第1章 高光谱遥感图像成像原理及特点
1.1 高光谱遥感理论基础概述
自然界内的所有物体在温度高于绝对零度时都会发射电磁波，并吸收或反射其他物体发射的电磁波。遥感技术就是接收、记录电磁波与地物间的相互作用随波长大小发生变化的技术。按照波长范围的不同，电磁波波谱可分为不同的波谱区间，遥感技术采用的电磁波波谱范围为紫外线到微波波段，遥感技术所用电磁波波谱图如图1-1所示。高光谱遥感是高光谱分辨率遥感的简称，可以同时获取描述地物分布的二维空间分布与描述地物光谱特征属性的一维光谱信息，可以获取包括可见光、近红外、短波红外、中红外等电磁波谱范围内的近似连续的反映地物属性的光谱特征*线，其光谱分辨率为纳米级，使得许多原本在可见光或者多光谱图像中无法获取的光谱信息能够被探测到[1]。
1.1.1 太阳辐射基本理论
太阳辐射的能量是遥感技术的主要能量来源，太阳辐射是指太阳以电磁波的形式向外传递能量的物理现象。地球上主要的电磁辐射是太阳辐射，太阳辐射的光学频谱，即太阳辐射谱覆盖了从X射线到无线电波的频谱范围，主要集中在0.2～10.0μm波段，其中又可以分为波长较短的紫外线、波长较长的红外线和介于二者之间的可见光三个主要波段。太阳辐射的能量主要分布在可见光与红外线(0.3～5.6μm)，其中可见光的辐射能量约占太阳辐射总能量的50%，红外线的辐射能量约占太阳辐射总能量的40%。
1.1.2 太阳辐射与物质的相互作用
太阳辐射在传输过程中会不可避免地受到与之相关介质的相互作用，其中，主要包括太阳辐射与大气间的相互作用、太阳辐射与地物间的相互作用。下面将对二者进行简要介绍。
太阳辐射与大气间的相互作用
从微观组成上看，大气成分主要包含气体分子和其他微粒。气体分子以氮气(N2)和氧气(O2)为主，二者占比达到了99%，剩余部分为臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)和其他气体(N2O、CH4、NH3等)。其他微粒主要包括烟、尘埃、小水滴和气溶胶。
图1-1 遥感技术所用电磁波波谱图
从宏观结构上看，大气结构，即大气层，从低到高主要包括对流层、平流层、中间层、电离层和外层。对流层位于大气层的昀底层。平流层的上层为中间层，底部为同温层(航空遥感活动层)，同温层以上，温度由于臭氧层对紫外线的强吸收而逐渐升高。电离层大气中的氧气、氮气受紫外线照射而电离，对遥感波段是透明的，是陆地遥感卫星的活动空间。外层内的空气极其稀薄，对遥感卫星的活动基本没有影响。此外，基于高光谱遥感器采集的太阳辐射信号波段选择的原因，在大气宏观结构内，对高光谱遥感器影响昀大的是对流层与平流层。
当太阳辐射穿过大气层而到达地面时，大气中的空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、折射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。太阳辐射被大气层反射回太空的部分约占太阳总辐射的30%，被大气吸收的部分约占太阳总辐射的17%，被大气散射成为漫反射的部分约占太阳总辐射的22%，剩余部分约占太阳总辐射的31%，直射到达地球表面。海平面的太阳辐射图如图1-2所示。大气上界太阳辐射光谱*线理论上近似于5800K黑体辐射的光谱*线。但是，地球大气会在多个波段对太阳辐射进行吸收，使得海平面上太阳辐照度光谱*线变得与大气上界太阳辐照度光谱*线相差较大。
图1-2 海平面的太阳辐射图
太阳辐射与地物间的相互作用
任何地物都有自身的电磁辐射规律，如反射、发射、吸收电磁波的特性，少数还有透射电磁波的特性。不同地物的反射、吸收和透射能力是不同的。地物对电磁波反射、吸收和透射能力通常利用反射率、吸收率和透射率进行定量衡量。目前，在高光谱遥感技术研究中，高光谱传感器记录的主要是地物本身发射的电磁波信息和地物对到达地表太阳辐射的反射电磁波信息。因此，地物的光谱反射率是在高光谱遥感研究中用来对地物特性进行研究的主要对象。影响地物光谱反射率的因素包括：太阳高度角和方位角、传感器的方位角和观测角、地理位置、地形、季节、大气透明度、地物本身的变异、时间推移、入射电磁波的波长，以及地物的类别、组成、结构、电磁特性和地物表面特征(质地、粗糙程度)等。
