高光谱图像：揭示物体细节和本质的新视角

图像是人类感知世界的重要方式，而传统的图像仅能提供有限的信息，如形状、颜色和纹理等。随着高光谱相机技术的发展，高光谱图像应运而生，它能够捕捉物体在不同波长下的电磁波辐射，从而提供更多的信息。

一、高光谱图像基本概念

高光谱遥感(Hyperspectral remote sensing) 是将成像技术和光谱技术相结合的多维信息获取技术,同时探测目标的二维集合空间与一维光谱信息,获取高光谱分辨率的连续、窄波段图像数据。

高光谱图像（Hyperspectral image）**不仅包含了图像信息，而且可以在光谱维度(101以内)进行展开；不仅可以获得图像每个点的光谱数据，而且可以获得任意一个谱段的图像信息。二维的图像，一维的谱段。

高光谱图像

所谓高光谱图像就是在光谱的维度进行了细致的分割，不仅仅是传统的黑，白，或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道，一次，通过高光谱设备获取的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任意一个谱段的影像信息。

高光谱成像技术是基于非常多的窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间和光谱信息，获取高分辨率的连续、窄波段的图像数据。

高光谱成像原理

以光栅色分光原理为例：

在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会发生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。

数据表现形式：

三维数据中每一个像素，从光谱维这个角度来看，可以看成一种物质在不同波段光谱信号下的表现，如下图中的土壤、水体、植被等。

二、高光谱图像分类的基本原理

不同物质在不同波段光谱信息下具有不同的表现。对于某一物质，不同的光谱波长，可能对应有不同的值(如上图所示)，可以绘制一条关于光谱波长与光谱值间的关系曲线。根据曲线的不同，对高光谱图像的物质进行分类。

三、高光谱图像如何获取？

高光谱图像并非普通的二维图像，而是一种三维数据。

如下图所示：

1.成像原理：星载光谱成像仪会在沿着轨道飞信时，对地表发出不同波段的光谱信号。而地表不同物质对每一个波段的光谱信号的吸收率和反射率都不同，所以星载光谱成像仪根据地表所有物质对每一个波段的光谱的不同反馈信号，可以绘出一副地表的二维图像，加上其他的波段的二维图像，我们就获得了一个三维数据。

注意：图中这个三维数据的每一层对应一个波段的光谱信号。

2.数据表现形式：三维数据中每一个像素，从光谱维这个角度来看，可以看成一种物质在不同波段光谱信号下的表现，如下图中的土壤、水体、植被等。

3.分类原理：不同物质在不同波段光谱信号下的不同表现，可以绘制成一条关于光谱波段和光谱值之间的曲线，根据曲线的差异，我们可以高光谱图像中不同物质进行分类。分类方法有很多，如SVM、稀疏表示。下篇博客将以介绍稀疏表示。

四、高光谱图像的作用

物质识别：高光谱图像能够提供物体在不同波长下的辐射信息，通过对这些信息的分析，可以识别物体的材料和化学成分。这在环境监测、生物医学和地质勘探等领域具有重要意义。

环境监测：高光谱图像可以用于环境监测，如监测水体污染、大气污染等。通过对污染源的识别和分析，有助于制定相应的治理措施。

生物医学：高光谱图像在生物医学领域具有广泛的应用前景，如皮肤癌检测、血液分析等。通过对人体组织的高光谱成像分析，可以实现对疾病的早期诊断和精确治疗。

地质勘探：高光谱图像在地质勘探领域也有重要应用，如矿产资源勘查、地形地貌分析等。通过对地质物体的高光谱成像分析，可以更好地理解地质结构和演化过程。

五、高光谱图像的应用领域

环境科学：环境科学家利用高光谱图像监测环境污染，分析污染源的成分和分布情况，为环境保护提供科学依据。

生物医学：医生和研究人员利用高光谱图像进行疾病诊断和治疗，如皮肤癌检测、血液分析等。

地质勘探：地质学家利用高光谱图像勘查矿产资源，分析地形地貌，为地质研究和勘探提供支持。

农业监测：农业科学家利用高光谱图像监测作物生长状况，分析土壤养分含量和分布情况，为精准农业提供数据支持。

六、高光谱图像的未来发展趋势

提高成像分辨率：未来的高光谱图像技术将不断提高成像分辨率，从而更好地揭示物体的细节信息。

拓展应用领域：高光谱图像技术将逐渐拓展应用领域，如军事侦察、安全监控等。

融合多光谱技术：未来的高光谱图像技术将融合多光谱技术，实现多光谱和高光谱数据的协同分析，提高成像质量和分析效果。

高光谱图像作为一种新兴的成像技术，具有广泛的应用前景和重要的科学价值。通过对物体在不同波长下的电磁波辐射的捕捉和分析，高光谱图像能够揭示物体的细节和本质，为环境监测、生物医学、地质勘探等领域提供有力的支持。随着技术的不断发展，高光谱图像将在更多领域得到应用，为人类更好地认识和保护地球环境提供有力支持。