前言
随着科学技术的发展，人们的感官得到了延伸，认识事物的能力也不断的提高，其中光谱成像和雷达成像成为其中的佼佼者，高谱和图像使人们能够在大千世界更好的认识到事物。高光谱成像技术作为一项优点显著，实用的成像技术，从20世纪80年代开始得到了世界各国的重视，经过深入的研究和发展如今已经被广泛地应用于各个领域。
高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域,它利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，它包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命,它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱遥感中能被探测。
高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，其中最突出的应用是在遥感探测领域，并在民用领域有着更大的应用前景。
本文通过分析介绍高光谱图像的成像原理，探讨了高光谱图像在国内外发展现状及其应用。
1.高光谱图像成像原理及特点
1.1高光谱遥感基本概念
高光谱遥感是通过高光谱传感器探测物体反射的电磁波而获得地物目标的空间和频谱数据，成立于20世纪初期的测谱学就是它的基础。高光谱遥感的出现使得许多使用宽波段无法探查到的物体，更加容易被探测到，所以高光谱遥感的出现时成功的是革命性的。
1.2高光谱图像成像原理
光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。
其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是象元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总想是各象元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。
1.3高光谱遥感的特点
（1）波段多且宽度窄能够使得高光谱遥感探测到别的宽波段无法探测到的物体。
（2）光谱响应范围更广和光谱分辨率高使得它能够更加精细的发硬出被探测物的微小特征。
（3）它可以提供空间域和光谱域信息也就是“谱像合一”。
（4）数据量大和信息冗余多，由于高光谱数据的波段多，其数据量大，而且和相邻波段的相关性比较高就使得信息冗余度增加很多。
（5）高光谱遥感的数据描述模型多能够分析的更灵活。经常使用的3种模型有：图像，光谱和特征模型。
1.4高光谱的优势
随着高光谱成像的光谱分辨率的提高，其探测能力也有所增强。因此，与全色和多光谱成像相比较，高光谱成像有以下显著优著:
(1)有着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像在经过光谱反射率重建后，能获取与被探测物近似的连续的光谱反射率曲线，与它的实测值相匹配，将实验室中被探测物光谱分析模型应用到成像过程中。
(2)对于地表覆盖的探测和识别能力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱
吸收特征的物质，能准确的区分地表植被覆盖类型，道路地面的材料等。
(3)地形要素分类识别方法是多种多样的。影像分类既可以采用如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机的模式识别方法，也可以采用基于被探测物的光谱数据库的光谱进行匹配的方法。分类识别特征是既可以采用光谱诊断特征，也可以采用特征选择与提取。
(4)地形要素的定量和半定量分类识别将成为可能。在高光谱影像中能估计出多种被探测物的状态参量，大大的提高了成像高定量分析的精度和可靠性。
2.高光谱成像的发展
2.1在国内的发展
上世纪80年代初、中期，在国家科技攻关项目和863计划的支持下，我国亦开展了高光谱成像技术的独立发展计划。我国高光谱仪的发展，经历了从多波段到成像光谱扫描，从光学机械扫描到面阵推扫的发展过程。
根据我国的使用情况先后开发出了满足海洋环境监测和森林探火的需求的以红外和紫外波段以及以中波和长波红外为主体的航空专用扫描仪，满足地质矿产资源勘探方面的短波红外光谱区间（2.0－2.5 mm）的6—8波段细分红外光谱扫描仪（FIMS）和工作波段在8－12mm光谱范围的航空热红外多光谱扫描仪（ATIMS）。
在此以后我国又自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪（PHI）和实用型模块化成像光谱仪（OMIS）等并得到国内外的多次应用，这些新的成像光谱系统不仅在地质和固体地球领域研究中发挥巨大的作用，在生物地球化学效应、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面也都有很好的结果。
2002年3月在我国载人航天计划中发射的第三艘试验飞船“神舟三号”中，搭载了一台我国自行研制的中分辨率成像光谱仪。
2007年10月24日我国发射的“嫦娥-1”探月卫星上，成像光谱仪也作为一种主要载荷进入月球轨道。这是我国的第一台基于富里叶变换的航天干涉成像光谱仪，它具有光谱分辨率高的特点。
2008年发射的环境与减灾小卫星（HJ-1）星座中，也搭载一台工作在可见光—近红外光谱区（0.45—0.95μm）、具有128个波段、光谱分辨率优于5nm的高光谱成像仪。
高光谱成像仪是天宫一号搭载的有效载荷之一。在轨运行期间，利用多个应用单位由他的“火眼金睛”开展了地质矿产和油气资源勘查、森林水文生态监测、环境污染监测分析等都取得了丰硕的成果。
2011年9月29日21时16分3秒在酒泉卫星发射中心发射的天宫一号携带了我国最新研究出的高光谱成像仪。新的高光谱成像仪由中科院长春精密机械与物理研究所以及上海技术物理研究所共同研制的，是目前我国空间分辨率和光谱综合指标最高的空间光谱成像设备，在空间分辨率、波段范围，数目以及地物分类等方面达到国际同类遥感器先进水平。
“在天宫一号目标飞行器上安排高光谱遥感对地观测，主要是利用高光谱成像仪‘图谱合一’的特点以及在地表覆盖识别能力、蕴含地物光谱信息等方面优势，有针对性开展研究。”载人航天工程空间应用系统副总设计师张善从介绍说。在林业方面，高光谱成像仪在森林覆盖制图与变化监测
方面有广阔的应用前景。由于空间遥感可以获得较大范围的数据，因此利用遥感数据可较好地估算森林的生物量和碳储量。高光谱成像仪在森林防火中发挥着重要作用。目前我国森林防火主要应用的是中低空间分辨率、高时间分辨率的卫星数据，对于较大面积火场非常敏感，但对燃烧初期的明火通常较难探测到。天宫一号高光谱成像仪可同时获取不同波谱范围的数据，更好地满足我国森林防火预警扑救的需求。
海洋遥感是２０世纪后期海洋科学取得重大进展的关键技术之一。国家卫星海洋应用中心对天宫一号高光谱遥感数据进行解译、信息提取，用于海岸带信息与海冰信息监测，同时针对土地利用、滨海湿地、潮间带、岸线变迁、保护区、石油平台监测等信息进行了制图。
