超谱成像技术和产业调研报告

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1、超谱成像技术和产业调研报告1.整体概况1.1成像光谱技术成像光谱技术是遥感技术的重要发展趋势。它是在多光谱扫描型成像遥感器的基础上，于80年代初发展起来的一种新型遥感技术，第一台成像光谱仪ASI-1在美国加州理工学院喷气实验室(PJL)研制成功，并在矿物填图、植被化学、水色及大气水分等方面的研究中取得了成功。加拿大、澳大利亚、法国等也紧随其后，开展了仪器的研制和应用研究工作。成像光谱技术集光谱与成像为一体，具有获得高空间分辨率和光谱分辨率、多波段光谱图像的技术能力，即在获取地物空间分布信息的同时，对每一个像元形成一条地物光谱曲线，使研究人员可以利用地物光谱特征快速

2、、定量地分析、识别地物类型和确定物质性质。图1-1为成像光谱仪的原理示意图，成像光谱图像是三维立体图像，包括二维空间信息和一维光谱信息。每个谱段都对应一幅二维图像，相应的每一个像元也对应一条光谱曲线。根据像元的光谱曲线可以确定该像元处物体的特性。图中右侧的几条曲线分别表示了大气、农田、土地、水面的特征光谱曲线，可以看到不同物质的特征曲线相差很大。根据目标的光谱曲线可以对其进行识别和分类，许多物质在单波段的遥感图像中灰度值是一样的，无法区分，但在成像光谱图像中，可以根据光谱曲线的不同将其区分开来，这也是成像光谱技术的优势所在。图1-1成像光谱仪的原理示意图成像光谱图

3、像按照光谱通道数和光谱分辨率的不同，分为多光谱，超光谱（也称超谱），超高光谱三类，见表1-1。随着成像光谱技术的发展，光学遥感进入了超光谱遥感阶段。超光谱遥感技术作为对地观测技术的重大突破，其发展潜力是以往几个遥感技术的发展阶段所不可比拟的，航空超光谱遥感正日益显示出重要的实用价值，同时也将为航天超光谱遥感的发展奠定初步的技术基础。表1-1成像光谱图像的分类分类光谱分辨率Δλ/λ光谱通道数应用仪器举例多光谱0.110-20固体物质识别：气象，海洋，陆地分类，土地利用TM,MSS,HRV,MESSR,OPS超光谱（也称超谱）0.01100-200固体化学成分：水中悬

4、浮物质分析，农林地矿调查AVIRIS,HRIS,MODIS,MERIS超高光谱0.0011000-10000气体化学成分分析：大气微量气体分析ATMOS,TES,IMG,TOMS成像光谱仪的工作方式分为线阵列探测器摆扫方式工作和面阵列探测器推扫方式，而超光谱成像仪采用的是面阵列探测器推扫工作方式，下图是其工作原理图及光学原理图：图1-2面阵列探测器推扫方式工作的超光谱成像仪图1-3超光谱成像仪的光学原理图1.2超光谱成像探测每种物质在相同条件下都有反射、辐射电磁波的特性。照射到地面的太阳辐射能与地物相互作用产生反射、吸收和透射三个分量。对绝大多数地物而言，透射分量

5、很小，甚至为0，主要是反射和吸收。被吸收的部分能量经转化会再辐射出来。一种物质具有区别于其他物质的在光谱反射辐射方面的特征谱线区，这种特征谱线区根据物质的不同，可能在可见光区，也可能在微波区，也可能分布在两个或者两个以上区域。物理学的研究证实：凡是超过绝对温度0K的物体都具有电磁辐射性能，即自身都会发射电磁能量。处于常温(300K)条件下的地物，包括人体等，其辐射峰值的波长在9.66μm左右。也就是说这类物体主要辐射热红外线，只在热红外和远红外谱区发射一定的能量，而其他波段的辐射量都极其微弱，甚至趋于零。超光谱成像技术是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域

6、，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术，如图1-4所示。不同的电磁波段可以反映不同的地物特征。一般来说，可见光波段主要反映的是地物的颜色和亮度差异;近红外波段主要反映的是植被、氧化铁、勃土矿物及其他含OH+的矿物、碳酸盐和土壤湿度等特征;热红外波段除反映地面辐射温度，进而揭示地物的热性质外，还可以区分不同的硅酸盐矿物和岩石;雷达微波反映地面的粗糙程度和地物的介电性质，并揭示一定深度的地下地质特征。图1-4超光谱遥感的波普范围1.3超光谱遥感和多光谱遥感的区别与联系由于成像光谱系统获得的连续波段宽度一般在10mn以内，因此这种数据能以足够的光谱分辨率区分出那些具

7、有诊断性光谱特征的地表物质。这一点在地质矿物分类及成图上具有广阔的应用前景。而陆地卫星传感器，如MSS和TM，则无法探测出这些具有诊断性光谱吸收特征的物质，因为它们的波段宽度一般在100一200nm(远宽于诊断性光谱宽度)，且在光谱上不连续。相较于多光谱遥感，超光谱遥感的特点如下：1.高光谱分辨率一个TM波段内只记录一个数据点，而用AVIRIS记录这一波段范围内的光谱信息需用10个以上的数据点。这并不是简单的数据量的增加，而是信息量的增加，可增加十倍甚至数百倍。图1-5比较了超光谱数据(AVIRIS)与多光谱(TM)光谱曲线的差异，TM波段相对较宽且光谱不连续，而

8、AVIRI