并不理想，所以研制适合于海洋及内陆水体等监测的成像光谱仪器迫在眉睫。3.发展基于高光谱数据的光学特性提取模型以基于高光谱遥感数据的水体探测为例，发展基于高光谱数据的叶绿素、悬浮泥沙等水色因子参量的定量遥感反演模型，为赤潮、溢油、海冰等海洋灾害的航空遥感监测提供先进的技术保证。所以好的光学特性提取模型是必要的。4.促进高光谱数据的应用研究二．高光谱成像技术的发展现状高光谱成像技术是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体的综合性技术，技术成果主要表现为成像光谱仪研制、高光谱影像处理两方面。（一）从成像光谱仪分析成像光谱仪主要分为2类，一是机载成像光谱仪，二是星载成像光谱仪。机载成像光谱仪主要有这些，比如：美国的AVRIS、MAS、CHRISS、AHI、Hymap，加拿大的CASI、德国的DAIS系列等，星载成像光谱仪主要有这些，比如：美国的MODIS、HRST、FIHSI，日本的GLI，欧空局的PRISM等。以下不对这两种成像光谱仪做具体的区分。美国的成像技术发展较早，从20世纪80年代至今已经研制了三代高光谱成像光谱仪。第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪AIS，是由美国国家航空和航天管理局(NASA)所属的喷气推进实验室JPL设计，已于1984～1986年装在NASA的C-130飞机上使用。这是一台装有二维、近红外阵列探测器的实验仪器,有128个通道,光谱覆盖范围从1.2～2.4μm,并在内华达Cuprite地区的应用中取得很好的效果。第二代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪AVIRIS，有224个通道，光谱范围为0.41～2.45μm。每个通道的波段宽约为10nm，曾放在改装后的高空U2飞机上使用，为目前最常用的航空光谱仪之一。基于NASA仪器的成功应用及采矿工业和石油工业的需求，在AVIRIS之后，地球物理环境研究公司GER又研制了1台64通道的高光谱分辨率扫描仪GERIS。其中63个通道为高光谱分辨率扫描仪，第64通道是用来存储航空陀螺信息。该仪器由3个单独的线性阵列探测器的光栅分光计组成。它与其他仪器的区别是在不同的光谱范围区内，通道的光谱宽度是不同的。第三代高光谱成像光谱仪为克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪FTHSI，适合在Cessna-206轻型飞机上使用。它的重量为35kg，采用256通道，光谱范围为400～1050nm，有2～10nm的光谱分辨率，视场角为150°。在此期间，许多国家都先后研制航空成像光谱仪。如美国的DAIS，加拿大的FLI、CASI，德国的ROSIS，澳大利亚的HyMap等。在国内，成像光谱仪的研制工作由于跟踪国际前沿技术，成像光谱仪的研制已跻身于国际先进行列。我国于20世纪80年代中后期着手发展自己的高光谱成像系统。主要的成像光谱仪有中科院上海技术物理研究所研制的推扫式成像光谱仪(PHI)系列、实用型模块化成像光谱仪(OMIS)系列、中科院长春光机所研制的高分辨率成像光谱仪(C-HRIS)和西安光机所研制的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪(SLPIIS)。中科院上海技术物理研究所