成像光譜儀是20世紀80年代開始在多光譜遙感成像技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，它以高光譜分辨率獲取景物或目標的高光譜圖像，在航空、航天器上進行陸地、大氣、海洋等觀測中有廣泛的應用，高光譜成像儀可以應用在地物精確分類、地物識別、地物特征信息的提取。建立目標的高光譜遙感信息處理和定量化分析模型后，可提高高光譜數(shù)據(jù)處理的自動化和智能化水平。由于成像光譜儀高光譜分辨率的巨大優(yōu)勢，在空間對地觀測的同時獲取眾多連續(xù)波段的地物光譜圖像，達到從空間直接識別地球表面物質(zhì)的目的，成為遙感領域的一大熱點，正在成為當代空間對地觀測的主要技術(shù)手段。地面上采用光譜成像儀也取得了很大的成果，如科學研究、工農(nóng)林業(yè)環(huán)境保護等方面。本文主要簡述高光譜成像儀的基本原理和在農(nóng)林環(huán)境保護等方面的應用。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

高光譜成像儀將成像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合在一起，在探測物體空間特征的同時并對每個空間像元色散形成幾十個到上百個波段帶寬為10nm左右的連續(xù)光譜覆蓋。根據(jù)成像光譜儀的掃描方式，其工作原理也不盡相同，作為光學成像儀成像的一個例子，這里簡述一下焦平面探測器推掃成像原理。

1.1 系統(tǒng)工作原理

焦平面探測器推掃成像原理見圖1。地面物體的反射光通過物鏡成像在狹縫平面，狹縫作為光欄使穿軌方向地面物體條帶的像通過，擋掉其他部分光。地面目標物的輻射能通過指向鏡，由物收鏡收集并通過狹縫增強準直照射到色散元件上，經(jīng)色散元件在垂直條帶方向按光譜色散，用會聚鏡會聚成像在傳感器使用的二維CCD面陣列探測元件被分布在光譜儀的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狹縫，稱空間維，每一行水平光敏元上是地物條帶一個光譜波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，稱光譜維，每一列光敏元上是地物條帶一個空間采樣視場(像元)光譜色散的像。這樣，面陣探測器每幀圖像數(shù)據(jù)就是一個穿軌方向地物條帶的光譜數(shù)據(jù)，加上航天器的運動，以一定速率連續(xù)記錄光譜圖像，就得到地面二維圖像及圖形中各像元的光譜數(shù)據(jù)，即圖像立方體。

圖1.光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)

1.2 光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)構(gòu)成

光譜成像儀由光學系統(tǒng)、信號前端處理盒、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)三部分組成。

數(shù)據(jù)的回放及預處理通過專用軟件在高性能的微機上完成。軟件具有如下功能：數(shù)據(jù)備份；快速回放；數(shù)據(jù)規(guī)整和格式轉(zhuǎn)換；圖像分割截取；標準格式的圖像數(shù)據(jù)生成等。

2 成像光譜儀的應用

成像光譜儀的應用范圍遍及化學、物理學、生物學、醫(yī)學等多個領域，對于純定性到高度定量的化學分析和測定分子結(jié)構(gòu)都有很大應用價值。如在生物化學研究中，可以利用喇曼光譜鑒別一些物質(zhì)的種類，還可以測定分子的振動轉(zhuǎn)動頻率，定量地了解分子間作用力和分子內(nèi)作用力的情況，并推斷分子的對稱性，幾何形狀、分子中原子的排列，計算熱力學函數(shù)、研究振動一轉(zhuǎn)動拉曼光譜和轉(zhuǎn)動拉曼光譜，可以獲得有關(guān)分子常數(shù)的數(shù)據(jù)。對非極性分子，因為它們沒有吸收或發(fā)射的轉(zhuǎn)動和振動光譜，振動轉(zhuǎn)動能量和對稱性等許多信息反映在散射譜中。對于極性分子，通過紅外光譜固然可以獲得不少分子參數(shù)的知識，但是為了得到更完備的資料，也往往同時觀測紅外光譜和拉曼光譜，它們具有不同的選擇定則，可以提供互補的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在這兩種光譜相互配合已經(jīng)成為有力的研究工具。

圖2. 光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光譜成像儀在土地利用、農(nóng)作物生長、分類，病蟲害檢測，海洋水色測量，城市規(guī)劃、石油勘探、地芯地貌及軍事目標識別等方面也有很廣泛和深遠的應用前景。可見光近紅外光譜范圍超光譜成像儀最廣闊的應用領域為植被和海洋；植被的反射光譜特征主要取決于葉片中的葉綠素含量和成份，正常生長的植物有典型的光譜形狀；當生長不良、病蟲害、地下金屬礦物誘導病變等因素會引起反射強度比例變化和吸收光譜特征(0.68μm)的微小位移，這種位移的觀測要求超光譜成像儀具有優(yōu)于5nm的光譜分辨率和100以上的信噪比。在光波范圍能夠觀測水下狀況的只有可見光，其中穿透性最好的波長范圍為0.45～0.60μm(藍光至黃光)，亦被稱為“海洋窗口”。可見光超光譜成像儀可以觀測海洋中沉積性懸浮物、浮游生物、葉綠素的分布等海況，但是獲取海洋表層中懸浮體物質(zhì)在質(zhì)量和數(shù)量方面的信息時，不僅需要高光譜分辨率，而且要很高的輻射靈敏度(信噪比500以上)。

審核編輯黃宇