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高光谱,多光谱及超光谱

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1、光谱分辨率

光谱分辨率spectral resolution

定义1：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。遥感器的波

段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。

定义2：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。

光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，

现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自

动区分和识别目标性质和组成成分的能力。

传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。

举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比

只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。

一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分

和识别，针对性越强。

2、什么是高光谱，多光谱及超光谱

高光谱成像是新一代光电检测技术，兴起于2O世纪8O年代，目前仍在迅猛

发展巾。高光谱成像是相对多光谱成像而言，通过高光谱成像方法获得的高光谱

图像与通过多光谱成像获取的多光谱图像相比具有更丰富的图像和光谱信息。如

果根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类，光谱成像技术一般可分成3类。

(1)多光谱成像——光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这

样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。 (2)高光谱成像—— 光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．01mm数量级，

这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm

级。 (3)超光谱成像—— 光谱分辨率在delta_lambda/lambda =O．001mm=1nm数

量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。

众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到

被测物体的物理结构、化学成分等指标。光谱评价是基于点测量，而图像测量是

基于空间特性变化，两者各有其优缺点。因此，可以说光谱成像技术是光谱分析技术和图像分析技术发展的必然结果，是二者完美结合的产物。光谱成像技术不

仅具有光谱分辨能力，还具有图像分辨能力，利用光谱成像技术不仅可以对待检

测物体进行定性和定量分析，而且还能进对其进行定位分析。

高光谱成像系统的主要工作部件是成像光谱仪，它是一种新型传感器，2O

世纪8O年代初正式开始研制，研制这类仪器的目的是为获取大量窄波段连续光

谱图像数据，使每个像元具有几乎连续的光谱数据。它是一系列光波波长处的光

学图像，通常包含数十到数百个波段，光谱分辨率一般为1～l0nm。由于高光谱

成像所获得的高光谱图像能对图像中的每个像素提供一条几乎连续的光谱曲线，

其在待测物上获得空间信息的同时又能获得比多光谱更为丰富光谱数据信息，这

些数据信息可用来生成复杂模型，来进行判别、分类、识别图像中的材料。

通过高光谱成像获取待测物的高光谱图像包含了待测物的丰富的空间、光谱

和辐射三重信息。这些信息不仅表现了地物空间分布的影像特征，同时也可能以

其中某一像元或像元组为目标获取它们的辐射强度以及光谱特征。影像、辐射与

光谱是高光谱图像中的3个重要特征，这3个特征的有机结合就是高光谱图像。

高光谱图像数据为数据立方体(cube)。通常图像像素的横坐标和纵坐标分别

用x和Y来表示，光谱的波长信息以(Z即轴)表示。该数据立方体由沿着光谱轴

的以一定光谱分辨率间隔的连续二维图像组成。(Z轴的每一层对应一定窄带波长

的光谱图像)。

3、多光谱、高光谱、超光谱辨识

一．技术历史背景

早在20世纪60年代（1960s）人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料

时，成像就成为研究地球的有利工具。在传统的成像技术中，人们就知道黑白图

像的灰度级别代表了光学特性的差异因而可用于辨别不同的材料，在此基础上，

成像技术有了更高的发展，对地球成像时，选择一些颜色的滤波片成像对于提高

对特殊农作物、研究大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早

的多光谱技术（Multispectral imaging）它最早出现在LandSat卫星上。这些最早

的星载图像传感器（例如，LandSat卫星上的Thematic Mapper和法国SPOT卫星

上的相机）以离散的几种颜色（或者几个波段）对地球成像，就是人们常说的多

光谱成像。

既然多光谱成像（Multispectral Imaging）仅仅以几个连续的光谱波带成像对

于我们研究环境就如此有用，为什么不把波带数拓展更多，把光谱分辨率拓展更

细呢？因此，用于遥感目的的高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）在20世

纪80年代初期诞生了，它最早是机载的成像光谱仪（Airborne Imaging Spectrometer），如今已拓展到先进的可见和红外成像光谱仪（AVIRIS），这两种

最早都诞生在NASA的JPL中心（NASA：美国国家航天航空管理局）。

从多光谱到高光谱遥感技术的前进也需要仪器的发展。虽然对地球成像而言

七个非连续的波段称不上什么光谱成像技术，但是如果使用200个连续的波段，

每个波段的光谱分辨率在10nm左右，谁都不会否认这是光谱成像技术。而且人

类对更好更高的追求从来都没停止过，现在光谱成像技术已经发展到超光谱时代

（Ultraspectral Imaging），比如，它使用的是空间发射光谱仪（Atmospheric Emission Spectrometer， AES）， 这个超光谱成像仪在红外波段就能产生数千个

