范文一:成像光谱仪的分光原理
成像光谱仪的分光原理
成像光谱仪的分光原理
2010年07月01日
三(成像光谱仪的分光技术
一. 衍射光栅和棱镜的波长色散
无论采用什么样的波长色散器件(Wavelength Dispersive Element,WDE),所有的光谱仪包括成像光谱仪(Spectrometer)的工作都具有相同的几何光学的知识,即光线以一定的入射角照射到波长色散器件上,然后受这个器件是衍射光栅还是棱镜决定,不同的波长以不同的衍射角或者折射角被衍射或折射出去。目前新兴的成像光谱仪的独特之处在于它同时获得多个波长信息,这就构成了与传统各种光谱仪的本质区别。图1就很好地给出二者的差别
图1. 波长色散器件为衍射光栅和棱镜的光谱仪构造图.图(a): 传统的单色仪,入光口(狭缝)和出光口位置固定而通过波长色散器件旋转改变波长;图(b):波长色散器件位置固定,而衍射角(折射角)随着波长改变而变化,多像素光电探测器位于焦平面处同时记录所有的波长信息,Alpha为入射角,而Beta为衍射角(对于棱镜而言则成为折射角),k是级次(棱镜仅仅有一个折射级次,而光栅有多个衍射级次),Beta-min是光电探测器能够接收的最短波长的衍射角,Beta-max是光电探测器能够接收到的最长波长的衍射角,Lambda为波长,Dv是波长色散器件中心的固定角。一般的,参考线(reference line)垂直于光学器件,角度就以该参考线开始计算。La是入射狭缝到第一个有效光学器件(如准直镜片)的距离,Lb是最后的有效光学器件到出光口或探测器的距离,Lh是最后聚焦光学器件到焦平面的垂直距离。
如图1a所示,对于单色仪而言,通过旋转波长色散器件而使用光电倍增管顺次逐一记录下每一个波长的信号,而图1b所示的光谱仪中,却使用线阵光电探测器或多维阵列CCD相机同时采集一系列波长的信息。此时选择光谱仪时要根据光电探测器的大小而确保所有色散的光线不要超出探测器面积的大小,
换句话说,要首先确定光电探测器,光谱仪的其他光学元件要围绕确定的探测器展开设计。
尽管基于棱镜和衍射光栅的光谱仪都使用了相同的几何光学设计,后者显然由于良好的特性而倍受欢迎, 因此我们将着重以光栅方程为根本的光谱仪知识。 大多数基于波长色散器件的光谱仪都要求准直或聚焦光学部件以收集入射狭缝处更多的光或把色散后的光更好地聚焦在探测器上。为了简明地介绍基本知识,这些准直或聚焦组件没有在图1中标出。
二(衍射光栅方程
衍射光栅由三种类型:经典的刻槽光栅(Classically Ruled, CR),全息表面起伏光栅(Holographic Surface Relief ,HSRG)和体积全息光栅(Volume holographic, VHG),前两种光栅通常使用于平面,平凹面,凸面的
反射,而体积全息光栅则是透射光栅。
经典的光栅(CR)是对镀金或镀铝的空白玻璃进行机械刻画抛光产生的周期性凹槽。世界上最早的光栅样品是夫琅和费在1817年使用机器制作成的,自那时起,人们就不断研发出先进的光栅划线机器,这些机器也促使了光栅加工精度,准确性,凹槽形状,凹槽间隙等得到质量上的大幅度提高,同时也使得人们可以制作出大尺度的高密度的光栅,即使在曲面上也能获得5000个/毫米的光栅米。
全息光栅的制做比较特殊,它通过让两束扩展后的激光光束在光刻胶介质上相干产生干涉条纹并被记录下来,经过处理后产生窦柱状凹槽。这种光栅不需要任何另外的聚焦或准直光学组件,这种上的简化使得全息光栅对于紧凑型的单色仪或光谱仪应用非常适合。
不管是经典的光栅还是全息光栅,作为衍射光栅都遵循光栅方程:
(1)
在单色仪中,入射角和衍射/折射角都是波长的函数,但是在光谱仪中,入射角是固体的,而衍射/折射角却随着每一个波长变化。
对于透射光栅,就需要修正方程(1)以让它涵盖折射率和玻璃基质的厚度影响。
偏离角是一个固定角,是由入射角和衍射角之和组成.
(2)
在光谱仪中,光电探测器的位置固定,而偏离角就不同了,入射到光电探测器第一个像素和最后一个像素的光线偏离角是完全不同的,对应于Lambda-max 和Lambda-min.
