圖像是人類(lèi)感知世界的重要方式，而傳統(tǒng)的圖像僅能提供有限的信息，如形狀、顏色和紋理等。隨著高光譜相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高光譜圖像應(yīng)運(yùn)而生，它能夠捕捉物體在不同波長(zhǎng)下的電磁波輻射，從而提供更多的信息。

一、高光譜圖像基本概念

高光譜遙感(Hyperspectral remote sensing) 是將成像技術(shù)和光譜技術(shù)相結(jié)合的多維信息獲取技術(shù),同時(shí)探測(cè)目標(biāo)的二維集合空間與一維光譜信息,獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段圖像數(shù)據(jù)。

高光譜圖像（Hyperspectral image）**不僅包含了圖像信息，而且可以在光譜維度(101以?xún)?nèi))進(jìn)行展開(kāi)；不僅可以獲得圖像每個(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，而且可以獲得任意一個(gè)譜段的圖像信息。二維的圖像，一維的譜段。

高光譜圖像

所謂高光譜圖像就是在光譜的維度進(jìn)行了細(xì)致的分割，不僅僅是傳統(tǒng)的黑，白，或者R、G、B的區(qū)別，而是在光譜維度上也有N個(gè)通道，例如：我們可以把400nm-1000nm分為300個(gè)通道，一次，通過(guò)高光譜設(shè)備獲取的是一個(gè)數(shù)據(jù)立方，不僅有圖像的信息，并且在光譜維度上進(jìn)行展開(kāi)，結(jié)果不僅可以獲得圖像上每個(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，還可以獲得任意一個(gè)譜段的影像信息。

高光譜成像技術(shù)是基于非常多的窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，它將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，探測(cè)目標(biāo)的二維幾何空間和光譜信息，獲取高分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)。

高光譜成像原理

以光柵色分光原理為例：

在經(jīng)典物理學(xué)中，光波穿過(guò)狹縫、小孔或者圓盤(pán)之類(lèi)的障礙物時(shí)，不同波長(zhǎng)的光會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過(guò)光柵進(jìn)行衍射分光，形成一條條譜帶。也就是說(shuō)：空間中的一維信息通過(guò)鏡頭和狹縫后，不同波長(zhǎng)的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個(gè)點(diǎn)，再通過(guò)光柵進(jìn)行衍射分光，形成一個(gè)譜帶，照射到探測(cè)器上，探測(cè)器上的每個(gè)像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)譜段，一條線就對(duì)應(yīng)一個(gè)譜面，因此探測(cè)器每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過(guò)機(jī)械推掃，完成整個(gè)平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式：

三維數(shù)據(jù)中每一個(gè)像素，從光譜維這個(gè)角度來(lái)看，可以看成一種物質(zhì)在不同波段光譜信號(hào)下的表現(xiàn)，如下圖中的土壤、水體、植被等。

二、高光譜圖像分類(lèi)的基本原理

不同物質(zhì)在不同波段光譜信息下具有不同的表現(xiàn)。對(duì)于某一物質(zhì)，不同的光譜波長(zhǎng)，可能對(duì)應(yīng)有不同的值(如上圖所示)，可以繪制一條關(guān)于光譜波長(zhǎng)與光譜值間的關(guān)系曲線。根據(jù)曲線的不同，對(duì)高光譜圖像的物質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。

三、高光譜圖像如何獲?。?/span>

高光譜圖像并非普通的二維圖像，而是一種三維數(shù)據(jù)。

如下圖所示：

1.成像原理：星載光譜成像儀會(huì)在沿著軌道飛信時(shí)，對(duì)地表發(fā)出不同波段的光譜信號(hào)。而地表不同物質(zhì)對(duì)每一個(gè)波段的光譜信號(hào)的吸收率和反射率都不同，所以星載光譜成像儀根據(jù)地表所有物質(zhì)對(duì)每一個(gè)波段的光譜的不同反饋信號(hào)，可以繪出一副地表的二維圖像，加上其他的波段的二維圖像，我們就獲得了一個(gè)三維數(shù)據(jù)。

注意：圖中這個(gè)三維數(shù)據(jù)的每一層對(duì)應(yīng)一個(gè)波段的光譜信號(hào)。

2.數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式：三維數(shù)據(jù)中每一個(gè)像素，從光譜維這個(gè)角度來(lái)看，可以看成一種物質(zhì)在不同波段光譜信號(hào)下的表現(xiàn)，如下圖中的土壤、水體、植被等。

3.分類(lèi)原理：不同物質(zhì)在不同波段光譜信號(hào)下的不同表現(xiàn)，可以繪制成一條關(guān)于光譜波段和光譜值之間的曲線，根據(jù)曲線的差異，我們可以高光譜圖像中不同物質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。分類(lèi)方法有很多，如SVM、稀疏表示。下篇博客將以介紹稀疏表示。

四、高光譜圖像的作用

物質(zhì)識(shí)別：高光譜圖像能夠提供物體在不同波長(zhǎng)下的輻射信息，通過(guò)對(duì)這些信息的分析，可以識(shí)別物體的材料和化學(xué)成分。這在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重要意義。

環(huán)境監(jiān)測(cè)：高光譜圖像可以用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)水體污染、大氣污染等。通過(guò)對(duì)污染源的識(shí)別和分析，有助于制定相應(yīng)的治理措施。

生物醫(yī)學(xué)：高光譜圖像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如皮膚癌檢測(cè)、血液分析等。通過(guò)對(duì)人體組織的高光譜成像分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期診斷和精確治療。

地質(zhì)勘探：高光譜圖像在地質(zhì)勘探領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，如礦產(chǎn)資源勘查、地形地貌分析等。通過(guò)對(duì)地質(zhì)物體的高光譜成像分析，可以更好地理解地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程。

五、高光譜圖像的應(yīng)用領(lǐng)域

環(huán)境科學(xué)：環(huán)境科學(xué)家利用高光譜圖像監(jiān)測(cè)環(huán)境污染，分析污染源的成分和分布情況，為環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

生物醫(yī)學(xué)：醫(yī)生和研究人員利用高光譜圖像進(jìn)行疾病診斷和治療，如皮膚癌檢測(cè)、血液分析等。

地質(zhì)勘探：地質(zhì)學(xué)家利用高光譜圖像勘查礦產(chǎn)資源，分析地形地貌，為地質(zhì)研究和勘探提供支持。

農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)：農(nóng)業(yè)科學(xué)家利用高光譜圖像監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況，分析土壤養(yǎng)分含量和分布情況，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

六、高光譜圖像的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

提高成像分辨率：未來(lái)的高光譜圖像技術(shù)將不斷提高成像分辨率，從而更好地揭示物體的細(xì)節(jié)信息。

拓展應(yīng)用領(lǐng)域：高光譜圖像技術(shù)將逐漸拓展應(yīng)用領(lǐng)域，如軍事偵察、安全監(jiān)控等。

融合多光譜技術(shù)：未來(lái)的高光譜圖像技術(shù)將融合多光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多光譜和高光譜數(shù)據(jù)的協(xié)同分析，提高成像質(zhì)量和分析效果。

高光譜圖像作為一種新興的成像技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)價(jià)值。通過(guò)對(duì)物體在不同波長(zhǎng)下的電磁波輻射的捕捉和分析，高光譜圖像能夠揭示物體的細(xì)節(jié)和本質(zhì)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域提供有力的支持。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，高光譜圖像將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為人類(lèi)更好地認(rèn)識(shí)和保護(hù)地球環(huán)境提供有力支持。