在数字化土地利用监测方面，目前大多光谱数据由于受空间、光谱分辨率等限制，难以满足现实需要。天宫一号高光谱成像仪具有较高光谱分辨率，在类别细分方面具有一定优势。中科院遥感与数字地球所研究人员利用天宫一号高光谱数据对北京通州地区城市土地利用类型进行监测，并与同一时期其他来源的遥感数据进行了对比。“对比显示，天宫一号高光谱数据分类结果更精细，可清晰识别出主干道、细小河流、田块边界等。”遥感地球所研究员刘良云说。
６月中旬，我国将择机发射神舟十号飞船，与天宫一号目标飞行器继续实施交会对接试验。“神十任务结束后，我们还会安排开展高光谱成像仪相关专题应用，比如湖泊生态监测、青藏高原监测以及城市环境监测等。”中科院空间应用工程与技术中心系统工程部副主任李绪志说。高光谱遥感系统在我国的普遍应用，标志着我国的高光谱遥感已逐步走向成熟。而在我国航空航天高光谱成像系统做出重大贡献的分别是中国科学院上海技术物理研究所和西安光学精密机械研究所。
2.2在国外的发展
1983年，世界上第一台成像光谱仪AIS－1在美国研制成功，并在矿物填图、植被生化特征等方面取得了成功，显示出了高光谱遥感的魅力。
在此后，许多国家都先后研制航空成像光谱仪。如美国的AVIRIS、DAIS，加拿大的FLI、CASI，德国的ROSIS，澳大利亚的HyMap等。
如今美国已经研制了三代高光谱成像光谱仪。1983年的第一代成像光谱仪AIS－1，在1987年由NASA喷气推进实验室研制的航空可见光，红外光成像光谱仪（AVIRIS）成为第二代高光谱成像仪。第三代高光谱成像光谱仪是克里斯特里尔傅立叶变换高光谱成像仪（FTHSI）它采用了256通道，光谱范围为400～1050nm之间，光谱分辨率为2～10nm，视场角为150。
经过20世纪80年代与90年代的发展，一系列高光谱成像系统在国际上被研制成功并在航天航空平台上获得了广泛应用。到20世纪90年代后，在高光谱遥感应用上一系列重要的技术问题，如高光谱成像信息的定标，定量问题，以及成像光谱图像信息可视化及多维表达问题，图像与光谱的变换和光谱信息的提取、大量数据信息的处理、光谱的匹配和光谱的识别、分类等问题得到了基本解决之后，高光谱遥感一方面将由实验研究阶段逐步转向实际应用阶段，并且技术发展方面由以航空系统为主开始转向于航空和航天高光谱分辨率遥感系统相结合的阶段。至今为止国际上已有许多种航空成像光谱仪处于运行状态，在实验研究以及信息的商业化方面发挥着重要作用。
2.3发展前景
如今高光谱成像面对两个问题：第一如何减少高光谱成像仪器的收集数据量。目前，高光谱系统捕捉了大量的的数据，过多的数据给数据处理带来了沉重的负担，对芯片数据的实时处理也带来了比较高的要求。第二个问题是是把尺寸从大变为小，要实现性能、分辨率、f/number、视场大小与设备尺寸之间的平衡。
在商业上，制造商们按照集成、易用的原则制造出的高光谱成像仪器已经取得了成功。但是商业化要求的高光谱仪器需要稳定、耐用，在不同的测量环境中结果达到一致，特别是在工厂环境。
3.高光谱成像的应用领域
高光谱如今主要被应用在民用方面：地质调查，植被遥感，农业监测，大气遥感，水文学，灾害环境遥感，土壤调查以及城市环境遥感。军用方面主要利用高光谱图像识别伪装以及利用高光谱辨识固体液体气体和化学争取更详细的获取战场信息包括障碍物，地表特征，土壤鉴别，水下障碍等等。
3.1在地质调查中的应用
区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的领域也是高光谱成像应用中最成功的一个领域。如今地面光谱仪主要有澳大利亚的PIMA，美国的ASD，GER,热红外FT-IR等，国内的有中科院研发的OMIS系列，PHI等。
利用高光谱遥感（含热红外高光谱）进行矿物识别可分为3 个层次：矿物种类识别、矿物含量识别和矿物成分识别。（1.基于单个诊断性吸收的特征参数；2.基于完全波形特征；3.基于光谱知识模型）在矿物识别和矿物精细识别的基础之上，根据矿物共生组合规律和矿物自身的地质意义指示作用，直观地反演各种地质因素之间的内在联系，可提高高光谱在地质应用中分析和解决地质问题的效能。
随着高光谱遥感地质应用的不断扩展和日益深入，高光谱遥感技术和方法也在不断改
进。近年来在基于高光谱数据的矿物精细识别、高光谱影像地质环境信息反演、基于高光谱遥感的行星地质探测等方面取得了突出的进展。高光谱遥感在地质成因环境探测、蚀变矿物与矿化带的探测、成矿预测、岩性的识别与分类、油气资源及灾害探测、高光谱植被重金属污染探测等方面也有应用。
3.2在植被研究中的应用
高光谱超多波段的成像光谱数据为植被分类识别提供了比以往更加详细的信息,基于高光谱遥感的植被识别精度远远超出了常规所能获取信息的精确性和可靠性,体现出高光谱在植被信息获取能力方面的巨大优势。
高光谱成像还应用于生态环境梯度制图、光合作用色素含量提取、植被干物质信息提取、植被生物多样性监测、土壤属性反演、植被和土地覆盖精细制图、土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化检测、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾害评估等等。
植被高光谱数据，按获取方式的不同，采用相应的高光谱信息处理技术处理后可用于植被参数估算与分析，植被长势监测及估产等领域。另外，高光谱的出现使植物化学成分估测成为可能。
3.3在大气科学研究中的应用
高光谱成像具有非常高的光谱分辨率它不仅可以探测到常规成像更精细的被探测物的信息，而且也能探侧到大气吸收特征。
大气的分子和粒子的成份在反射光谱波段反映非常的强烈能够被高光谱仪器监测到。云盖制图，云顶高度和云层状态参数估算，大气水汽含量与分布估算，气溶胶含量估计以及大气光学特性评价等是高光谱成像技术在大气研究中的突出应用。
利用高光谱数据在准确探测大气成分的基础上，不仅能提高天气预报、灾害预警等的准确性更能提高其可靠性。
3.4在海洋研究中的应用
高光谱成像是当前海洋成像前沿领域。由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点，因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它既可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测，还可用于海冰、海岸带等的探测。
国内海洋遥感应用基础研究主要是一些数学模型的构建。关于如何解决水体的低反射率、大气对蓝紫波段光谱的散射影响等难题的研究还未涉足。在海洋水质监测应用方面，只有可见光光谱能够观测水下的状况。另外，陆源污染、海水养殖、滩涂等海岸带典型要素的光谱特性研究工作也在开展，研究人员以航空高光谱图像为数据源，选取陆源污染、海水养殖、滩涂为监测要素，进行上述要素的光谱波段敏感性研究，试获得其探测的最佳波段，并进一步发展准确、快速识别和探测技术。在海洋表面温度测量、海洋表层悬浮泥沙浓度的定性或半定量的观测、海洋动力现象的研究等方面都开展了相应的研究。
