成像光譜儀科普

目前國(guó)際上正在迅速發(fā)展的一種新型傳感器稱為成像光譜儀，它是以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器。通過(guò)將傳統(tǒng)的空間成像技術(shù)與地物光譜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地區(qū)同時(shí)獲取幾十個(gè)到幾百個(gè)波段的地物反射光譜圖像。

成像光譜儀基本上屬于多光譜掃描儀，其構(gòu)造與CCD線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區(qū)別僅在于通道數(shù)多，各通道的波段寬度很窄。

發(fā)展背景

70年代末80年代初，在研究歸納各種地物光譜特征的基礎(chǔ)上，形成這樣一個(gè)概念：如果能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的窄波段成像，那么就有可能實(shí)現(xiàn)地面礦物的直接識(shí)別，由此產(chǎn)生了光譜和圖像結(jié)合為一體的成像光譜技術(shù)。1983 年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制出第一臺(tái)航空成像光譜儀(AIS-1)，隨后包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家都研制成功了一系列成像光譜儀，其中有以線陣探測(cè)器為基礎(chǔ)的光機(jī)掃描型，有以面陣探測(cè)器為基礎(chǔ)的固態(tài)推掃型，也有以面陣探測(cè)器加光機(jī)的并掃型。

分類

成像光譜儀按其結(jié)構(gòu)的不同，可分為兩種類型。一種是面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀，它利用線陣列探測(cè)器進(jìn)行掃描，利用色散元件和面陣探測(cè)器完成光譜掃描。利用線陣列探測(cè)器及其沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描。

帶面陣的成像光譜儀

另一種是用線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀，它利用點(diǎn)探測(cè)器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測(cè)器的不同元件上，通過(guò)點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動(dòng)以及沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描，而利用線探測(cè)器完成光譜掃描。

帶線針的成像光譜儀

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

成像光譜儀數(shù)據(jù)具有光譜分辨率極高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于數(shù)據(jù)量巨大，難以進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索和分析。為解決這一問(wèn)題，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，而且不能沿用常規(guī)少量波段遙感圖像的二維結(jié)構(gòu)表達(dá)方法。圖像立方體就是適應(yīng)成像光譜數(shù)據(jù)的表達(dá)而發(fā)展起來(lái)的一種新型的數(shù)據(jù)格式，它是類似撲克牌式的各光譜段圖像的疊合。立方體正面的圖像是一幅自己選擇的三個(gè)波段圖像合成，它是表示空間信息的二維圖像，在其下面則是單波段圖像疊合;位于立方體邊緣的信息表達(dá)了各單波段圖像最邊緣各像元的地物輻射亮度的編碼值或反射率，這種圖像表示形式亦稱為影像立方體。

從幾何角度來(lái)說(shuō)，成像光譜儀的成像方式與多光譜掃描儀相同，或與CCD線陣列傳感器相似，因此，在幾何處理時(shí)，可采用與多光譜掃描儀和CCD線陣列傳感器數(shù)據(jù)類似的方法。但目前，成像光譜儀只注重提高光譜分辨率，其空間分辨率卻較低(幾十甚至幾百米)。正是因?yàn)槌上窆庾V儀可以得到波段寬度很窄的多波段圖像數(shù)據(jù)，所以它多用于地物的光譜分析與識(shí)別上。特別是，由于目前成像光譜儀的工作波段為可見(jiàn)光、近紅外和短波紅外，因此對(duì)于特殊的礦產(chǎn)探測(cè)及海色調(diào)查是非常有效的，尤其是礦化蝕變巖在短波段具有診斷性光譜特征。

性能參數(shù)和原理

成像光譜儀主要性能參數(shù)是：(1)噪聲等效反射率差(NEΔp )，體現(xiàn)為信噪比(SNR);(2)瞬時(shí)視場(chǎng)角(IFOV)，體現(xiàn)為地面分辨率;(3)光譜分辨率，直觀地表現(xiàn)為波段多少和波段譜寬。

