超光譜成像原理

趙雙江　劉延銀

目前超光譜成像技術(shù)只有二十幾年的發(fā)展歷史，超光譜隱身存在著大量的理論和技術(shù)難題。但由于超光譜成像儀具有集光譜與成像為一體，獲得高空間分辨率和光譜分辨率、超多波段光譜圖像的技術(shù)能力，其在軍事等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，超光譜技術(shù)的研究獲得廣泛重視。

若以光譜波段數(shù)量和光譜分辨率作為評價指標，則到目前為止，光學(xué)成像系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下4個階段：全色成像系統(tǒng)、彩色成像系統(tǒng)、多光譜成像系統(tǒng)和超光譜成像系統(tǒng)。其中，超光譜成像系統(tǒng)在多光譜成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。與以多光譜成像系統(tǒng)為代表的傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)不同，超光譜成像系統(tǒng)能在很多很窄且連續(xù)的電磁波輻射波段上對被觀測區(qū)域進行成像，其光譜分辨率通常高達nm數(shù)量級，光譜波段數(shù)量通常多達數(shù)百甚至數(shù)千，光譜波段覆蓋范圍則通常為可見光到近紅外區(qū)域。因此，超光譜成像系統(tǒng)能在成像的同時獲取每1個像元所對應(yīng)地物的光譜信息，即在超光譜圖像中每1個像元均對應(yīng)了1條準連續(xù)的光譜曲線。在用全色成像系統(tǒng)、彩色成像系統(tǒng)、多光譜成像系統(tǒng)和超光譜成像系統(tǒng)對同一觀測區(qū)域進行成像所獲得的空間與光譜信息對比時。超光譜圖像中每1個像元所對應(yīng)的光譜曲線均可視為該像元所對應(yīng)地物的某種“指紋”信息。因此，超光譜圖像在光譜波段數(shù)量上的增加導(dǎo)致了利用其對地物進行識別能力上質(zhì)的飛躍。中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所童慶禧院士曾指出，“超光譜遙感的出現(xiàn)可以說是一個概念上和技術(shù)上的創(chuàng)新”。

多光譜相機有其特有的指標參數(shù)，其中，空間分辨率是指相機能分辨目標的能力，通常用焦面上1mm內(nèi)能區(qū)分開來的線對數(shù)來表示，也叫做地面分辨率，單位是1p/mm，一般情況下，地面分辨率的數(shù)值越小，越能清楚的分辨出目標物體的各種細節(jié)特征。根據(jù)多光譜相機的使用情況、使用地點不同以及實際情況需求，不同場合下應(yīng)該選用擁有不同空間分辨率的多光譜相機，由于這種分辨能力實質(zhì)上是相機瞬時視場時所對應(yīng)的最小像元，所以空間分辨率也被叫做像元分辨率。

超光譜遙感是在原有的多光譜成像遙感基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型探測識別技術(shù)，從20世紀80年代末開始研究，目前已經(jīng)發(fā)展成為一種成熟的偵察技術(shù)，已經(jīng)在民用和軍用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.超光譜遙感的出現(xiàn)是遙感技術(shù)的一場革命，很多在多光譜遙感中不可探測的物質(zhì)，在超光譜遙感中都能被識別[1].超光譜遙感從多光譜遙感發(fā)展而來，現(xiàn)在又出現(xiàn)了光譜分辨率更高的超光譜遙感.就光譜分辨率來說，多光譜遙感約為10-1λ（λ為工作波段的波長），如TM與SPOT等；高光譜遙感為10-2λ，如AIS、AVIRIS等；超光譜遙感為10-3λ，如CASI（分辨率1.8 nm）、FLI（分辨率2.5nm）。

超光譜遙感利用地表物質(zhì)與電磁波的相互作用所形成的特征光譜研究地表物質(zhì)，工作波段主要包括可見光、近紅外以及熱紅外波段。在可見光、近紅外波段，地物以反射太陽能量為主，可以通過其反射特征光譜的分析來識別目標；在熱紅外波段，地物輻射能量以自身的熱輻射為主，目標的發(fā)射率和輻射溫度是最主要的識別信息。超光譜遙感作為新型的偵察技術(shù)，有不同于傳統(tǒng)偵察技術(shù)的特點。首先，超光譜的工作波段多、寬度窄、識別能力強。地物的光譜特征峰半寬度一般為20～40 nm，這是傳統(tǒng)的多光譜等遙感技術(shù)所不能分辨的，而超光譜遙感卻能夠很好地識別出來。過去定性、半定量遙感開始進入定量遙感時代。其次，超光譜在成像的同時可以獲得地物的光譜曲線，融合了成像分析和光譜分析的優(yōu)點。最后，由于波段眾多，超光譜遙感的數(shù)據(jù)量非常龐大，冗余數(shù)據(jù)多，處理困難。