现在国际上开展的主要研究有:海洋碳通量研究；海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究；海岸带环境监测与管理。
3.5在农业方面的应用
成像信息定量获取的领域被高光谱成像技术所拓宽，由于运用越来越广泛也逐渐成为农业成像应用的重要前沿技术手段。
在农业方面作物长势情况，灾害监控和农业管理等方面我们都可以使用高光谱数据不仅能准确地反映田间作物本身的光谱特征以及作物之间光谱差异，也可以更精准地获取一些农学的信息，比如作物含水量，叶绿素的含量，叶面积指数（lai）等生态物理参数，更更好的预测作物长势和产量。
如今高光谱技术在作物叶片光谱特征研究，作物分类与识别，作物生态物理参数反演和提取，作物养分诊断与监测研究，作物长势监测与产量预测，农业成像信息模型研究，农业灾害监测中已经取得了巨大的进步和发展。
随着农业方面研究的深入，光谱和空间分辨率的在不断的提高，不久以后高光谱在农业方面的应用就可以从理论走向运作。
3.6在军事方面的应用
由于高光谱遥感在地面目标识别方面的优势，很早就被应用于军事领域并且逐步取代多光谱遥感成为主要侦察手段
（1）战场详细侦察
高光谱遥感仪器能够在连续的工作波段上同时对目标进行探测，可以直接反应被测的物体的光谱特征，能够分辨出目标表面成分和状态，可以得到空间探测信息与地面实际目标之间存在的精确对应关系。
以色列的科学家利用CASI高光谱成像光谱仪在特拉维夫市进行了研究,从CASI图像中选择典型的地物作为端元数据,对河流、沙土、植被等地物都取得了很好的识别效果。
美国海军设计的高光谱成像仪,可在0.4~2.5m光谱范围内提供210个波段的光谱数据,可获得近海环境目标的动态特性,例如海水的透明度、海洋深度、海流、海底特征、水下危险物、油泄漏等成像数据,为海军近海作战提供参考美国提出了数字化地球研究目标是
建立全球地表每平方米的数据库包括目标和背景特征光谱在内的多种参数.数据库建立以后,全球任何地方的军事目标都会处于其监控和打击之下。
(2)识别伪装目标
在军事目标侦察、识别伪装方面,高光谱遥感能够依据背景与伪装目标不同的光谱特性发现军事装备通过光谱特征曲线可反演出目标的组成成分从而揭露与背景环境不同的目标及其伪装绿色伪装材料检测的一个重要手段就是利用植物的红边效应植被在
680~720nm反射率升高通过检测其位置和斜率的特征就可以识别植被的种类和状态。现有绿色伪装材料的光谱曲线大体上可以与植被相吻合在多光谱侦察条件下能够满足伪装要求但是在高光谱细微的分辨能力下
经过伪装的目标便无所遁形刘凯龙等以植被的红边作为基本识别特征识别准确率达到了99%。
（3）机载高光谱设备
Elbit系统公司最近推出的Hermes 450和Hermes 900无人机系统(UAS)高光谱有效载荷扩展了其有效载荷系列，新研发的两种有效载荷具有创新的情报能力。
这项独特、新颖的高光谱成像技术是基于Elbit系统公司的下属Electro-Optics Elop 公司的专项研究，能使不同波长的影像同时成像。其独特的有效载荷能够使自然界所有材料的光谱信号成像，就像指纹成像一样。这种非常敏感的成像技术可以在较宽的光谱范围和极高的分辨率下区分大多数颜色来进行遥感作业。
这种机载高光谱系统可用来识别、测量和跟踪各种材料和物体，包括发现弱信号军事活动和暗藏障碍物，以及识别危险品。作为补充，它配有一个可提供自动成像/数据翻译和任务规划系统的地面设施。
Hermes 450和Hermes 900无人机系统(UAS)的配置使该技术很容易在各种情况下发挥遥感和监测能力。
3.7在其他方面的应用
高光谱在其他领域也有广泛应用。如城市下垫面特征和环境，高光谱遥感的发展使得人们有能力对城市地物的光谱特性进行深人研究，人们用实验室光谱、地物光谱、航空和航天的高光谱遥感器对城市的光谱进行了一系列的深人分析。研究的内容包括城市地物的光谱特性及可分性，为城市环境遥感分析及制图提供基础。一些研究人员利用高光谱数据结合光谱检测算法对城市地物分类进行了研究。
4.结论
至今为止，国内外最常用的成像光谱仪还是以航天航空机载为主，想要进入到实用阶段，还需要由航天航空成像转向卫星成像。在未来携带高光谱和空间分辨率成像光谱仪的
卫星将会陆续发射。但是目前面向高光谱成像应用的发展大多以地物分类，地物识别，特征信息提取为目标的信息处理和定量化分析模型，所以提高高光谱数据处理的自动化和智能化以及开发专用的成像数据处理分析软件系统和地物光谱数据库，仍是高光谱成像研究的主要任务。
高光谱成像技术进展 Ｂy 1３0４０51０0xx 一．高光谱成像技术的简介 高光谱成像技术的出现是一场革命，尤其是在遥感界。它使本来在宽波段不可探测的物质能够被探测,其重大意义已得到世界公认。高光谱成像技术光谱分辨率远高于多光谱成像技术,因此高光谱成像技术数据的光谱信息更加详细，更加丰富,有利于地物特征分析。有人说得好，如果把多光谱扫描成像的MSＳ（mulｔi-specｔral sｃannｅｒ)和TM（thｅｍatｉc mapｐeｒ）作为遥感技术发展的第一代和第二代的话, 那么高光谱成像( hｙｐｅｒspeｃtral iｍaｇeｒｙ) 技术则是第三代的成像技术。 高光谱成像技术的具体定义是在多光谱成像的基础上，从紫外到近红外(2００－2500nm）的光谱范围内,利用成像光谱仪,在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谐波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。 （一）高光谱成像系统的组成和成像原理 而所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道,例如:我们可以把400nm-100０nm分为３00个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方,不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开,结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。 目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。下面分别介绍下以下几种类别： （1）光栅分光光谱仪 空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光,形成一个谱带,照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫,完成整个平面的图像和光谱数据采集。如下
