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的發(fā)展，高光譜圖像應運而生，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) 是將成像技術和光譜技術相結合的多維信息獲取技術,同時探測目標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)、窄波段圖像數據。

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)進行展開；不僅可以獲得圖像每個點的光譜數據，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，通過高光譜設備獲取的是一個數據立方，不僅有圖像的信息，并且在光譜維度上進行展開，結果不僅可以獲得圖像上每個點的光譜數據，還可以獲得任意一個譜段的影像信息。

高光譜成像技術是基于非常多的窄波段的影像數據技術，它將成像技術與光譜技術相結合，探測目標的二維幾何空間和光譜信息，獲取高分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數據。

高光譜成像原理

以光柵色分光原理為例：

在經典物理學中，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。一個點對應一個譜段，一條線就對應一個譜面，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據采集。

數據表現(xiàn)形式：

三維數據中每一個像素，從光譜維這個角度來看，可以看成一種物質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

不同物質在不同波段光譜信息下具有不同的表現(xiàn)。對于某一物質，不同的光譜波長，可能對應有不同的值(如上圖所示)，可以繪制一條關于光譜波長與光譜值間的關系曲線。根據曲線的不同，對高光譜圖像的物質進行分類。

三、高光譜圖像如何獲??？

高光譜圖像并非普通的二維圖像，而是一種三維數據。

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地表所有物質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據。

注意：圖中這個三維數據的每一層對應一個波段的光譜信號。

2.數據表現(xiàn)形式：三維數據中每一個像素，從光譜維這個角度來看，可以看成一種物質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：不同物質在不同波段光譜信號下的不同表現(xiàn)，可以繪制成一條關于光譜波段和光譜值之間的曲線，根據曲線的差異，我們可以高光譜圖像中不同物質進行分類。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成分。這在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學和地質勘探等領域具有重要意義。

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，有助于制定相應的治理措施。

生物醫(yī)學：高光譜圖像在生物醫(yī)學領域具有廣泛的應用前景，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。

地質勘探：高光譜圖像在地質勘探領域也有重要應用，如礦產資源勘查、地形地貌分析等。通過對地質物體的高光譜成像分析，可以更好地理解地質結構和演化過程。

五、高光譜圖像的應用領域

環(huán)境科學：環(huán)境科學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)境保護提供科學依據。

生物醫(yī)學：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。

地質勘探：地質學家利用高光譜圖像勘查礦產資源，分析地形地貌，為地質研究和勘探提供支持。

農業(yè)監(jiān)測：農業(yè)科學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，為精準農業(yè)提供數據支持。

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將不斷提高成像分辨率，從而更好地揭示物體的細節(jié)信息。

拓展應用領域：高光譜圖像技術將逐漸拓展應用領域，如軍事偵察、安全監(jiān)控等。

融合多光譜技術：未來的高光譜圖像技術將融合多光譜技術，實現(xiàn)多光譜和高光譜數據的協(xié)同分析，提高成像質量和分析效果。

高光譜圖像作為一種新興的成像技術，具有廣泛的應用前景和重要的科學價值。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節(jié)和本質，為環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學、地質勘探等領域提供有力的支持。隨著技術的不斷發(fā)展，高光譜圖像將在更多領域得到應用，為人類更好地認識和保護地球環(huán)境提供有力支持。