1高光譜遙感(HyperspectralRemoteSensing)--具有高光譜分辨率的遙感科學與技術成像遙感光譜遙感成像光譜圖譜合一

在特定的光譜域以高光譜分辨率同時獲得連續的地物光譜圖像，使得遙感應用可以在光譜維上進行空間展開，定量分析地球表層物化特性和參數。遙感成像技術的發展一直伴隨著兩方面的進步：一是通過減少遙感器的瞬時視場角（InstantaniousFiledofView,IFOV）而提高遙感圖像的空間分辨率（SpectralResolution);二是通過增加波段數量和減少每個波段的帶寬來提高遙感圖像的光譜分辨率（SpectralResolution）光譜學Spectroscopy成像技術ImagingTechnology成像光譜學Imagingspectrometry

光譜學（spectroscopy）：是光學的一個分支學科，研究各種物質的光譜的產生及其同物質之間相互作用。簡史經典光譜學源于IsascNewton（1642-1727）的棱鏡分光實驗，通過棱鏡把可見光分成了單色光的光譜。英國物理學家WilliamWollaston（1766-1828）發現當光投影到一個狹縫時產生的暗線。德國的JosephFraunhofer（1787-1826）在1814～1815年之間，公布了太陽光譜中的許多條暗線，并以字母來命名，其中有些命名沿用至今。此后便把這些線稱為夫瑯和費暗線。一、電磁輻射及電磁波譜光是電磁輻射的一種，是一種以巨大速度通過空間而不需要任何物質作為傳播媒介的光子流，它具有波動性和微粒性。電磁輻射的波動性

波長是在波的傳播路線上具有相同振動相位的相鄰兩點之間的線性距離。頻率是每秒內的波動次數，波數是每厘米長度中波的數目。波動天下波動統治世界

水面波是我們能直接觀察到的最常見的一種波，這是波動傳播機械能的最直觀和典型的例子。波動是自然界最廣泛存在的一種運動形式，也是傳遞能量和信息最基本和最主要的形式。波動天下

水波雖然直觀形象，但它是一種復雜的波，因為形成水波的力主要是重力(有時還要考慮表面張力)。而機械波(廣義的聲波)和電磁波卻主要是簡單的波，也就是所謂的簡諧波，也稱正弦或余弦波波動天下我們與外界交換信息的感覺器官主要是耳朵和眼睛，耳朵可以感知聲波，眼睛可以感知電磁波，我們時時刻刻都處在這兩種波的包圍之中，所以在我們認識的自然界中，聲波和電磁波占據了主導地位。波動天下

推而廣之，在非自然界領域，也有各種“力”的存在，有力就有運動的變化，這種變化常表現為波動的形式。比如，經濟的波動、股市的波動、情緒的波動等等，社會學上的波動是群體的“合力”作用的結果。電磁輻射及電磁波譜2.電磁輻射的粒子性普朗克認為物質對輻射能的吸收和發射是不連續的，是量子化的。當物質內的分子或原子發生能級躍遷時，若以輻射能的形式傳遞能量，則輻射能一定等于物質的能級變化。電磁輻射及電磁波譜著名的普朗克公式電磁輻射及電磁波譜

從射線一直到無線電波都是電磁輻射，光是電磁輻射的一部分，他們在性質上是完全相同的，區別在于波長或頻率不同，即光子具有的能量不同。*輻射能的特性(1)吸收物質選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級躍遷到高能級；(2)

發射將吸收的能量以光的形式釋放出；(3)散射丁鐸爾散射和分子散射；(4)折射折射是光在兩種介質中的傳播速度不同；(5)反射(6)干涉干涉現象；(7)衍射光繞過物體而彎曲地向他后面傳播的現象；(8)偏振只在一個固定方向有振動的光稱為平面偏振光。光譜

光學光譜包含著遙遠天體豐富的物理信息，這些光線就如同生物體的“DNA”，標識著天體的組成成分及與我們的距離。

光譜發射光譜定義：由發光體直接產生的光譜連續光譜｛產生條件：熾熱的固體、液體和高壓氣體發光形成的光譜的形式：連續分布，一切波長的光都有線狀光譜｛（原子光譜）產生條件：稀薄氣體、金屬蒸氣發光形成的光譜光譜形式：一些不連續的明線組成，不同元素的明線光譜不同（又叫特征光譜）吸收光譜定義：連續光譜中某些波長的光被物質吸收后產生的光譜產生條件：熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體后，再色散形成的光譜形式：用分光鏡觀察時，見到連續光譜背景上出現一些暗線（與特征譜線相對應）