偏离角是光谱仪的常量,如果凹槽密度不变,偏离角也不会变。但是对于方程(1)不难看出,Lambda-max和Lambda-min是变化的,为了改变探测器上探测的光谱范围,通常需要旋转波长色散器件。
角色散
两个波长间对应的角度延伸定义为:
(弧度单位)
其中,n是凹槽密度,k为级次, 为角弧度, 两个波长之间的波长差。
线色散
线色散是指光谱差在聚焦平面上的长度,单位是nm/mm. 线色散值低就意味着两个波长的差距大,光谱分辨率高。线色散与波长有关,是待测波长在垂直出射光线Lb方向上距离,如下;
(3)
色散值是波长的函数并随着Lb以及Lb与探测器焦平面的夹角 变化:
闪耀光栅或波长优化衍射光栅(wavelength optimized diffraction
gratings)
刻划光栅只有在一个波长工作时才能达到最优化的状态。
(未完待续)
范文二:成像光谱仪 的原理与应用
成像光谱仪 的原理与应用
2成像光谱仪的应用成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域,对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。如在生物化学研究中,可以利用喇曼光谱鉴别一些物质的种类,还可以{贝0定分子的振动转动频率,定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况,并推断分子的对称性,几何形状、分子中原子的排列,计算热力学函数、研究振动一转动拉曼光谱和转动拉曼光谱,可以获得有关分子常数的数据。对非极性分子,因为它们没有吸收或发射的转动和振动光谱,振动转动能量和对称性等许多信息反映在散射谱中。对于极性分子,通过红外光谱固然可以获得不少分子参数的知识,但是为了得到更完备的资料,也往往同时观测红外光谱和拉曼光谱,它们具有不同的选择定则,可以提供互补的数据。现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研究工具。l光学系统l-I信号处理端l-l数据处理l图2光谱成像仪数据获取系统的结构光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类,病虫害检测,海洋水色测量,城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景。可见光近红外光谱范围超光谱成像仪最广阔的应用领域为植被和海洋;植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶绿素含量和成份,正常生长的植物有典型的光谱形状;当生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起反射强度比例变化和吸收光谱特征(0.68/~m)的微小位移,这种位移的观测要求超光谱成像仪具有优于5nm的光谱分辨率和100以上的信噪比。在光波范围能够观测水下状况的只有可见光,其中穿透性最好的波长范围为0.45~0.60/~m(蓝光至黄光),亦被称为"海洋窗口"。可见光超光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况,但是获取海洋表层中悬浮体物质在质量和数量方面的信息时,不仅需要高光谱分辨率,而且要很高的辐射灵敏度(信噪比500以上)。
2.1在农林业上的应用在农林业上的应用很多,如农作物长势分析、作物类别鉴定、病虫害防治分析、产量评估、林业资源调查、伐林造林、森林草场调查、土地沙化、土壤侵蚀等。2.1.1在农业、林业中的应用高光谱成像仪可以用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品种因素与品质指标之间的相关性『7],还可以得出环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量、沉降值、吸水率、形成时间和稳定时间之间存在的相关性,并利用不同品种、不同肥水条件下的作物关键生育时期的生化参量与光谱指数进行分析,预测预报籽粒品质。2005年6月12日我国首次利用地物光谱仪高空监测小麦条锈病5。在位于昌平小汤山的"国家精准农业研究示范基地"小麦实验田,国家自然科学基金项目研究的"基于3S技术的小麦条锈病监测预警"采用热气球进行近地遥感监测小麦条锈病初步获得成功,这在我国尚属首次。这项研究以小麦条锈病为对象,根据全球定位系统(GPS)的精确定位,利用地理信息系统(GIs)研究其大区流行规律,利用遥感(Rs)技术探索其实时监测新途径(合称3S技术),期望最终构建基于网络的小麦条锈病监测预警信息系统,这项成果将为政府部门制订小麦条锈病防治决策方案提供科学依据,也为信息技术在植物病害研究中的应用提供新的方法借鉴。项目研究的成功将会促进我国重大农作物病害监测与预警系统的规范化和实用化,实现病害大流行早知道,保障粮食生产,增加农民收入,缩小我国植物病害监测预警技术与国际前沿水平的差距。
2.2.2农业作物长势监测主要利用红外波段和近红外波段的遥感信息,得到的植被指数(ND-VI)与作物的叶面积指数和生物量正相关5。利用NDVI过程曲线,特别是后期的变化速率预测冬小麦产量的效果很好,精度较高。在农业应用中,通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥感,来及时(平均2天~3天一次)地提供农作物长势、水肥状况和病虫害情况,称之为"征兆图"(SymptomMaps),供诊断、决策和估产等使用。为了实时地获取数据,需要反复利用航空遥感或利用各个小卫星建立全球数据采集网。高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有待解决,如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标志研究,
