超光谱成像原理

赵双江　刘延银

目前超光谱成像技术只有二十几年的发展历史，超光谱隐身存在着大量的理论和技术难题。但由于超光谱成像仪具有集光谱与成像为一体，获得高空间分辨率和光谱分辨率、超多波段光谱图像的技术能力，其在军事等领域中发挥着越来越重要的作用，超光谱技术的研究获得广泛重视。

若以光谱波段数量和光谱分辨率作为评价指标，则到目前为止，光学成像系统的发展主要经历了以下4个阶段：全色成像系统、彩色成像系统、多光谱成像系统和超光谱成像系统。其中，超光谱成像系统在多光谱成像系统的基础上发展而来。与以多光谱成像系统为代表的传统光学成像系统不同，超光谱成像系统能在很多很窄且连续的电磁波辐射波段上对被观测区域进行成像，其光谱分辨率通常高达nm数量级，光谱波段数量通常多达数百甚至数千，光谱波段覆盖范围则通常为可见光到近红外区域。因此，超光谱成像系统能在成像的同时获取每1个像元所对应地物的光谱信息，即在超光谱图像中每1个像元均对应了1条准连续的光谱曲线。在用全色成像系统、彩色成像系统、多光谱成像系统和超光谱成像系统对同一观测区域进行成像所获得的空间与光谱信息对比时。超光谱图像中每1个像元所对应的光谱曲线均可视为该像元所对应地物的某种“指纹”信息。因此，超光谱图像在光谱波段数量上的增加导致了利用其对地物进行识别能力上质的飞跃。中国科学院遥感应用研究所童庆禧院士曾指出，“超光谱遥感的出现可以说是一个概念上和技术上的创新”。

多光谱相机有其特有的指标参数，其中，空间分辨率是指相机能分辨目标的能力，通常用焦面上1mm内能区分开来的线对数来表示，也叫做地面分辨率，单位是1p/mm，一般情况下，地面分辨率的数值越小，越能清楚的分辨出目标物体的各种细节特征。根据多光谱相机的使用情况、使用地点不同以及实际情况需求，不同场合下应该选用拥有不同空间分辨率的多光谱相机，由于这种分辨能力实质上是相机瞬时视场时所对应的最小像元，所以空间分辨率也被叫做像元分辨率。

超光谱遥感是在原有的多光谱成像遥感基础上发展起来的新型探测识别技术，从20世纪80年代末开始研究，目前已经发展成为一种成熟的侦察技术，已经在民用和军用领域得到了广泛的应用.超光谱遥感的出现是遥感技术的一场革命，很多在多光谱遥感中不可探测的物质，在超光谱遥感中都能被识别[1].超光谱遥感从多光谱遥感发展而来，现在又出现了光谱分辨率更高的超光谱遥感.就光谱分辨率来说，多光谱遥感约为10-1λ（λ为工作波段的波长），如TM与SPOT等；高光谱遥感为10-2λ，如AIS、AVIRIS等；超光谱遥感为10-3λ，如CASI（分辨率1.8 nm）、FLI（分辨率2.5nm）。

超光谱遥感利用地表物质与电磁波的相互作用所形成的特征光谱研究地表物质，工作波段主要包括可见光、近红外以及热红外波段。在可见光、近红外波段，地物以反射太阳能量为主，可以通过其反射特征光谱的分析来识别目标；在热红外波段，地物辐射能量以自身的热辐射为主，目标的发射率和辐射温度是最主要的识别信息。超光谱遥感作为新型的侦察技术，有不同于传统侦察技术的特点。首先，超光谱的工作波段多、宽度窄、识别能力强。地物的光谱特征峰半宽度一般为20～40 nm，这是传统的多光谱等遥感技术所不能分辨的，而超光谱遥感却能够很好地识别出来。过去定性、半定量遥感开始进入定量遥感时代。其次，超光谱在成像的同时可以获得地物的光谱曲线，融合了成像分析和光谱分析的优点。最后，由于波段众多，超光谱遥感的数据量非常庞大，冗余数据多，处理困难。

超光谱成像技术是在可见光至短波红外（0.4～2.5μm）波段范围内，以数纳米的光谱分辨率采样，在数十至数百个波段同时对目标成像，每个波段成1幅二维空间图像，可形成由多个二维空间图像按光谱维叠加而成的三维超光谱图像（数据）立方体。超光谱成像技术特点有：a）光谱响应范围广，光谱分辨率高，识别能力强。高成像光谱仪响应的电磁波长从可见光至近红外，甚至到中红外，光谱分辨率达到纳米级。b）光谱信息与图像信息有机结合。在超光谱成像数据中，每个像元对应1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。c）数据描述模型多，分析更灵活。超光谱成像技术常用的描述模型有图像模型、光谱模型与特征模型三种。d）数据量大，信息冗余多。超光谱成像数据量大、相关性强。

超光谱成像的上述特点，使其作为新型侦察技术而具有不同于传统（全色、多光谱）侦察技术的优势。研究表明，许多地表目标的吸收特征在吸收峰深度一半处的宽度为20～4.0 nm。由于高成像光谱系统获得的连续波段宽度一般小于10 nm，因此能以足够的光谱分辨率区分出具诊断性光谱特征的地面目标，而传统光学传感器的波段宽度一般为100～200 nm，且在光谱上并不连续，无法探测这些有诊断性光谱吸收特征的目标。超光谱成像仪能在连续光谱段上对同一目标同时成像，可直接反映被观测物体的光谱特征，甚至物体表面物质的成分，使目标检测识别能力显著提高，且目标的探测由定性分析转为定量分析成为可能。

超光谱成像仪是通过测出的光谱特征曲线，来反演出对应每一个像素的目标物组成成分，从而区分自然背景与军事目标的差别，并判断出目标的性质和种类.利用机载或星载超光谱成像仪在太阳反射光谱区（0.35～2.5μm，可见光、近红外）对指定地域获取景物及目标的精细光谱图，然后进行光谱图的检测分析。超光谱图像伪装检测的技术核心是模式识别，它对目标的检测包括形态信息和光谱信息两部分，其中光谱信号匹配是最重要的部分。超光谱图像中每一个像素的光谱信号都将被拿来与自然背景光谱中光谱信号进行匹配，从复杂的背景中检测出目标.光谱信号匹配的准确度直接决定系统是否会造成误判和漏判，匹配的快速性则决定系统是否能满足实时性要求.在军事侦察中，最重要的是能实时处理和准确判定目标，对于在建立了背景光谱库的同时，也建立了目标光谱库的，就能进一步利用目标的光谱信息连同目标形态信息，同步进行目标光谱匹配与形态匹配，则可识别出目标究竟为哪一类目标（飞机，导弹，战车等），并能满足实时性要求.已开展了建立目标和背景特征光谱数据库的研究.美国提出的数字化地球研究要建立全球地表每1m²的数据库，包括光谱数据在内的几十种参数。我国已建立的地物（背景）光谱库包含有500～600多种地物种类，15026条光谱曲线。