小結：各種光譜的特點及成因：二、光譜分析的概念

光譜分析法是基于物質發射的電磁輻射及電磁輻射與物質的相互作用而建立起來的分析方法。（1）由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據光譜來鑒別物質和確定物質的組成成分。這種方法叫做光譜分析。（2）光譜分析法由基爾霍夫開創的。

（3）優點：靈敏度高。樣本中一種元素的含量達到10-10g時就可以被檢測到。（4）同種物質吸收光譜中的暗線與它明線光譜中的明線相對應，明線光譜和吸收光譜中的譜線都是原子的特征光譜，都可以用于光譜分析。

光譜分析三、原子光譜和分子光譜

原子光譜是原子核外電子在不同能級間躍遷而產生的光譜。是由一條條明銳的彼此分立的譜線組成的線狀光譜。*

1.原子光譜1）.光譜項符號原子外層有一個電子時，其能級可由四個量子數決定：主量子數n；角量子數l；磁量子數m；自旋量子數s；原子外層有多個電子時，其運動狀態用總角量子數L；總自旋量子數S；內量子數J

描述；*2）電子能級躍遷的選擇定則根據量子力學原理，電子的躍遷不能在任意兩個能級之間進行；必須遵循一定的“選擇定則”：（1）主量子數的變化Δn為整數，包括零；（2）總角量子數的變化ΔL=±1；（3）內量子數的變化ΔJ=0，

±1；但是當J=0時，ΔJ=0的躍遷被禁阻；（4）總自旋量子數的變化ΔS=0

，即不同多重性狀態之間的躍遷被禁阻；*2）.能級圖元素的光譜線系常用能級圖來表示。最上面的是光譜項符號；最下面的橫線表示基態；上面的表示激發態；可以產生的躍遷用線連接；線系：由各種高能級躍遷到同一低能級時發射的一系列光譜線；如萊曼系—紫外區*4.共振線元素由基態到第一激發態的躍遷最易發生，需要的能量最低，產生的譜線也最強，該譜線稱為共振線，也稱為該元素的特征譜線；吸收光譜和發射光譜E2E0E1E3原子發射光譜原子吸收光譜

原子光譜的不連續性反映出原子結構的不連續性，所以光譜分析也可以用于探索原子的結構。

2.分子光譜原子光譜為線狀光譜，分子光譜為帶狀光譜；為什么？原子光譜圖分子光譜圖1）.分子中的能量E=Ee+Ev+Er+En+Et+Ei分子中原子的核能：En分子的平移能：Et電子運動能：Ee原子間相對振動能：Ev分子轉動能：Er基團間的內旋能：Ei在一般化學反應中，En不變；Et、Ei較小；

E=Ee+Ev+Er分子產生躍遷所吸收能量的輻射頻率：

ν=ΔEe/h+ΔEv/h+ΔEr/h2）.躍遷類型與分子光譜分子光譜復雜，電子躍遷時帶有振動和轉動能級躍遷；分子的紫外-可見吸收光譜是由純電子躍遷引起的，故又稱電子光譜，譜帶比較寬；分子的紅外吸收光譜是由于分子中基團的振動和轉動能級躍遷引起的，故也稱振轉光譜；分子的熒光光譜是在紫外或可見光照射下，電子躍遷至單重激發態，并以無輻射弛豫方式回到第一單重激發態的最低振動能級，再躍回基態或基態中的其他振動能級所發出的光；分子的磷光是指處于第一最低單重激發態的分子以無輻射弛豫方式回到第一最低三重激發態，再躍遷回到基態所發出的光；光譜分析三個基本過程（1）能源提供能量；（2）能量與被測物之間的相互作用；（3）產生被檢測信號。四、光譜儀五個基本單元：光源；單色器；樣品；檢測器；顯示與數據處理；四、光譜儀1.光源依據方法不同，采用不同的光源：火焰、燈、激光、電火花、電弧等；依據光源性質不同，分為：

連續光源：在較大范圍提供連續波長的光源，氫燈、氘燈、鎢絲燈等；

線光源：提供特定波長的光源，金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、空心陰極燈、激光等；2.單色器

單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長可在很寬范圍內任意改變；主要部件：（1）進口狹縫；（2）準直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線；（3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的角度進行傳播；

（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個單色光束在單色器的出口曲面上成像。棱鏡

棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率，波長長的光，折射率小；波長短的光，折射率大。平行光經過棱鏡后按波長順序排列成為單色光；經聚焦后在焦面上的不同位置上成像，獲得按波長展開的光譜；

棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料；棱鏡的光學特性可用色散率和分辨率來表征；棱鏡的特性與參數（1）色散率

角色散率：用dθ/dλ表示，偏向角θ對波長的變化率；

棱鏡的頂角越大或折射率越大，角色散率越大，分開兩條相鄰譜線的能力越強，但頂角越大，反射損失也增大，通常為60度角；

線色散率：用dl/dλ表示，兩條相鄰譜線在焦面上被分開的距離對波長的變化率；倒線色散率：用dλ/dl表示，（2）分辨率

相鄰兩條譜線分開程度的度量：：兩條相鄰譜線的平均波長；△λ：兩條譜線的波長差；b：棱鏡的底邊長度；n：棱鏡介質材料的折射率。

分辨率與波長有關，長波的分辨率要比短波的分辨率小，棱鏡分離后的光譜屬于非均排光譜。光柵

透射光柵，反射光柵；光柵光譜的產生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同作用的結果，前者決定光譜出現的位置，后者決定譜線強度分布；光柵的特性

ABCDE表示平面光柵的一段；

光線L在AJF處同相，到達AKI平面，光線L2M2要比光線L1M1多通過JCK這段距離。FEI=2JCK，其后各縫隙的光程差將以等差級數增加，3JCK、4JCK等。當光線M1、M2、M3到達焦點時，如果他們沿平面波陣面AKI同相位，他們就會產生一個明亮的光源相，只有JCK是光線波長的整數倍時才能滿足條件。光柵的特性：

如果：d=AC=CE

JC+CK=d(sinα+sinθ)=nλ

即光柵公式：d(sinα+sinθ)=nλα、θ分別為入射角和反射角；整數n為光譜級次；d為光柵常數；

α角規定取正值，如果θ角與α角在光柵法線同側，θ角取正值，反之區負值；當n=0時，零級光譜，衍射角與波長無關，無分光作用。光柵的特性：

將反射光柵的線槽加工成適當形狀能使有效強度集中在特定的衍射角上。圖所示反射光柵是由與光柵表面成β角的小斜面構成(小階梯光柵，閃耀光柵)，β角叫做閃耀角。選擇適宜的閃耀角，可以使90%的有效能量集中在單獨一級的衍射上。光柵的參數：

光柵的特性可用色散率和分辨率來表征，當入射角不變時，光柵的角色散率可通過對光柵公式求導得到：

dθ/dλ為入射角對波長的變化率，即光柵的角色散率。

當θ很小，且變化不大時，cosθ≈1，光柵的角色散率決定于光柵常數d和光譜級數n，常數，不隨波長改變，均排光譜（優于棱鏡之處）。角色散率只與色散元件的性能有關；線色散率還與儀器的焦距有關。光柵的線色散率

f為會聚透鏡的焦距。光柵的分辨能力根據Rakleigh準則來確定。

等強度的兩條譜線（I，II）中，一條（II）的衍射最大強度落在另一條的第一最小強度上時，兩衍射圖樣中間的光強約為中央最大的80%，在這種情況下，兩譜線中央最大距離即是光學儀器能分辨的最小距離（可分離的最小波長間隔）；光柵的分辨率R

光柵的分辨率R等于光譜級次（n）與光柵刻痕條數（N）的乘積：

光柵越寬l、單位刻痕數越多b、R越大。

寬度50mm，N=1200條/mm，一級光譜的分辨率：

R=1×50×1200=6×104狹縫

單色器的進口狹縫起著單色器光學系統虛光源的作用。復合光經色散元件分開后，在出口曲面上形成相當于每條光譜線的像，即光譜。轉動色散元件可使不同波長的光譜線依次通過。分辨率大小不僅與色散元件的性能有關，也取決于成像的大小，因此希望采用較窄的進口狹縫。分辨率用來衡量單色器能分開波長的最小間隔的能力；最小間隔的大小用有效帶寬表示：

S=DWD為線色散率的倒數；W為狹縫寬度；

在原子發射光譜分析中，定性分析時，減小狹縫寬度，使相鄰譜線的分辨率提高；定量分析時，增大狹縫寬度，可使光強增加。狹縫兩邊的邊緣應銳利且位于同一平面上；3.試樣裝置

