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(lái)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(píng)價(jià)指標(biāo)，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(gè)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(lái)。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(duì)被觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行成像，其光譜分辨率通常高達(dá)nm數(shù)量級(jí)，光譜波段數(shù)量通常多達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千，光譜波段覆蓋范圍則通常為可見(jiàn)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(shí)獲取每1個(gè)像元所對(duì)應(yīng)地物的光譜信息，即在超光譜圖像中每1個(gè)像元均對(duì)應(yīng)了1條準(zhǔn)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(duì)同一觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行成像所獲得的空間與光譜信息對(duì)比時(shí)。超光譜圖像中每1個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的光譜曲線均可視為該像元所對(duì)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(duì)地物進(jìn)行識(shí)別能力上質(zhì)的飛躍。中國(guó)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(shuō)是一個(gè)概念上和技術(shù)上的創(chuàng)新”。

多光譜相機(jī)有其特有的指標(biāo)參數(shù)，其中，空間分辨率是指相機(jī)能分辨目標(biāo)的能力，通常用焦面上1mm內(nèi)能區(qū)分開來(lái)的線對(duì)數(shù)來(lái)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(biāo)物體的各種細(xì)節(jié)特征。根據(jù)多光譜相機(jī)的使用情況、使用地點(diǎn)不同以及實(shí)際情況需求，不同場(chǎng)合下應(yīng)該選用擁有不同空間分辨率的多光譜相機(jī)，由于這種分辨能力實(shí)質(zhì)上是相機(jī)瞬時(shí)視場(chǎng)時(shí)所對(duì)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(lái)的新型探測(cè)識(shí)別技術(shù)，從20世紀(jì)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(chǎng)革命，很多在多光譜遙感中不可探測(cè)的物質(zhì)，在超光譜遙感中都能被識(shí)別[1].超光譜遙感從多光譜遙感發(fā)展而來(lái)，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(lái)說(shuō)，多光譜遙感約為10-1λ（λ為工作波段的波長(zhǎng)），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(jiàn)光、近紅外以及熱紅外波段。在可見(jiàn)光、近紅外波段，地物以反射太陽(yáng)能量為主，可以通過(guò)其反射特征光譜的分析來(lái)識(shí)別目標(biāo)；在熱紅外波段，地物輻射能量以自身的熱輻射為主，目標(biāo)的發(fā)射率和輻射溫度是最主要的識(shí)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(diǎn)。首先，超光譜的工作波段多、寬度窄、識(shí)別能力強(qiáng)。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(shí)別出來(lái)。過(guò)去定性、半定量遙感開始進(jìn)入定量遙感時(shí)代。其次，超光譜在成像的同時(shí)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(diǎn)。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(jiàn)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(gè)波段同時(shí)對(duì)目標(biāo)成像，每個(gè)波段成1幅二維空間圖像，可形成由多個(gè)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(diǎn)有：a）光譜響應(yīng)范圍廣，光譜分辨率高，識(shí)別能力強(qiáng)。高成像光譜儀響應(yīng)的電磁波長(zhǎng)從可見(jiàn)光至近紅外，甚至到中紅外，光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)。b）光譜信息與圖像信息有機(jī)結(jié)合。在超光譜成像數(shù)據(jù)中，每個(gè)像元對(duì)應(yīng)1條光譜曲線，整個(gè)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(qiáng)。

超光譜成像的上述特點(diǎn)，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(shì)。研究表明，許多地表目標(biāo)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(biāo)，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(wú)法探測(cè)這些有診斷性光譜吸收特征的目標(biāo)。超光譜成像儀能在連續(xù)光譜段上對(duì)同一目標(biāo)同時(shí)成像，可直接反映被觀測(cè)物體的光譜特征，甚至物體表面物質(zhì)的成分，使目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別能力顯著提高，且目標(biāo)的探測(cè)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(guò)測(cè)出的光譜特征曲線，來(lái)反演出對(duì)應(yīng)每一個(gè)像素的目標(biāo)物組成成分，從而區(qū)分自然背景與軍事目標(biāo)的差別，并判斷出目標(biāo)的性質(zhì)和種類.利用機(jī)載或星載超光譜成像儀在太陽(yáng)反射光譜區(qū)（0.35～2.5μm，可見(jiàn)光、近紅外）對(duì)指定地域獲取景物及目標(biāo)的精細(xì)光譜圖，然后進(jìn)行光譜圖的檢測(cè)分析。超光譜圖像偽裝檢測(cè)的技術(shù)核心是模式識(shí)別，它對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)包括形態(tài)信息和光譜信息兩部分，其中光譜信號(hào)匹配是最重要的部分。超光譜圖像中每一個(gè)像素的光譜信號(hào)都將被拿來(lái)與自然背景光譜中光譜信號(hào)進(jìn)行匹配，從復(fù)雜的背景中檢測(cè)出目標(biāo).光譜信號(hào)匹配的準(zhǔn)確度直接決定系統(tǒng)是否會(huì)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(shí)時(shí)性要求.在軍事偵察中，最重要的是能實(shí)時(shí)處理和準(zhǔn)確判定目標(biāo)，對(duì)于在建立了背景光譜庫(kù)的同時(shí)，也建立了目標(biāo)光譜庫(kù)的，就能進(jìn)一步利用目標(biāo)的光譜信息連同目標(biāo)形態(tài)信息，同步進(jìn)行目標(biāo)光譜匹配與形態(tài)匹配，則可識(shí)別出目標(biāo)究竟為哪一類目標(biāo)（飛機(jī)，導(dǎo)彈，戰(zhàn)車等），并能滿足實(shí)時(shí)性要求.已開展了建立目標(biāo)和背景特征光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的研究.美國(guó)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(kù)，包括光譜數(shù)據(jù)在內(nèi)的幾十種參數(shù)。我國(guó)已建立的地物（背景）光譜庫(kù)包含有500～600多種地物種類，15026條光譜曲線。