超光譜成像技術(shù)是在可見光至短波紅外（0.4～2.5μm）波段范圍內(nèi)，以數(shù)納米的光譜分辨率采樣，在數(shù)十至數(shù)百個波段同時對目標成像，每個波段成1幅二維空間圖像，可形成由多個二維空間圖像按光譜維疊加而成的三維超光譜圖像（數(shù)據(jù)）立方體。超光譜成像技術(shù)特點有：a）光譜響應(yīng)范圍廣，光譜分辨率高，識別能力強。高成像光譜儀響應(yīng)的電磁波長從可見光至近紅外，甚至到中紅外，光譜分辨率達到納米級。b）光譜信息與圖像信息有機結(jié)合。在超光譜成像數(shù)據(jù)中，每個像元對應(yīng)1條光譜曲線，整個數(shù)據(jù)是光譜影像的立方體，具有空間圖像維和光譜維。c）數(shù)據(jù)描述模型多，分析更靈活。超光譜成像技術(shù)常用的描述模型有圖像模型、光譜模型與特征模型三種。d）數(shù)據(jù)量大，信息冗余多。超光譜成像數(shù)據(jù)量大、相關(guān)性強。

超光譜成像的上述特點，使其作為新型偵察技術(shù)而具有不同于傳統(tǒng)（全色、多光譜）偵察技術(shù)的優(yōu)勢。研究表明，許多地表目標的吸收特征在吸收峰深度一半處的寬度為20～4.0 nm。由于高成像光譜系統(tǒng)獲得的連續(xù)波段寬度一般小于10 nm，因此能以足夠的光譜分辨率區(qū)分出具診斷性光譜特征的地面目標，而傳統(tǒng)光學(xué)傳感器的波段寬度一般為100～200 nm，且在光譜上并不連續(xù)，無法探測這些有診斷性光譜吸收特征的目標。超光譜成像儀能在連續(xù)光譜段上對同一目標同時成像，可直接反映被觀測物體的光譜特征，甚至物體表面物質(zhì)的成分，使目標檢測識別能力顯著提高，且目標的探測由定性分析轉(zhuǎn)為定量分析成為可能。

超光譜成像儀是通過測出的光譜特征曲線，來反演出對應(yīng)每一個像素的目標物組成成分，從而區(qū)分自然背景與軍事目標的差別，并判斷出目標的性質(zhì)和種類.利用機載或星載超光譜成像儀在太陽反射光譜區(qū)（0.35～2.5μm，可見光、近紅外）對指定地域獲取景物及目標的精細光譜圖，然后進行光譜圖的檢測分析。超光譜圖像偽裝檢測的技術(shù)核心是模式識別，它對目標的檢測包括形態(tài)信息和光譜信息兩部分，其中光譜信號匹配是最重要的部分。超光譜圖像中每一個像素的光譜信號都將被拿來與自然背景光譜中光譜信號進行匹配，從復(fù)雜的背景中檢測出目標.光譜信號匹配的準確度直接決定系統(tǒng)是否會造成誤判和漏判，匹配的快速性則決定系統(tǒng)是否能滿足實時性要求.在軍事偵察中，最重要的是能實時處理和準確判定目標，對于在建立了背景光譜庫的同時，也建立了目標光譜庫的，就能進一步利用目標的光譜信息連同目標形態(tài)信息，同步進行目標光譜匹配與形態(tài)匹配，則可識別出目標究竟為哪一類目標（飛機，導(dǎo)彈，戰(zhàn)車等），并能滿足實時性要求.已開展了建立目標和背景特征光譜數(shù)據(jù)庫的研究.美國提出的數(shù)字化地球研究要建立全球地表每1m²的數(shù)據(jù)庫，包括光譜數(shù)據(jù)在內(nèi)的幾十種參數(shù)。我國已建立的地物（背景）光譜庫包含有500～600多種地物種類，15026條光譜曲線。