多光谱和高光谱及光谱仪成像原理

多光谱和高光谱的概念

多光谱遥感涉及获取可见光、近红外、短波红外图像。多光谱图像捕获电磁光谱特定波长范围内的图像数据。捕获的不同材料在这些不同波长下反射和吸收不同。在这种成像方法中，可以通过在这些遥感图像中观察到的光谱反射特征来区分材料。

高光谱遥感是一种分析宽光谱条带的技术，不仅仅是为每个像素分配原色，主要目标是从场景图像中每个像素获取光谱，查找对象、检测过程或识别材料。高光谱遥感对光谱中的各种带宽进行采样，旨在提供丰富的数据集并检测单带宽成像传感器不可见的感兴趣对象。

1.波段数

多光谱成像遵循低地球轨道和太阳同步。多光谱卫星沿5-10个频谱波段捕获数据。大多数情况下，他还捕获所有三种原色和红外部分中的几个块。

高光谱成像可以检测光谱内的数千个不同波段。对于检测某些物体和矿物非常有帮助。

2.光谱分辨率细节

光谱分辨率：传感器测量的电磁光谱部分的数量和宽度。多光谱遥感的光谱分辨率较差。因此，他使得像高光谱传感器一样容易识别地球特征变得更加困难。原因是由于波段较宽，多光谱传感器被捕获的数量很少。

另一方面，高光谱分辨率具有较高的光谱分辨率，可以检测物体和矿物的光谱特性，提供更好的能力去看到无形的东西。

3.窄波段

多光谱遥感系统使用并行传感器阵列来检测少量更宽波段的辐射。同时，在高光谱遥感中，波段要窄的多。高光谱传感器中的众多窄带提供了跨越整个电磁光谱的连续光谱测量。因此，使他们对反射能量的细微变化更敏感。

4.使用人工智能

多光谱遥感图像的信息含量低，随着时间的推移继续使用相同的技术。由于这种成像技术缺乏信息丰富性，面临持续发展的障碍。高光谱成像技术因信息量高而不断发展。

5.复杂程度

高光谱相对更复杂，很难减少冗余

6.图像特征

多光谱数据中，光谱中的反射跨越更广泛的范围。使得很难获得物体或表面区域的大量细节。这是因为波段要宽的多。高光谱数据时，图像会呈现每个波段的数百个点，因此需要观察更多地细节。波段被分成许多窄带，波长被分为很多窄带，捕捉物体的独特光谱指纹和特征。

7.相机差异

多光谱图像使用特殊相机捕获的，这些相机使用过滤器或对特定波长敏感的仪器分离波长。这些可能包括来自不同人眼不可见频率的光。另一方面，高光谱可以检测许多不同的波长，覆盖红外线和紫外线区域的一部分，还可以看到比人类更广泛的光谱。在这种成像技术中，分析人员将获得二维图像，其中图像中的每个像素包含一个连续的光谱。

8.成本

多光谱一次观察中从三到六个光谱带收集数据。这些特性使他们具有成本效益。图像捕获简单，成本低廉。高光谱一次收集中收集数百个光谱。由于需要更多的技术进步来生成更详细的光谱数据，因此此功能昂贵。随之而来的是传感器和图像成本增加、数据量、和数据处理成本以及维护操作的高需求相关问题