高光谱成像检测技术 一、高光谱成像技术的简介 高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术，其最突出的应用是遥感探测领域，并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术，是传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。 高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。 高光谱成像技术具有超多波段（上百个波段）、高的光谱分辨率（几个nm）、波段窄（≤10-2λ）、光谱范围广（200-2500nm）和图谱合一等特点。优势在于采集到的图像信息量丰富，识别度较高和数据描述模型多。由于物体的反射光谱具有“指纹”效应，不同物不同谱，同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。 二、高光谱成像系统的组成和成像原理 高光谱成像技术的硬件组成主要包括光源、光谱相机（成像光谱仪+CCD）、装备有图像采集卡的计算机。光谱范围覆盖了200-400nm、400-1000nm、900-1700 nm、1000-2500 nm。 CCD 光源光栅光谱仪成像镜头
光谱相机的主要组成部分有：准直镜、光栅光谱仪、聚焦透镜、面阵CCD。 高光谱成像仪的扫描过程：面阵CCD探测器在光学焦面的垂直方向上做横向排列完成横向扫描（X方向），横向排列的平行光垂直入射到透射光栅上时，形成光栅光谱。这是一列像元经过高光谱成像仪在CCD上得到的数据。它的横向是X方向上的像素点，即扫描的一列像元；它的纵向是各像元所对应的光谱信息。 同时，在检测系统输送带前进的过程中，排列的探测器扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描（Y方向）。
《机器学习》课程项目报告 高光谱图像分类 ——基于CNN和ELM 学院信息工程学院 专业电子与通信工程 学号 35 学生姓名曹发贤 同组学生陈惠明、陈涛 硕士导师杨志景 2016 年 11 月
一、项目意义与价值 高光谱遥感技术起源于 20 世纪 80年代初，是在多光谱遥感技术基础之上发展起来的[1]。高光谱遥感能够通过成像光谱仪在可见光、近红外、短波红外、中红外等电磁波谱范围获取近似连续的光谱曲线，将表征地物几何位置关系的空间信息与表征地物属性特征的光谱信息有机地融合在了一起，使得提取地物的细节信息成为可能。随着新型成像光谱仪的光谱分辨率的提高，人们对相关地物的光谱属性特征的了解也不断深入，许多隐藏在狭窄光谱范围内的地物特性逐渐被人们所发现，这些因素大大加速了遥感技术的发展，使高光谱遥感成为 21 世纪遥感技术领域重要的研究方向之一。 在将高光谱数据应用于各领域之前，必须进行必要的数据处理。常用的数据处理技术方法包括：数据降维、目标检测、变化检测等。其中，分类是遥感数据处理中比较重要的环节，分类结果不但直接提取了影像数据有效信息，可以直接运用于实际需求中，同时也是实现各种应用的前提，为后续应用提供有用的数据信息和技术支持，如为目标检测提供先验信息、为解混合提供端元信息等。 相对于多光谱遥感而言，由于高光谱遥感的波谱覆盖范围较宽，因此我们可以根据需要选择特定的波段来突显地物特征，从而能够精确地处理地物的光谱信[2]。目前，许多国家开展大量的科研项目对高光谱遥感进行研究，研制出许多不同类型的成像光谱仪。高光谱遥感正逐步从地面遥感发展到航空遥感和航天遥感，并在地图绘制、资源勘探、农作物监测、精细农业、海洋环境监测等领域发挥重要的作用。
高光谱成像检测技术 、高光谱成像技术的简介 高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术, 其最突出的应用是遥感探测领域, 并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。 它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。 技术,是高光谱成像 技术的定义是在多光谱成像的基础上,在从紫外到近红外（200-2500nm 的光谱范围内,利用成像光谱仪,在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成 像。在获得物体空间特征成像的同时, 也获得了被测物体的光谱信息。 高光谱成像技术具有超多波段（上百个波段、高的光谱分辨率（几个nm 、波 段窄（＜1-2入光谱范围广（200-2500nm和图谱合一等特点。优势在于采集到的图像信息量丰富, 识别度较高和数据描述模型多。由于物体的反射光谱具有“指纹” 效应, 不同物不同谱, 同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。、高光谱成像系统的组成和成像原理 高光谱成像技术的硬件组成主要包括光源、光谱相机（成像光谱仪+CCD 、装备有图像采集 卡的计算机。光谱范围覆盖了200-400nm 、400-1000nm 、900-1700 nm 、1000-2500 nm。
CC D 朮源「一光栅壯谱以 —a I \、 「维电移台 . 样品 A CCD。 光谱相机的主要组成部分有：准直镜、光栅光谱仪、聚焦透镜、面阵
高光谱成像仪的扫描过程：面阵CCD探测器在光学焦面的垂直方向上做横向排列完成横向扫描（X方向，横向排列的平行光垂直入射到透射光栅上时，形成光栅光谱。这是一列像元经过高光谱成像仪在CCD上得到的数据。它的横向是X方 向上的像素点，即扫描的一列像元；它的纵向是各像元所对应的光谱信息。 同时,在检测系统输送带前进的过程中，排列的探测器扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描（丫方向。 1\ 综合横纵扫描信息就可以得到样品的三维高光谱图像数据。
目录 一.高光谱成像仪的简介 (2) 二.高光谱成像仪市场现状 (2) 三.产品类型分类 (4) 四.主要产品供应商 (5) 五.高光谱成像应用实例 (10)
一.高光谱成像仪的简介 高光谱成像（HSI）是光谱技术和成像技术的结合，通常也被成为成像光谱技术。高光谱成像是加入了彩色三维成像的技术，包括目标频谱数据的反射图像，通过数据处理得到电磁光谱图像中每个像素。高光谱成像系统一般包括高光谱成像仪，摄像机，光源，数据软件和计算机等。 二.高光谱成像仪市场现状 2017年全球高光谱成像系统产量达到395台，销售额约6849万美元。预计2023年将达到13456万美元，年复合增长率（CAGR）为11.91%。 2019年全球高光谱成像系统产量达到549台，销售额约9042万美元。从全球范围看，北美是最大生产地区，主要生产企业也集中在这一地区，比如美国Headwall Photonics,美国Resonon，美国Surface Optics，美国康宁（并购NovaSol），加拿大ITRES，加拿大Telops和美国Brimrose等。北美地区2019产量共318套，占全球的58.01%，其次是欧洲，主要生产商有芬兰Specim，欧洲微电子研究中心（IMEC），挪威纳斯克电子光学公司（Norsk Elektro Optikk AS）等。