波带，分辨率高达1nm。

全球第一个星载高光谱成像器于1997年在NASA随着Lewis卫星发射升空，

它包含了384个波段涵盖了400-2500nm波段，不幸的是这颗卫星控制出现问题，

失去了动力，升空一个月后就偏离了轨道。随后，一些实验性的机载高光谱成像

器在NASA的DOD（Department of Defense）得到了重点研发，这些机载的高光

谱成像系统涵盖了VNIR/SWIR和MLIR(3-5微米），LWIR（又称热红外相机，适应

波段8-12微米）。

目前，成像光谱技术已经走出了最初的军事应用的局限，在国土资源调查，

精准农业生产和研究，农作物分选和检测等多种应用领域发挥不可替代的作用。

基于成像光谱技术波长范围为400-1000nm, 900-1700nm, 1100-2500nm, 3000-15000nm的各种成像光谱仪和高光谱成像器也应运而生。但是由于军事应

用的潜在性依然存在，国外先进成像光谱仪国家对成像光谱仪的对华出口管制非

常严格，例如，红外成像光谱仪是百分之百对华禁运，其他波段的成像光谱仪也

需要我国用户提供商务部签发的“End User and End Use Statement” ，但是，尽

管如此，能否进口到中国来依然存在许多变数。

为什么国外多这种技术对华如此高级别地限制，高光谱技术到底“高”在那

些方面，高光谱成像光谱仪如何实现高光谱数据的获取？针对诸多技术细节，天

津菲林斯光电仪器公司作为国内专业的成像光谱技术提供者，发挥专业技术优势，

从纯技术的角度为广大用户和读者提供一份绝密级别的内部参考资料，这份资料

仅供广大用户之间阅读参考，切勿随意散发。

二．技术综述

成像光谱（高光谱）数据是图谱合一的海量数据源，它同时包含了图像信息

和光谱信息，能够给出各个波段上每个像素的光谱强度数据，而且光谱分辨率很

高，这样，这种数据在一些对光谱和图像和光谱分辨率要求较高的领域就显示出

无可替代的作用。例如，矿产探测，高光谱数据由于较高的光谱分辨率就可以帮

助人们通过光谱分析的的办法找到一些隐蔽性极强的稀有矿产，而在以前，普通的光谱技术是无法发现这些矿产的。

高光谱成像的数据是一叠连续多个波段成像获得的景色或样品的图像，就是

俗称的图像立方体（Image cube）。这个图像立方具有两个空间维度（X和Y），

第三维为每个像素的波长或辐射强度。

那么，如何获得这种价值连城的高光谱图像立方体呢？它是通过成像光谱仪

获取的，但是成像光谱仪（或高光谱成像系统）本身是一种获取图像的传感器，

它获取的只是光谱信息，一般地，成像光谱仪器及其配套软件是不提供该图像立

方体的显示功能的，您需要把成像光谱仪获取的数据导入到ENVI软件中才能显

出如此漂亮的图片资料。

在深入该话题的探讨之前，我们首先明确高光谱遥感的三个空间级别：

航天级别：星载遥感（planet-borne）距离地面150公里以上。这是一种典型

的高光谱遥感应用，也是高光谱技术（成像光谱技术）的最初应用，它是把成像

光谱仪安装于卫星上，对地球目标进行高光谱遥感探测。工作距离通常是几万公

里以上，我国的神舟七号飞船就成安装类似的成像光谱仪。使用的成像光谱仪非

常庞大，每次实验的费用非常巨大。

航空级别：机载遥感（Airborne）距离地面100-到十多公里的距离。使用小

型飞机或无人机作为光谱仪的搭载平台，是目前主要的遥感成像工作方法。它使

用的成像光谱仪体积小。但是要获得比较好的实验结果并不容易，需要精确的GPS和惯导定位，高性能的计算机和高频率的拍摄速度。

地面级别：这种应用的主要领域是地面或高度不高于50m的空间成像。它不

再是像前两种那样动态的成像，而是通常静态成像，比较常见的是农业应用和实

验室高光谱成像。但是也有把推扫式成像光谱仪放置在地面，配备旋转位移台或

线形位移台，以产生两种效果：成像光谱仪运动而待测物目标静止，或者成像光

谱仪静止而待测目标运动的效果。

目前,实际科研过程中,常用的是航空级别(动态成像)和地面级别的高光谱遥

感成像(静态成像)。现在，可以这样认为：动态的测量应用就需要使用推扫式成

像方式获取图像，静态测量应用需要使用波长扫描式获取高光谱图像。这两者有

何区别呢？下图将有利于您理解该问题。

4、

众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到

被测物体的物理结构、化学成分等指标。光谱评价是基于点测量，而图像测量是

基于空间特性变化，两者各有其优缺点。因此，可以说光谱成像技术是光谱分析

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光谱成像技术的分类

光谱成像技术的分类

光谱成像技术的分类

光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉 涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时 获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。

光谱成像技术发展到今天，出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规

模，因而可以从光谱分辨率、信息获取方式(扫描方式)、分光原理和重构理论 等不同的视角对光谱成像技术进行分类。

1基于光谱分辨率分类

光谱成像技术针对光谱分辨能力的不同，可分为多光谱 (Multi-spectral)，高 光谱(Hyper- spectral)以及超光谱(Ultra-spectral)。多光谱的谱段数一般只有几十个，

