圖像是人類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。隨著高光譜相機技術(shù)的發(fā)展，高光譜圖像應(yīng)運而生，它能夠捕捉物體在不同波長下的電磁波輻射，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),同時探測目標(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以內(nèi))進行展開；不僅可以獲得圖像每個點的光譜數(shù)據(jù)，而且可以獲得任意一個譜段的圖像信息。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個通道，例如：我們可以把400nm-1000nm分為300個通道，一次，通過高光譜設(shè)備獲取的是一個數(shù)據(jù)立方，不僅有圖像的信息，并且在光譜維度上進行展開，結(jié)果不僅可以獲得圖像上每個點的光譜數(shù)據(jù)，還可以獲得任意一個譜段的影像信息。

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，光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時，不同波長的光會發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進行衍射分光，形成一條條譜帶。也就是說：空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后，不同波長的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個點，再通過光柵進行衍射分光，形成一個譜帶，照射到探測器上，探測器上的每個像素位置和強度表征光譜和強度。一個點對應(yīng)一個譜段，一條線就對應(yīng)一個譜面，因此探測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機械推掃，完成整個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)中每一個像素，從光譜維這個角度來看，可以看成一種物質(zhì)在不同波段光譜信號下的表現(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)。對于某一物質(zhì)，不同的光譜波長，可能對應(yīng)有不同的值(如上圖所示)，可以繪制一條關(guān)于光譜波長與光譜值間的關(guān)系曲線。根據(jù)曲線的不同，對高光譜圖像的物質(zhì)進行分類。

三、高光譜圖像如何獲??？

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：星載光譜成像儀會在沿著軌道飛信時，對地表發(fā)出不同波段的光譜信號。而地表不同物質(zhì)對每一個波段的光譜信號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)對每一個波段的光譜的不同反饋信號，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，我們就獲得了一個三維數(shù)據(jù)。

注意：圖中這個三維數(shù)據(jù)的每一層對應(yīng)一個波段的光譜信號。

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

3.分類原理：不同物質(zhì)在不同波段光譜信號下的不同表現(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)進行分類。分類方法有很多，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)識別：高光譜圖像能夠提供物體在不同波長下的輻射信息，通過對這些信息的分析，可以識別物體的材料和化學(xué)成分。這在環(huán)境監(jiān)測、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：高光譜圖像可以用于環(huán)境監(jiān)測，如監(jiān)測水體污染、大氣污染等。通過對污染源的識別和分析，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、血液分析等。通過對人體組織的高光譜成像分析，可以實現(xiàn)對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。通過對地質(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)測環(huán)境污染，分析污染源的成分和分布情況，為環(huán)境保護提供科學(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行疾病診斷和治療，如皮膚癌檢測、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：農(nóng)業(yè)科學(xué)家利用高光譜圖像監(jiān)測作物生長狀況，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、高光譜圖像的未來發(fā)展趨勢

提高成像分辨率：未來的高光譜圖像技術(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)：未來的高光譜圖像技術(shù)將融合多光譜技術(shù)，實現(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)價值。通過對物體在不同波長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、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，為人類更好地認(rèn)識和保護地球環(huán)境提供有力支持。