图1 2017年全球不同分类高光谱成像系统产量份额 图2 2017年全球高光谱成像系统主要应用领域消费量份额
三.产品类型分类 1. 紫外光谱（10～380 nm） 军事领域：飞机发动机尾焰紫外追踪，导弹预警，紫外预警目标观察，紫外火控目标瞄准系统 公安刑侦：现场侦查痕迹，可观察指纹印、体液、火药、麻药 航天领域：空间探测 2. 可见光谱（380～780nm） 农业领域：防病虫害 增强视场：获取高光谱分辨率和高空间分辨率 公安刑侦：手印显现 3. 近红外光谱（780-2526nm） 生物医学领域：测定脑血流量和脑血管中CO2的活性、血或血清中血红蛋白载氧量、PH、葡萄糖、尿素等含量 农业、食品、纺织、聚合物、药物、石油化工、生化和环保。 4. 中红外光谱（2.5-25μm） 在军事、环境监测、医学治疗以及基础研究等领域 环境监测：监测甲烷和氧化亚氮 生物医学：蛋白质分析、液相色谱/生物反应器监控、无标签数字病理学、纳米成像5.远红外光谱（25-1000μm） 基础研究：半导体监测，超导体监测、等离子体诊断、天体物理研究。
前言 随着科学技术的发展，人们的感官得到了延伸，认识事物的能力也不断的提高，其中光谱成像和雷达成像成为其中的佼佼者，高谱和图像使人们能够在大千世界更好的认识到事物。高光谱成像技术作为一项优点显著，实用的成像技术，从20世纪80年代开始得到了世界各国的重视，经过深入的研究和发展如今已经被广泛地应用于各个领域。 高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域,它利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，它包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命,它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱遥感中能被探测。 高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，其中最突出的应用是在遥感探测领域，并在民用领域有着更大的应用前景。 本文通过分析介绍高光谱图像的成像原理，探讨了高光谱图像在国内外发展现状及其应用。
1.高光谱图像成像原理及特点 1.1高光谱遥感基本概念 高光谱遥感是通过高光谱传感器探测物体反射的电磁波而获得地物目标的空间和频谱数据，成立于20世纪初期的测谱学就是它的基础。高光谱遥感的出现使得许多使用宽波段无法探查到的物体，更加容易被探测到，所以高光谱遥感的出现时成功的是革命性的。 1.2高光谱图像成像原理 光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。 其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是象元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总想是各象元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。 1.3高光谱遥感的特点 （1）波段多且宽度窄能够使得高光谱遥感探测到别的宽波段无法探测到的物体。 （2）光谱响应范围更广和光谱分辨率高使得它能够更加精细的发硬出被探测物的微小特征。 （3）它可以提供空间域和光谱域信息也就是“谱像合一”。 （4）数据量大和信息冗余多，由于高光谱数据的波段多，其数据量大，而且和相邻波段的相关性比较高就使得信息冗余度增加很多。 （5）高光谱遥感的数据描述模型多能够分析的更灵活。经常使用的3种模型有：图像，光谱和特征模型。 1.4高光谱的优势 随着高光谱成像的光谱分辨率的提高，其探测能力也有所增强。因此，与全色和多光谱成像相比较，高光谱成像有以下显著优著: (1)有着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像在经过光谱反射率重建后，能获取与被探测物近似的连续的光谱反射率曲线，与它的实测值相匹配，将实验室中被探测物光谱分析模型应用到成像过程中。 (2)对于地表覆盖的探测和识别能力极大提高。高光谱数据能够探测具有诊断性光谱
高光谱成像技术 高光谱成像技术起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。对空间探测、军事安全、国土资源、科学研究等领域都具有非常重要的意义。 所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。 目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。 原理： 光栅分光原理： 在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会发生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。 经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。例如系统如下：
声光可调谐滤波分光(AOTF)原理： AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。 最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生衍射光和零级光。 l AOTF系统组成： AOTF系统组成：成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜(把所有的入射光变成平行光)，准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光(入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移);o 光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。
无人机载高光谱成像系统 主要参数应优于以下参数。 波长范围：400-1000nm；像素扭曲不超过一个像素， 空间通道数：≥620；光谱通道数：≥250； 光谱采样间隔：优于2.4nm/pixel； 光谱分辨率在20μm狭缝时优于6nm； 最大数值孔径：F/2.5； 重量：<0.6kg(含内部的采集控制模块)； 反射率标准布：不小于3m x 3m，包含3种反射率，可以为计算地物反射率提供标准参考； 定制3轴云台，通电后自动垂直向下，无需手动调平衡； 可在地面站软件上看到云台上图传相机的实时画面； 云台重量：≤0.8kg；
无人机载多光谱/热红外成像系统 主要参数应优于以下参数。 重量≤800 g 光谱波段：EO即电力光学：蓝色、绿色、红色、红边、近红外（NIR）LW IR（长波红外辐射） / 热红外： 8-14um 传感器分辨率：不低于2064*1544（每个EO（即电力光学）波段3.2 MP）/热红外线：不低于160*120