光源與試樣相互作用的場所（1）吸收池紫外-可見分光光度法：石英比色皿熒光分析法：紅外分光光度法：將試樣與溴化鉀壓制成透明片（2）特殊裝置原子吸收分光光度法：霧化器中霧化，在火焰中，元素由離子態→原子；原子發射光譜分析：試樣噴入火焰；詳細內容在相關章節中介紹。4.檢測器（1）光檢測器主要有以下幾種：硒光電池、光電二極管、光電倍增管、硅二極管陣列檢測器、半導體檢測器；（2）熱檢測器主要有：真空熱電偶檢測器：紅外光譜儀中常用的一種；熱釋電檢測器：5.信號、與數據處理系統

現代分析儀器多配有計算機完成數據采集、信號處理、數據分析、結果打印，工作站軟件系統；成像光譜儀示意圖成像光譜儀參數光譜分辨率，是指探測器在波長方向上的記錄寬度，被定義為儀器在達到50%光譜響應時的波長寬度。空間分辨率，由儀器的角分辨力，即儀器的瞬時視場角決定。遙感器的瞬時視場角是指遙感系統在某一瞬間，探測單元對應的瞬時視場。決定了地面像元大小。儀器的視場角，與系統平臺高度決定了地面掃描幅寬。調制傳遞函數，決定清晰度。信噪比，信號與噪聲的比。探測器的凝視時間，探測器的瞬時視場角掃過地面分辨單元的時間稱為凝視時間，其大小為行掃描時間與每行像元數的比值，凝視時間越長，進入探測器的能量越多。空間分辨率光譜分辨率一、概述發展方向：提高光譜分辨率超光譜一、概述成像光譜技術=成像技術+光譜技術成像光譜儀為每個像元提供數十個至數百個窄波段的光譜信息，每個像元都能產生一條完整而連續的光譜曲線。一、概述多光譜高光譜超光譜波段數少≤10多10~100非常多100~1000分辨率10-1λ10-2λ10-3λ圖譜分離合一合一通道連續性不連續連續連續一、概述

1.棱鏡、光柵型成像光譜儀二、技術類型最成熟，但光通量和分辨率低OrbView24衛星

2.傅里葉變換光譜成像系統邁克爾遜干涉法是建立在具有一個不動鏡和一個動鏡的邁克爾遜干涉儀基礎上,它可實現相當高精度的光譜測量,但對擾動比較敏感,對機械掃描精度要求也高,因此儀器結構龐大、成本高。二、技術類型特點：有運動部件，結構復雜，分辨率高，不能隨意掃描嫦娥一號的高光譜干涉成像光譜儀3.液晶光譜成像系統二、技術類型VISR:500-720nm(0.25nm)SNIR:650-1100nm(7或10nm)NIRR:650-1100nm(0.75nm)LNIR:850-1800nm(6或20nm)XNIR:1200-2450nm(7nm)低溫能力差-20℃-+70℃4.采用二元光學元件的成像光譜儀效率已經達到99%在1秒內獲取高達400多個光普通道的超光譜圖像,光譜范圍覆蓋了VNIR、SWIR、MWIR和TIR波段。二、技術類型

有運動部件是20世紀90年代發展起來的一種新型高光譜探測技術5.空間外差光譜（SHS）技術特點：超光譜、光通饋大、無運動部件、任意波段范圍等，特別適合星載大氣微量氣體的探測。308nm處光譜分辨率0.02nm二、技術類型特點：任意選定一組波長掃描，分辨率高，全固化，溫度范圍寬6.聲光高光譜成像系統二、技術類型三、應用水質監測水質生態狀況、水溫分布、葉綠素分布、懸浮物濃度、有色溶解性有機物濃度等大氣監測氣溶膠、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、風速等生態環境生物多樣性、濕地、土壤退化、農田殘留物、植物重金屬污染等醫學診斷、中醫舌診、組織研究等軍事目標識別隱蔽自己，揭露敵人的偽裝等大氣監測三、應用依靠參數反演來獲取作物長勢、水肥虧缺狀況、營養組分含量、品質產量、病蟲害三、應用農業黃鐵礦黃鉀鐵礬礦針鐵礦和黃鉀鐵礬針鐵礦赤鐵礦三、應用探礦三、應用軍事偵查植物葉片反射率曲線美軍標綠色涂層光譜曲線歐洲月球探測：SMART-1（2003年），攜帶有高光譜分辨率的紅外光譜儀(SIR)中國嫦娥探月：搭載有干涉成像光譜儀：譜段范圍480nm-960nm，42個波段。日本SELENE探月：中包含了一臺成像光譜儀-SP印度月球