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什么是高光谱成像技术?高光谱成像技术有何具体的应用?

发布时间:2023-06-30
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什么是高光谱成像技术?高光谱成像技术融合了光谱技术和图像技术,作为一种新兴且发展迅速的光电检测融合技术,它兼具光谱分辨能力和图像分辨能力。那么,高光谱成像技术有何具体的应用?本文对高光谱成像技术的应用做了介绍。

什么是高光谱成像技术?高光谱成像技术融合了光谱技术和图像技术,作为一种新兴且发展迅速的光电检测融合技术,它兼具光谱分辨能力和图像分辨能力。那么,高光谱成像技术有何具体的应用?本文对高光谱成像技术的应用做了介绍。

高光谱成像仪

什么是高光谱成像技术?

高光谱成像技术融合了光谱技术和图像技术,作为一种新兴且发展迅速的光电检测融合技术,它兼具光谱分辨能力和图像分辨能力。光谱信息反映了样品内部的信息,图像信息则反映了样品外部的信息,在获取待测样品指标的同时保留了其原始的理化性质,并且能够弥补传统方法的不足,做到对样品的准确、无损、快速检测。

通过高光谱成像技术获取的图像数据在可见光和近红外区域可达几十到数百个波段,光谱分辨率可达纳米级别,因而具备了探测出样品精细光谱的能力,能够探测到在宽波段中无法探测到的光谱特征。

高光谱成像技术原理是利用传统的二维成像和光谱学的集成硬、软件平台获得待测物每个像元的空间信息和光谱信息,通过对待测物空间位置信息和光谱信息的获得,对这些获得的数据信息进行定性与定量分析,进而很好地反映待测物的综合性状与特性,因此高光谱成像技术是具备优势和潜在能力的技术。

应用高光谱成像系统进行待测物指标检测的主要步骤为准备待测样品、采集高光谱图像、进行光谱曲线分析处理、建模分析与指标预测。高光谱成像系统主要由光谱仪、光源、电荷耦合元件(CCD)相机和计算机构成,示意简图如下图所示。

高光谱成像系统组成示意简图

高光谱成像技术的具体应用:

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。按照光谱顺序在不同的光谱波长点都有一张二维空间图像,即整个高光谱图像其实是一个数据“立方体”。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。某些物体在光谱中留下独特的“指纹”。这些“指纹”被称为光谱特征,可用于识别被扫描物体的物质组成。其具体应用主要有以下几个方面:

1.水体水质调查

随着经济发展和人类活动的不断扩张,各种水体的水质状况越来越受到影响,水环境监测已刻不容缓。20世纪70年代开始,一些国家应用航空遥感监测海岸带污染,应用卫星遥感监测区域性的海上溢油、赤潮事件。赤潮水体与正常水体的光谱曲线形状在700nm附近有所不同,差异表现在是否存在中心波长大于685nm的荧光峰,即赤潮水体的特征反射峰。宽光谱波段不能有效捕捉水体复杂的光谱特性,而高光谱遥感数据具有较高的空间分辨率和连续的光谱信息,能进行有效的水体水色因子探测及提高光学水质参数反,演精度。

2.大气科学研究

高光谱遥感技术在大气研究中的突出应用是云盖制图、云顶高度与云层状态参数估算、大气水汽含量与分布估算、气溶胶含量估计与大气光学特性评价等。利用高光谱成像技术,在准确探测大气成分的基础上,能提高天气预报、灾害预警等的准确性与可靠性。

3.岩矿探测

与多光谱遥感相比,高光谱遥感能够以更高的光谱分辨率提取地物的诊断性光谱特征,这使得在多光谱遥感中不可区分的岩石和矿物光谱,可在高光谱遥感中得到精确识别。利用高光谱遥感识别岩矿,能够直接提供同矿床成矿和蚀变相关的矿物种类、分布以及丰度信息。基于这些岩矿信息,可以有效地圈定相关矿产资源的勘探范围,实现矿产资源大面积快速勘查。

4.精准农业

农业攸关国计民生,农业信息至关重要。高光谱遥感技术的发展为遥感信息定量应用开辟了新的领域,并逐渐成为新兴的精准农业最重要的技术手段之一。高光谱遥感技术可以准确获得植物的精细光谱信息,建立监测模型,从而能够精准监测作物的类型及播种面积、作物的生长环境及病虫害、作物生理生化性状、作物长势和产量品质等,促进了农业的科学化管理和实现高产优质,为作物的科学管理和高产高效提供技术保障。

5.植被调查

高光谱可用来估计一些森林物理参数,如叶面积指数(LAI)、材积、密度、森林覆盖度、树高等。LAI是植被重要的生物物理参数和植物生态研究中的一个重要指标,它与生物量、植被长势均密切相关。过去应用遥感方法估计森林LAI的研究主要局限于一些相对较宽的波段的多光谱数据,精度不高,原因之一是宽波段高光谱遥感数据中往往混有相当比例的非植物光谱,致使各种植被指数与LAI的关系不紧密,而这种非植物光谱在高光谱遥感中采用光谱微分技术可以得到有效抑制,从而提高遥感数据LAI的相关性。

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