北斗GPS定位系统 仪器参数应优于以下主要参数。 解算技术：超越传统（固定/浮动）技术的 HD-GNSS处理引擎算法，比传统GNSS技术提供的误差估算评定更加精确。 卫星跟踪：360全星座技术,能够跟踪包括GPS、GLONASS、Galileo、北斗和QZSS卫星信号同步跟踪： –– GPS：L1C/A、L1C、L2C、L2E、L5； –– GLONASS：L1C/A、L1P、L2C/A、L2P、L3； –– SBAS：L1C/A、L5； –– Galileo：E1、E5A、E5B； ––北斗：B1、B2、B3 多星多频：不止于接收卫星数量，同时接收GPS、GLANASS、伽利略、北斗的第三频段 信号通道：接收机通道数不少于440个通道，支持更多的卫星信号同步跟踪 高精度静态精度：平面3mm+0.1ppm 高程3.5mm+0.4ppm RTK实时动态精度：平面8mm+1ppm 高程15mm+1ppm 网络RTK精度：平面8mm+0.5ppm 高程15mm+0.5ppm 定位速率：1Hz、2Hz、5Hz 10Hz和20Hz 数据格式：CMR+, CMRx, RTCM 2.1, RTCM 2.3, RTCM 3.0, RTCM 3.1, RT CM 3.2的输入输出 星站差分功能：具有OmniSTAR HP、XP、G2、VBS定位功能 智能化程度：接收机可以通过WBUI管理界面，实现远程管理，下载数据等 工作温度：-40℃～65℃ 防水/防尘：满足IP67等级，可侵入水下1米深 可以承受从2米高测杆处跌落 数据存储：主机4G内存：可以3年以上原始观测数据通讯链路：电台与
光谱图像与高光谱图像的区别介绍 光谱分辨率在10l数量级范围内的光谱图像称为高光谱图像（Hyperspectral Image）。遥感技术经过20世纪后半叶的发展，无论在理论上、技术上和应用上均发生了重大的变化。其中，高光谱图像技术的出现和快速发展无疑是这种变化中十分突出的一个方面。通过搭载在不同空间平台上的高光谱传感器，即成像光谱仪，在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，以数十至数百个连续且细分的光谱波段对目标区域同时成像。在获得地表图像信息的同时，也获得其光谱信息，第一次真正做到了光谱与图像的结合。与多光谱遥感影像相比，高光谱影像不仅在信息丰富程度方面有了极大的提高，在处理技术上，对该类光谱数据进行更为合理、有效的分析处理提供了可能。因而，高光谱图像技术所具有的影响及发展潜力，是以往技术的各个发展阶段所不可比拟的，不仅引起了遥感界的关注，同时也引起了其它领域（如医学、农学等）的极大兴趣。 高光谱图像：是指一系列包含一些列可见/近红外光谱，一般有400-1000 nm，已经包含了可见光（400-780 nm）和近红外（780-1000nm）。 多光谱图像简介多光谱图像是指包含很多带的图像，有时只有3个带（彩色图像就是一个例子）但有时要多得多，甚至上百个。每个带是一幅灰度图像，它表示根据用来产生该带的传感器的敏感度得到的场景亮度。在这样一幅图像中，每个像素都与一个由像素在不同带的数值串，即一个矢量相关。这个数串就被称为像素的光谱标记。 1．用不相关或独立的其他带替换当前带；这个问题特别与遥感应用有关，但在一般的图像处理中，如果要从多光谱图像生成一幅单带灰度图像也与此有关。 2．使用一个像素的光谱标记来识别该像素所表示的目标种类。这是一个模式识别问题，它取决于下列图像处理问题的解：消除一个像素的光谱标记对图像采集所用光谱的依赖性。这是一个光谱恒常性问题。 3．处理多光谱图像的特定子集，它包括在电磁谱里仅光学部分的3个带，它需要以或者替换或者模仿人类感知颜色的形式来进行处理。 4．在特定应用中使用多光谱图像，并对它们进行常规的操作。这里的一个问题是，现在
光谱技术知识讲堂1.2 多光谱、高光谱与高光谱成像仪的区别 高光谱成像是新一代光电检测技术，兴起于20世纪80年代，目前仍在迅猛发展中。高光谱成像是相对多光谱成像而言，高光谱成像方法获得的高光谱图像与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) 多光谱仪——光谱分辨率在10-1λ数量级范围内称为多光谱(Multi-spectral)，传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段，不能成像。 (2) 高光谱仪——光谱分辨率在10-2λ数量级范围内称为高光谱(Hyper-spectral)，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，但不能成像。 (3) 高光谱成像仪——光谱分辨率小于10nm，传感器在可见光和近红外区域可达数百个波段，而且测量结果以图像方式表达出来，每一个像元均由光谱曲线组成，可以更为准确地获取目的物的反射光谱。比起高光谱仪，高光谱成像仪对样品的测量定位更为精准。 众所周知，光谱技术能检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标。多光谱仪及高光谱仪是基于点的测量，而高光谱成像仪的测量所得到是目的物面上的光谱图。因此，高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。高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，利用高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，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。它是一系列光波在不同波长处的光学图像，通常包含数十到数百个波段，光谱分辨率一般为小于l0nm（如美国SOC公司的SOC730，具有300个波段，光谱分辨率达2nm）。由于高光谱成像所获得的高光谱图像对图像中的每个像素都能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z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。 地面使用的成像光谱仪多为推扫式，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，已经有新型的地面成像光谱仪，如美国SOC710，利用仪器内部的扫描装置实现推扫成像，即光谱仪和被测物均不运动即可完成高光谱成像，而不需要配备位移云台，重量仅3kg，仪器更为轻巧便携，便于野外使用。 （本节完） 18