高光谱的谱段数可达到几百个，而超光谱一般指谱段数上千个。它们的区别如表 1所示。

表1多、高、超光谱的比较

分类 分辨率 通道数 光谱 典型例子

多光谱

(Multi-spectral) -1 、

10入

量级 5— 30

ETM+

ASTER

高光谱

(Hyper-spectral) 10-2 入

量级 100 —

200

AVIRIS

超光谱

(Ultra-spectral) 10-3 入

量级 1000—

10000

GIFTS

2基于信息获取方式分类

光谱成像仪需要对三维“数据立方”进行探测，而现今的探测器最多能进行 二维探测。要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱 扫描。光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有：挥扫式 （Whiskbroom ）、推扫

式（Pushbroom）凝视式（Staring）以及快照式（Snapshot^

挥扫式成像光谱仪的光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测， 通过沿轨 和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其信息获取方式如图 1a所示。

AVIRIS就是通过挥扫成像⑴。

推扫式光谱成像系统探测空间中一维线视场（图1b中的X方向）的光谱，通

高光谱,多光谱及超光谱

高光谱,多光谱及超光谱

1、光谱分辨率

光谱分辨率spectral resolution

定义1：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。遥感器的波

段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。

定义2：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。

光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，

现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自

动区分和识别目标性质和组成成分的能力。

传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。

举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比

只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。

一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分

和识别，针对性越强。

2、什么是高光谱，多光谱及超光谱

高光谱成像是新一代光电检测技术，兴起于2O世纪8O年代，目前仍在迅猛

发展巾。高光谱成像是相对多光谱成像而言，通过高光谱成像方法获得的高光谱

图像与通过多光谱成像获取的多光谱图像相比具有更丰富的图像和光谱信息。如

果根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类，光谱成像技术一般可分成3类。

(1)多光谱成像——光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这

样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。 (2)高光谱成像—— 光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．01mm数量级，

这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm

级。 (3)超光谱成像—— 光谱分辨率在delta_lambda/lambda =O．001mm=1nm数

量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。

众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到

被测物体的物理结构、化学成分等指标。光谱评价是基于点测量，而图像测量是

多光谱图像

多光谱图像

多光谱图像

图像理解是在数字图像处理、计算机技术和人工智能不断发展的基础上产生的一种模拟人的图像识别机理的理论，它与计算机视觉理论有许多共同的部分，或者说有许多交叉的部分，它与人工智能、专家系统也有着一些共同的地方。

图像理解主要包括三个层次，其低层为一般图像处理；中层为图像中特征的符号化组织过程；高层为抽象的符号推理。因此，计算机视觉主要与其低层，人工智能主要与其高层产生重叠。目前，就图像理解这一理论的研究探讨有了专门的期刊；有关大学设置了专门的课程；有关专家学者写了专著。比如国防科技大学的王润生教授就系统地介绍和总结了图像理解的基本理论、方法和国内外研究现状等〔1〕。这一方面的基础理论和方法引起了有关学者和科研人员的注意和浓厚兴趣，他们结合自己的工作领域，进行了更深入的研究。应当说，有关的理论和方法已经被极大地丰富了。比如，有关图像纹理分析这方面的论文、论著数不胜数，其中，有关新理论新方法(如分形分维方法)的应用，更为这一理论注入了新内容；再如，我国数字摄影测量界已经将“双目”图像的分析理论和方法推向了具有世界先进水平的境界。