高光譜分辨率遙感信息分析處理，集中于光譜維上進(jìn)行圖像信息的展開(kāi)和定量分析，其圖像處理模式的關(guān)鍵技術(shù)有：⑴超多維光譜圖像信息的顯示，如圖像立方體的生成;⑵光譜重建，即成像光譜數(shù)據(jù)的定標(biāo)、定量化和大氣糾正模型與算法，依此實(shí)現(xiàn)成像光譜信息的圖像-光譜轉(zhuǎn)換;⑶光譜編碼，尤其指光譜吸收位置、深度、對(duì)稱性等光譜特征參數(shù)的算法;⑷基于光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的地物光譜匹配識(shí)別算法;⑸混合光譜分解模型;⑹基于光譜模型的地表生物物理化學(xué)過(guò)程與參數(shù)的識(shí)別和反演算法。

高端的成像光譜儀采用了透射型體相全息衍射光柵，其在可見(jiàn)光到近紅外波段具有低雜散光、低吸收率特點(diǎn);由于核心部分密封在玻璃或其它透明材質(zhì)中，因此壽命長(zhǎng)、容易清潔、抗刮檫，非常適合各種苛刻的野外的應(yīng)用環(huán)境。

成像光譜儀工作方式主要為推掃式，為了實(shí)現(xiàn)掃描過(guò)程，一般利用外接掃描平臺(tái)帶動(dòng)光譜儀運(yùn)行;由于掃描平臺(tái)比較笨重，且增加了耗電量，給野外工作帶來(lái)諸多不便，所以現(xiàn)在最新型的成像光譜儀取消了掃描平臺(tái)，改為內(nèi)置式掃描設(shè)計(jì)，減輕了整機(jī)重量和能耗，而且可以直接進(jìn)行垂直向下測(cè)量，更利于野外使用。

IsoPlane-320上再次得到展現(xiàn)，它獨(dú)特的零像差光學(xué)設(shè)計(jì)讓圖像和光譜的分辨率大幅度提高，同時(shí)還擁有更強(qiáng)的光通量。其分辨率可以媲美1/2米焦長(zhǎng)的光譜儀，卻是其光通量的兩倍，使得IsoPlane成為高要求低光實(shí)驗(yàn)中理想的選擇。

IsoPlane-160用非常小巧的設(shè)計(jì)達(dá)到了1/3米焦長(zhǎng)光譜儀才能達(dá)到的分辨率。它 f/3.88的光學(xué)設(shè)計(jì)提高了分辨率，不僅是光譜應(yīng)用，也是顯微光譜儀的理想選擇。

光學(xué)設(shè)計(jì)將象差降低到零，與普通光譜儀相比，大幅度的提高了空間分辨和光譜分辨率。大口徑的光學(xué)設(shè)計(jì)以及可以更換的三光柵塔輪，滿足了客戶從紫外到近紅外的或高或低分辨率的光譜探測(cè)需求。

應(yīng)用

高光譜分辨率成像光譜遙感起源于地質(zhì)礦物識(shí)別填圖研究，逐漸擴(kuò)展為植被生態(tài)、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大氣的研究中。

成像光譜儀在高光譜測(cè)量的基礎(chǔ)上，具有圖譜合一的優(yōu)勢(shì)，可以精確到葉片一個(gè)點(diǎn)去探測(cè)作物不同脅迫癥狀的特征，又可獲取受脅迫作物面狀的光譜信息，點(diǎn)面結(jié)合綜合地反映作物遭受脅迫的程度。所以，成像高光譜已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，學(xué)者們利用高光譜成像技術(shù)定量化地提取作物所遭受的各種脅迫特征，根據(jù)高分辨率的圖像對(duì)葉片及葉片的局部區(qū)域進(jìn)行分析，從而在更加微觀的尺度上進(jìn)行機(jī)理探測(cè)研究。

正是因?yàn)槌上窆庾V儀可以得到波段寬度很窄的多波段圖像數(shù)據(jù)，所以它多用于地物的光譜分析與識(shí)別上。特別是，由于成像光譜儀的工作波段為可見(jiàn)光、近紅外、短波紅外，因此對(duì)于特殊的礦產(chǎn)探測(cè)及海色調(diào)查是非常有效的，尤其是礦化蝕變巖在短波段具有診斷性和光譜特性。

審核編輯：湯梓紅