其中，影响地物光谱反射率的主要因素包括入射电磁波的波长和地物类别。地物光谱反射率会随着入射电磁波波长的变化而变化，这种变化规律称为地物的反射光谱。地物光谱反射率随波长变化的*线称为光谱反射率*线。地物光谱特征差异是高光谱遥感技术对地物进行识别的基本原理。下面将简要介绍自然界中常见的典型地物类型的反射光谱特征。
几种不同典型地物的光谱反射率*线图如图1-3所示。从图中可以看出，不同典型地物的光谱反射率*线存在较为明显的差异。具体地说，雪在蓝光0.5μm附近有一个反射峰，随着波长的增加，反射率逐渐降低，但在可见光的蓝绿波段反射率均较高。小麦在绿光0.74μm附近有一个反射峰，两侧的红光和蓝光有着明显的吸收，在近红外波段有强反射。沙漠在橙光0.6μm附近有一个反射峰。湿地在所有波段上的反射都较弱。因此，使用0.4～0.5μm波段的光谱反射率*线可以把雪与其他地物区分开；使用0.5～0.6μm波段的光谱反射率*线可以把沙漠和小麦、湿地区分开；使用0.7～0.9μm波段的光谱反射率*线可以把小麦和湿地区分开。
图1-3 几种不同典型地物的光谱反射率*线图
1.2 高光谱遥感图像成像机理与方式
1.2.1 高光谱遥感图像成像机理
高光谱遥感图像是由高光谱传感器获取的。高光谱传感器通常是指在400～2500nm波长范围内能够产生光谱分辨率小于10nm的成像传感器。由于高光谱传感器的光谱分辨率通常较高，在一定波长范围内对地物进行连续光谱成像，所以高光谱传感器也称为成像光谱仪。
太阳辐射传递成像过程示意图[2]如图1-4所示。在太阳辐射从辐射源(太阳)到高光谱传感器的传输过程中，必须经历太阳—大气—地物—大气—成像光谱仪的太阳辐射信号传递过程。携带地物属性信息的太阳辐射信号到达成像光谱仪后，通过前置光学设备，被分光装置分解成不同波长、近似连续的高光谱分辨率信号。然后，由对应的光电探测器接收并转换为电信号，实现光电转换过程，昀后通过数模转换器得到原始的高光谱数据，成像光谱仪主要成像过程示意图如图1-5所示[3]。
图1-4 太阳辐射传递成像过程示意图[2]
1.2.2 成像光谱仪的空间成像方式
高光谱遥感的数据成像既包含一维光谱数据成像，也包含二维空间数据成像。成像光谱仪按照空间成像方式的不同，主要分为摆扫式、推扫式、框幅式以及窗扫式等[4]，常用的为摆扫式成像光谱仪和推扫式成像光谱仪。下面分别简要介绍这两种空间成像方式成像光谱仪。
**种是摆扫式成像光谱仪。摆扫式成像光谱仪示意图如图1-6所示。摆扫式成像光谱仪由扫描镜的左右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像，其采用线阵探测器来同时获取瞬时视场像元的所有光谱维信息[5]。摆扫式成像光谱仪是逐像元成像的，其优点是：总视场范围广，像元配准好，不同波段任何时候都凝视同一像元；在每个光谱波段只有一个探测元件需要定标，增强了数据的稳定性。其不足之处在于：采用光机扫描，每个像元的凝视时间很短，严重制约了图像分辨率及信噪比的提高，而且跨轨方向扫描成像，造成跨轨方向图像边缘被压缩，且离星下点越远，压缩畸变越严重，并形成固有畸变。
图1-5 成像光谱仪主要成像过程示意图[3]
图1-6 摆扫式成像光谱仪示意图
第二种是推扫式成像光谱仪。推扫式成像光谱仪采用一个垂直于运动方向的面阵探测器，在飞行平台向前运动的同时获得待测地物空间一个成像行中每个空间像元的所有光谱维信息。推扫式成像光谱仪示意图如图1-7所示。推扫式成像
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