高光谱成像技术进展 By 130405100xx 一．高光谱成像技术的简介 高光谱成像技术的出现是一场革命，尤其是在遥感界。它使本来在宽波段不可探测的物质能够被探测，其重大意义已得到世界公认。高光谱成像技术光谱分辨率远高于多光谱成像技术，因此高光谱成像技术数据的光谱信息更加详细,更加丰富,有利于地物特征分析。有人说得好，如果把多光谱扫描成像的MSS ( multi-spectral scanner) 和TM( thematic mapper) 作为遥感技术发展的第一代和第二代的话, 那么高光谱成像( hyperspectral imagery) 技术则是第三代的成像技术。 高光谱成像技术的具体定义是在多光谱成像的基础上，从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谐波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。 （一）高光谱成像系统的组成和成像原理 而所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。 目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。下面分别介绍下以下几种类别： （1）光栅分光光谱仪 空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。
高光谱遥感是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体中获取有关数据，高光谱遥感技术作为20世纪80年代兴起的对地观测技术，始于成像光谱仪的研究计划。 目前，我国研制的224波段的推扫高光谱成像仪（PHI）与128波段的实用型模块化机载成像光谱仪（OMIS）已经进行了多次成功的航空遥感实验。另外，中国科学院上海技术物理研究所研制的中分辨率成像光谱仪于2002年随“神州”三号飞船发射升空，这是继美国1999年发射的EOS平台之后第二次将中分辨率成像光谱仪发送上太空，从而使中国成为世界上第二个拥有航天成像光谱仪的国家。 高光谱遥感图像和常见的二维图像不同之处在于，它在二维图像信息的基础上添加光谱维，进而形成三维的坐标空间。如果把成像光谱图像的每个波段数据都看成是一个层面，将成像光谱数据整体表达到该坐标空间，就会形成一个拥有多个层面、按波段顺序叠合构成的三维数据立方体。 高光谱遥感具有不同于传统遥感的新特点： （1）波段多——可以为每个像元提供几十、数百甚至上千个波段 （2）光谱范围窄——波段范围一般小于10nm （3）波段连续——有些传感器可以再350~2500nm的太阳光谱范围内提供几乎连续的地物光谱 （4）数据量大——随着波段数的增加，数据量呈指数增加 （5）相邻谱带间相关——由于相邻谱带间高度相关，冗余信息也相对增加，这一特点也为其降维处理（包括波段选择、特征提取等）和谱间压缩提供可能 （6）随着维数的增加，超立方体的体积集中于角端，超球体和椭球体的体积集中在外壳，该特点进一步为高光谱图像的降维和压缩处理提供了理论依据。 根据高光谱图像的特点及其相关技术处理的需要，高光谱数据与其所携带的信息一般采用如下的三种空间表达方式：图像空间、光谱空间和特征空间。 1、图像空间（有空间几何位置关系） 2、光谱空间，光谱信息 3、特征空间（在光谱空间进行取样，将得到的n个数据用一个n维向量来表示，它是表示光谱响应的另一种方式。N维向量包含了对应像素的全部光谱信息。在三种表示方法中，特征空间表示法适合于模式识别中的应用。） 高光谱遥感技术将确定物质或地物性质的光谱与揭示其空间和几何关系的图像结合在一起。 支持向量机是1992~1995年由Vapnik等人在统计学习理论的基础上提出来的一种新的模式识别方法。SVM在解决小样本、非线性及高维模式识别问题中表现出许多特有的优势。目前SVM已经被广泛应用于解决高维数据的监督分类中。支持向量机的核心思想是以构造风险最小化思想为归纳原则，通过非线性映射把样本投影到高维特征空间，在高维空间中构造VC维尽可能低的最优分类面，使分类风险上界最小化，从而使分类器对未知样本具有最优的推广能力。 我国尚未解决的SVM问题：目前支持向量机应用中，判别阈值都是以理论值0作为阈值，这在线性支持向量机情况下不会产生偏差，但是在非线性情况下，由于核函数的引进，SVM 的分类判别阈值会发生偏移而不再保持为0.这样仍然采用0作为阈值，势必会影响分类效
GaiaSky-mini无人机高光谱成像系 统
仪器设备名称: 无人机高光谱成像系统-GaiaSky-mini 生产厂商：四川双利合谱科技有限公司 仪器主要功能、主要组成及主要技术参数： A.主要功能： ?辅助取景摄像头实现真正的所见即所得 ?图像实时回传，监控拍摄效果 ?400-1000nm波段高光谱图像 ?自动扫描速度匹配、自动曝光 ?数据预览及校正功能：辐射校正、反射率校正、区域校正 ?目标识别、伪装与反伪装等军事活动 ?地面物体与水体遥测 ?农作物生长状况、虫害监控、作物估产等现代精细农业检测 ?遥感考古 ?矿产资源勘测 B.主要组成： ?高光谱成像仪（含光谱成像仪、面阵探测器（CCD）、成像镜头） ?悬翼无人机（大疆M600 pro） ?高空下落缓速系统 ?采集控制系统 ?电池（16000mAh，22.2V，355.2Wh） ?增稳平台 ?99%的标准参考白板 ?SpecView数据采集控制软件 ?高精度组合航姿系统 ?无线数据链路 C.主要技术参数： 波长范围：400-1000nm 光谱分辨率(30um)：(4 ±0.3nm@V10) 传感器：Sony ICX285，逐行扫描有效狭缝长度：8.9 mm 总效率：>50% 相对孔径：F/2.8 横向视场：27@18.5mm,21@23mm 扫描视场：33.5@18.5mm,26@23mm 像素数(空间×光谱)：1392 ×1040 像素尺寸(空间×光谱)：6.6 ×8.8mm 像素间距：6.45um 拍摄方式：悬停（内置扫描）
2、GaiaSky-mini无人机高光谱成像系统说明 2.1高光谱成像原理 高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在紫外到近红外（200- 2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。 高光谱成像过程为：每次成一条线上的像后（X方向），在检测系统输送带前进的过程中，排列的探测器扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描（Y方向）。综合横纵扫描信息就可以得到样品的三维高光谱图像数据，如图1为高光谱成像的原理图。 图1 高光谱成像原理图 2.2 GaiaSky-mini无人机高光谱成像系统影像采集原理 GaiaSky-mini高光谱成像系统是针对小型旋翼无人机开发的高性价比机载高光谱成像系统。采用专利的内置扫描系统和增稳系统，成功克服了小型无人机系统搭载推扫式高光谱相机时，由于无人机系统的震动造成的成像质量差的问题。为高光谱成像技术在目标识别、伪装与反伪装等军事领域，地面物体与水体遥测、现代精细农业等生态环境监测、遥感考古、矿产资源勘测、水污染监测、高光谱立体摄影测量等领域的广泛应用奠定了基础。图2为GaiaSky-mini无人机高光谱成像系统野外测试的实体图。