尽管如此，图像理解的理论与方法仍有严重不足之处。这并不是指这一理论尚未成熟，而是指它的理论与方法还存在着片面性，还没有成为一个完整的体系。因为图像理解的对象是各类图像，并没有限定是某一类图像，那么，现在的问题就是遥感图像理解(主要是多光谱图像理解)的理论十分贫乏。以人类生存环境及地球资源为主要研究目标获取的各种遥感图像已经得到越来越广泛的应用，丰富的光谱信息及其在时间空间域的分辨率的提高，配合着地理信息系统技术，全球定位系统技术和因特网技术的发展和普及，为图像信息的广泛应用创造了空前繁荣的局面，成为信息时代的显著特征，在信息高速公路和数字地球战略中占据着极其重要的地位。然而，现有的图像理解理论和方法在如此丰富的信息面前却显得苍白无力。应当说，面对丰富的遥感信息，人们一直在研究如何处理和应用，有关这方面的理论和方法的研究成果也是不少的，但似乎并没有从图像理解的角度加以总结、提练，有的方面甚至缺乏系统的研究。如对于多光谱图像边缘提取、区域分割等应以什么理论为基础，应采取什么方法；在纹理分析方面，多光谱图像的纹理具有怎样的意义，或者多光谱图像的纹理概念是什么，需要采取什么方法进行分析；时序多光谱图像又应当采取什么分析方法；针对多光谱图像的符号化工作应当如何进行，在此基础上如何利用知识进行推断，如何在模拟人的思维模式方面更深入地开展研究，等等，这些都是应当考虑的问题。这些问题在图像理解的理论与方法之中尚没有或很少有现成的答案。应该承认，对上述一些问题已有一些研究，至少我们自己就已经在一些方面作了初步的研究，但这些研究还不够，研究的成果还未加以总结。

什么是高光谱解析

什么是高光谱解析

什么是高光谱,多光谱,超光谱

作者：felles 提交日期：2010-4-26 8:16:00 | 分类:高光谱 | 访问量：196

到底什么是高光谱，多光谱和超光谱技术2009-11-18 13:53多光谱，高光谱和高光谱技术都被称为成像光谱技术，在遥感和其他科研领域具有举足轻重的作用。

多年来，我一直对这种技术理解不深，很多人说什么多光谱，甚至是超光谱，多光谱技术实际上是高光谱技术的原始阶段，几乎被淘汰了。而有些人说的超光谱实际上还在美国研发，根本没有进入到市面上，也就说诸多同仁对成像光谱技术也是糊里糊涂。今日，我在一个网站上发现了对这种技术的解释 ， 我认为从专业角度来说，他们说的还比较靠谱。对于科研确实有一定的帮助。我在这里吧相关资料拷贝过来供大家欣赏。

成像光谱技术（高光谱成像技术）基础

Imaging Spectrometer Fundamentals

说明：1.下文所属的成像光谱仪又叫高光谱成像系统，而且同一个概念。

2.该资料为天津菲林斯光电仪器公司 编写，仅作成像光谱技术的内部交流之用，禁止一切形式的侵权传播或引用行为。

一． 技术历史背景

在现代科研过程中, 多数情况下必须对空间不均匀样品的分布特性加以分析和确认，使用传统的光谱仪仅仅能够以聚焦的镜头扫描样品或者获得整个样品的平均特性，这种光谱和空间信息不可兼得的局限性促使高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）应用而生。

早在20世纪60年代（1960s）人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料时，成像就成为研究地球的有利工具。在传统的成像技术中，人们就知道黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异因而可用于辨别不同的材料，在此基础上，成像技术有了更高的发展，对地球成像时，选择一些颜色的滤波片成像对于提高对特殊农作物、研究大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早的多光谱技术（Multispectral imaging）它最早出现在LandSat卫星上。这些最早的星载图像传感器（例如，LandSat卫星上的Thematic Mapper和法国SPOT卫星上的相机）以离散的几种颜色（或者几个波段）对地球成像，就是人们常说的多光谱成像。