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高光谱成像技术有哪些类型?高光谱成像技术有什么优势?

时间:2023-05-25 点击:1062次

高光谱成像技术是光谱成像技术的一种,它将传统二维成像技术和光谱技术有机结合在一起,既可以获取目标物的二维空间信息,又可以获得一维光谱信息。该技术具有空间可识别性、超多波段、高的光谱分辨率、光谱范围广和图谱合一等众多优点。本文对高光谱成像技术的类型及优势做了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪

什么是高光谱成像技术?

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。


高光谱成像技术的类型:

1.根据成像方式的不同分

根据成像方式的不同,可将高光谱成像技术分为扫描型和快照式两大类,扫描型高光谱成像技术又分为摆扫式,推扫式和凝采式三种。

1)摆扫式高光谱成像技术

也叫做掸扫式、挥扫式高光谱成像技术,其扫描方式是点扫描。该类型仪器的核心部件是线阵列光电探测器,其作用是接收目标不同波长下的辐射能,其一般在扫描仪的前方安装光学镜头,利用机械传动装置带动镜头左右摆动以及飞行平台向前移动完成对地面目标的逐点扫描,达到获取多个窄波段连续光谱图像的目的。

2)推扫式高光谱成像技术

也叫做推帚式高光谱成像技术,其扫描方式是线扫描。该类型仪器通过推扫的方式每次获取一行目标信息,因此其前方不需要移动探测部件,其采用二维面阵列探测器,其中,一维用于接收保存光谱信息,与之相垂直的另一维为线性阵列,其作用是分散并聚焦目标物体在不同波长下的辐射能。

3)凝采式高光谱成像技术

也叫做凝视式高光谱成像技术,其扫描方式是颜色扫描。该类型仪器通过颜色扫描方式每次获取一个波长下的目标信息。其采用单色器或电调谐滤波器完成不同光谱通道之间的切换,以达到探测器采集相应波长的目标物体全部信息的目的。

4)快照式高光谱成像技术

其成像方式无需扫描,能够一次性获取目标物体包括一维光谱信息在内的全部信息。该类仪器系统内部不存在移动部件或其他动态调节组件,抗干扰能力强,且成像速度快,因此适用于移动速度较快的目标物体,并且可以达到实时监测的目的。

2.根据分光原理的不同分

根据分光原理的不同,可将高光谱成像技术分为色散型、干涉型、计算层析型等几种类型。

1)色散型高光谱成像技

色散型高光谱成像技术主要包括色散棱镜型、衍射光栅型以及声光、液晶可调谐滤光片型(AOTF)等高光谱成像技术。色散型高光谱成像技术利用光栅、棱镜等色散元件将经准直透镜准直后的光线色散成连续分布的单色光,光线经聚焦会聚于探测元件上,最终得到每一个像元的强度。该技术出现较早,又其原理结构简单,性能稳定,因此发展比较成熟。但是该系统内部狭缝的存在导致光谱分辨率、能量利用率以及信噪比很难提高成为制约该技术继续发展的瓶颈问题。

2)干涉型高光谱成像技

干涉型高光谱成像技术也称傅立叶变换型高光谱成像技术,主要包括傅里叶变换型(迈克尔逊干涉型、三角共路干涉型、双折射偏振干涉型)、液晶可调谐滤光片型(LCTF)等高光谱成像技术。干涉型高光谱成像技术将获取的干涉强度信息通过傅里叶变换转换成目标的光谱信息,是间接光谱成像技术。干涉型的高光谱成像仪较上述色散型高光谱成像仪具有多通道、高通量、高光谱分辨率、高信噪比等优点。

3)计算层析型高光谱成像技术

计算层析型高光谱成像技术是随着计算机技术、探测器水平以及医学上断层扫描技术的发展而出现的一种新兴技术,目前还处于理论及方法研究阶段。该技术将计算机断层扫描技术应用于高光谱成像技术中,将目标图像的数据立方体视作三维,物体,沿着一个或者多个方向投影到探测器上,再根据数据立方体与获得的投影图像之间的关系,选择合适的重建算法重构出目标的三维数据立方体。其显著的优点是其具有全视场性,不仅能够保证较高的光通量及光能利用率,而且能够快速精确的获取目标物体的二维空间信息和一维光谱信息。


高光谱成像技术的优势:

①波段多,波段宽度窄。成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。与传统的遥感相比,高光谱分辨率的成像光谱仪为每一个成像象元提供很窄的(一般<10nm)成像波段,波段数与多光谱遥感相比大大增多,在可见光和近红外波段可达几十到几百个,且在某个光谱区间是连续分布的,这不只是简单的数量增加,而是有关地物光谱空间信息量的增加。

②光谱响应范围广,光谱分辨率高。成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延伸到近红外,甚至到中红外。成像光谱仪采样的间隔小,光谱分辨率达到纳米级,一般为10nm左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。

③可提供空间域信息和光谱域信息,即“谱像合一”,并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。在成像高光谱遥感中,以波长为横轴,反射值为纵轴建立坐标系,可以使高光谱图像中的每一个像元在各通道的反射值都能产生1条完整、连续的光谱曲线,即所谓的“谱像合一”。

④数据量大,信息冗余多。高光谱数据的波段众多,其数据量巨大,而且由于相邻波段的相关性高,信息冗余度增加。

⑤数据描述模型多,分析更加灵活。高光谱影像通常有三种描述模型:图像模型、光谱模型与特征模型。

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