9.像素合成

多光谱遥感，每个像素都有一个离散的样本光谱。例如：某些波段每个像素可能有4-20个数据点，而在高光谱遥感中，每个像素都有一个连续或完整的光谱。

10.处理方法

多光谱遥感器处理有限的图像，高光谱遥感器处理方法包括光谱和图像。

光谱仪成像机理

人眼只能看到反射最强的光，其他颜色也有反射，用光谱仪进行捕获各种光的响应情况

用于地物光谱的两种测量方式：漫反射，漫反射照明条件下的漫反射

主要研究地面上的各种不同物体，在野外自然条件下的可见光、近红外、中远红外波段。

传统相机只观察RGB三通道合并而成的彩色图像，包括：光学镜头+探测器+电子学系统+封装结构；多光谱增加了包含滤光结构的光学系统，滤光器只通过特定波长的光信号。

棱镜分光法：通过棱镜分散成不同波长。优势：帧率高、波段连续。缺点：成本高、尺寸大。

滤光片：通过滤光片滤过需要的波段。优势：体积小、成像快。缺点：波段有限且固定。

可调歇滤波技术：调整电压来调节通光波段 。优势：波段可自选。缺点：波段范围，波段间隔可调节范围有限

地物光谱：波段多，波段间隔小，不能成像，点扫；

多光谱：波段少，波段间隔大，能成像，光谱分辨率低。

高光谱数据原理：波段多，波段间隔小，数据量大，线扫，光谱分辨率高。

多光谱和高光谱的对比：

地物光谱应用：植被监测，水质监测，土壤监测

多光谱应用：长势评估，利用NDVI、LAI等植被指数可量化不同空间下植被冠层状态。评估植被的长势，为灌溉、施肥、植保、产量评估等提供数据支持

举例：小麦生长监测

举例：水体富营养化监测

高光谱应用：

地址矿产填图、水体质量监测、森林资源调查、土壤质量评估

农作物与农田土壤监测：氮素营养、作物病虫害、农田重金属污染、生物量估算、技术管理产量表型。

粮食作物的高光谱检测

利用病虫害的光谱特征，建立反演模型，进行病虫害检测和预警

提升水稻种植的现代化水平，促进粮食稳产、增产

CCD和CMOS传感器

CCD：电荷耦合器件，半导体材料制成，用于捕捉静止和移动物体的一种传感器，CCD捕捉光线，将其转换为数字数据以转换为图像。成本高，具有高的质量和光敏感性。若干个CCD排列成一行为线阵列传感器。若干个CCD排列在矩形区域内，构成面阵列传感器，每个CCD对应一个像元素。

CMOS：互补金属氧化物半导体，集成电路供电技术。不需要特殊的制造技术。成本低。CMOS成像器的低噪声，高速度和高功效性能

CMOS现在可以生成噪声较小的图像，CMOS传感器的每个像素都有自己的C2V（电荷-电压）转换，因此每个电荷都以数字方式输出，因此CMOS在处理速度和功率方面远远超过CCD。

CMOS允许每个像素进行数字转换，从而带宽更低。高速CCD不像CMOS可以大规模并行，导致图像上更大的噪声。CMOS可以被设计成产生噪声少的多的图像。

光电成像传感器的成像原理

光电类型的传感器是将收集到的电磁波能量，通过仪器内的光敏或热敏元件转变成电能再记录下来。

光电传感器较光学摄影机的优点：1.扩大了探测的波段范围；2.便于数据的存储和传输。

光/机扫描仪：利用机械转动和飞行器向前飞行的两个方向垂直的运动，形成对地二维扫描。逐点将不同目标物的反射或辐射光谱汇聚到能将其能量转变为电信号的光电转换器件CCD上。记录下的电信号通过放大处理后记录下来，记录的方式或在显像管显示或经过电光能转换器件把电信号再转换成光信号在普通全色胶片上成像。

多光谱扫描仪：包括电磁光谱中的紫外、可见光、红外三部分，根据大气窗口和地物目标的波普特性用分光系统把接受到的电磁辐射分成若干波段。

构成：机械扫描装置和分光装置。扫描镜收集地面目标的电磁辐射，通过聚光系统将收集到的电磁辐射汇聚成光束，通过分光装置分成不同波长的电磁波，分别被一组探测器中的不同探测器所接收，经过信号放大，记录在磁带上，或通过电光转换后记录在胶片上。

面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪

利用线阵列扫描仪进行扫描，色散元件进行波段分散，分别成像于面阵的不同行。

点阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪

利用点探测器扫描