成像光谱技术 1.成像光谱技术发展简述 光谱技术是指利用光与物质的相互作用研究分子结构及动态特性的学科，即通过获取光的发射、吸收与散射信息可获得与样品相关的化学信息，成像技术则是获取目标的影像信息，研究目标的空间特性信息。这两个独立的学科在各自的领域里已有数百年的发展历史，但是知道上个世纪六十年代，遥感技术兴起，空间探测和地表探测一时成为科学界研究的热点，人们希望得到的不单纯是目标的影响信息或者目标的光谱信息，而是同时得到影像信息和光谱信息，这一需求极大的导致了成像技术和光谱技术的结合，催生出了成像光谱技术。 所谓光谱成像技术，其本质是充分利用了物质对不同电磁波谱的吸收或辐射特性，在普通的二维空间成像的基础上，增加了一维的光谱信息。由于地物物质组成的不同，其对应的光谱之间存在差异（即指纹效应），从而可以利用地物目标的光谱进行识别和分类。光谱成像技术可以在电磁波段的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多窄并且光谱连续的图像数据，为每个像元提供一条完整并且连续的光谱曲线。 图1 成像光谱技术示意图 图1.1就是成像光谱技术的示意图，成像光谱仪得到一个三维的数据立方体，从每个空间象元都可以提取一条连续的光谱曲线，通过谱线的特征分析，继而用于后续的测探等目的。 2.成像光谱仪的分类 成像光谱仪是成像光谱技术发展的必然产物，是可以同时获取影像信息与像元的光谱信息的光学传感器，是成像光谱技术得以实现的实物载体，根据不同的分类标准可以进行多种分类，主要有以下几种： (1)根据成像光谱仪的光谱分辨率不同，可以分为多光谱成像仪(Multispectral
Imager, MSI)，高光谱成像仪(Hyperspectral Imager, HSI)，超光谱成像仪(Hyperspectral Imager, USI)。 多光谱成像仪：获得的目标物的波段在3~12之间，光谱分辨率一般在100nm 左右，主要用于地带分类等方面。 高光谱成像仪：获得的目标物的波段在100~200之间，光谱分辨率在10nm 左右，被广泛用于遥感中。 超光谱成像仪：获得的目标物的波段在1000~10000之间，光谱分辨率在1nm 以下，通常用于大气微粒探测等精细探测领域。 (2)按照分光原理的不同可以分为棱镜色散型、光栅衍射型、滤光片型、干涉型以及计算层析型。 棱镜色散型和光栅衍射型分别是利用棱镜的色散和光栅的衍射来获取目标物的光谱，这两类光谱仪都是直接型光谱仪，即可以直接得到目标物的光谱曲线，具有原理简单和性能稳定等优点。 滤光片型光谱仪是采用相机加滤光片的方案，分光元件为滤光片，有多种形式，有线性滤光片、旋转滤光片等。这种光谱仪也是一种间接成像光谱仪，需要调制才能获得整个数据立方体 干涉型光谱仪是采用干涉仪实现两束相干光的干涉，从而获得目标物的干涉图。该类型的光谱仪其采集到干涉图和最终需要反演得到光谱图之间存在傅里叶变换关系，故其也称傅里叶变换光谱仪。 (3)按照扫描方式不同，成像光谱技术可分为挥扫式(Whiskbroom)、推扫式(Pushbroom)和凝视(Staring)成像光谱仪。 挥扫视：主要利用扫描镜，将空间信息按照一定的顺序输入，再由光谱仪对各点进行光谱分光，这类光谱仪的探测器一般为线阵。 推扫式：采用一个垂直于运动方向的面阵探测器，先将扫描成像于光谱仪的狭缝上，在通过运动获得另一维的光谱数据。 凝视型：无需探测器的运动，在任意时刻即可获取目标的二维空间信息以及一维光谱信息。 此外，还有多种分类方法，比如按照数据称重理论和调制方式以及搭载平台的不同等等。 3.成像光谱技术的应用 成像光谱技术应用方向可以分为两大类：军用和民用。在军用方面，由于成像光谱仪特别是高光谱成像仪具有在光谱上区分地物类型的能力，因此它在地物的精细分类、目标检测和变化检测上体现出较强的优势，成为一种重要的战场侦察手段。早在20世纪末，美国军方就有实验表明高光谱图像可以分辨出自然草
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 https://www.doczj.com/doc/4c8396383.html, ，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https://www.doczj.com/doc/4c8396383.html, 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。 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1/cm。 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。
光谱图像简介 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。光谱图像是指在特定波长范围内由一系列波长处的光学图像组成的图像块。(1)多光谱成像———光谱分辨率在Δλ/λ= 0.1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Δλ/λ= 0.01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Δλ/λ= 0.001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。 高光谱图像基本原理 高光谱图像技术是由高光谱遥感成像技术发展起来的一项技术。高光谱图像是在特定波长范围内由一系列波长处的光学图像组成的三维图像块。图为高光谱图像三维数据块的示意图。图1中，x和y表示二维平面像素信息坐标轴，第三维（λ轴）是波长信息坐标轴。从中可以看出，高光谱图像既具有某个特定波长λi下的图像信息，并且针对xy平面内某个特定像素，又具有不同波长下的光谱信息。 图1 高光谱图像数据块 高光谱图像技术优势 高光谱图像集样品的图像信息与光谱信息于一身。由于光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分，内部结构的差异可以通过特定波长下的光谱值来表现，在每个特定波长下，xy平面内每个像素点的灰度值又与其在该波长下的光谱值之间一一对应。图像信息可以反映样品的形状、缺陷等外部品质特征，由于不同成分对光谱吸收亦不同的影响，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映。这些特点决定了高光谱图像技术在农产品内外部品质的检测方面的独特优势。 基于高光谱图像的无损检测系统 基于高光谱图像的无损检测系统主要包括硬件平台(高光谱图像的获取) 和软件数据处理(高光谱图像数据分析) 两部分。硬件平台主要由光源、分光部件、CCD、图像采集系统和计算机所组成。根据分光部件的不同，其硬件平台又有2种不同的组建方式，即基于滤光片的高光谱图像获取系统和基于成像光谱仪的高光谱图像获取系统。
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