遥感与GIS的集成对作物胁迫作用的诊断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥感定量关系。为了解决上面的理论和应用问题,需要抓住高光谱、高分辨率、雷达遥感等技术手段
三S"集成技术等关键技术。对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷和"
量等生物物理参数进行分析和估算。在精准农业研究中,高光谱遥感具有广阔的应用前景。比如可以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参数,就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的生物和农学参数的反演。这种研究可以用来研究生态系统过程,如光合作用、C、N循环等,也可以用来对生态系统进行描述和模拟。最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的光谱特征农学遥感机理,将其应用于遥感估产,做到对农作物生长势的动态监测、病虫害的早期诊断和产量的早期预报。可以用于农业自然灾害(水、旱、火、虫、病等)的遥感实时动态监测和损失评估,主要农作物的长势、播种面积的监测和产量预报以及草地估产、草畜平衡估算,进行农业自然资源与环境的动态监测与评估,进行全国耕地变化的遥感动态监测。
2.2环境监测环境监测主要应用在1.石化工业:如对油品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析等,还可对其有害元素含量是否超标进行分析监测;2.生态环保:污水或水中有害金属分析,植物中残余无机元素的分析;3.建筑、建材工业:结合城市地物和人工目标的检识等,对水泥、玻璃及耐火材料分析。
2.3自然灾害和灾情评估目前我国在加紧研制的环境灾害监测卫星,计划在2005年前研制出由两个光学卫星和一个雷达卫星组成的小卫星星座。在2010年前研制出由四个光学卫星和4个雷达卫星组成的小卫星星座,开展对环境和灾害全天时、全天候的监测。自然灾害监测和灾情评估可以包括很多种,如洪涝、干旱、雪灾、森林大火、地震、海洋状况等。赤潮是指海洋微藻、细菌和原生动物在海水中过度增殖或聚集致使海水变色的一种现象。随着经济发展,沿海富营养化加剧,近年来赤潮的频繁发生和规模的不断扩大,破坏了渔业资源和海产养殖业,赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安全。2002年我国海域共发现赤潮79次,累计面积超过10,000平方公里,直接经济损失2300万元。利用机载高光谱成像仪,获得了赤潮爆发现场8G高光谱数据,"逮"到了赤潮。通过海监船的现场取样和事后数据分析,上海技物所高光谱成像仪利用赤潮种类鉴别软件,数据质量良好,很好地反映了赤潮光谱特性。所以,利用高光谱成像仪获得的数据,可以迅速对赤潮做出反应,有利于赤潮的及早发现、
分类、控制和治理,从而减小赤潮的危害。2004年7月上旬,我国某地附近海域爆发大规模赤潮,有关部门请中科院上海技术物理研究所紧急调拨机载推扫式高光谱成像仪(PHI)到现场探测。经科研人员连夜对仪器进行标定、测试和装箱,第二天即携带PHI,乘坐航空公司的班机赶赴目的地,并及时将仪器装载于海监飞机上。监测数据质量良好,很好地反映了赤潮光谱特性,对赤潮的反应可以达到实用目的。
2.4海洋资源普查利用光谱成像仪可获得海陆相互作用区域的高分辨率图像,可以兼顾海洋和陆地的需求,目前高光谱成像仪已经应用于我国海岸带重点地区(黄河口、长江口和珠江口)的资源和植被调查、海岸带动态监测,以及海岸带变迁的长期研究『8]。叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营养化、赤潮等密切相关的指标,同时,也是研究全球气候变化的重要依据。目前利用高光谱成像仪已能够较准确地确定大洋和远海的叶绿素分布,但近岸水体的叶绿素分布的反演精度还需进一步提高。
美国研制出一台结构紧凑简单的海底高光谱成像仪,解决了由于海水吸收和散射作用使得海底物质显现受阻的难题。这台海底高光谱成像仪可同水下运载工具或底部装有玻璃视窗的船只一起使用,使用时,可对海底进行线性扫描,以获取标准的图像。2002年3月,我国神舟3号载中等分辨率成像光谱仪(CMODIS)上天运行。CMODIS运行在343?5km高空,地面分辨率为400500m,重复覆盖周期为2天,测绘带宽为65O一700km,有34个波段,波长范围在0.4~12.5mm(图版2)。在2002年12月的神舟4号飞行中,载有微波辐射计、雷达高度计和雷达散射计组成的多模态微波传感器。此次试验,在世界上首次实现了三种观测方式在统一监控下的同时工作,还首次采用了扫描天线的方式来观测海洋的风向和风速,获取的数据对进一步掌握风场、海浪动力环境和海气能量的转换,分析海洋灾害、资源等方面都会产生重要的作用。中国科学院所研制的高技术产品"轻型机载高光谱分辨率成像遥感系统"已与马来西亚签署出口协议,将于2005年底交付马来西亚国家遥感中心。
该系统是当今空间遥感技术中最具前沿性的先进光学遥感器,可适应国民经济不同领域的遥感需求,包括为国家宏观决策提供所需基础国情信息服务、为市场需求的各类专业应用服务、为发展航天遥感器提供试验平台以及为生态、环境、大气、海洋遥感等社会公益应用服务等。这个光学成像系统多次服务于
国际遥感应用项目,通过与美国、法国等高技术企业的竞争获得出口马来西亚,是中国此类高技术产品的首次出口,从而实现中国高光谱成像仪器进入国际市场零的突破。专家称,这将为中国高技术的对外合作交流提供新的发展空间,也会提升中国高光谱遥感技术的国际地位。
范文三:【doc】成像光谱仪的原理与应用
成像光谱仪的原理与应用 第33卷第2期
Vo1.33No.2
河南科技学院(自然科学版)
JournalofHenanI
—
n
—
stituteofScienc
——
eand
——
Te~a——
nology
2005年6月
Jun.2005
成像光谱仪的原理与应用
洪新华,姚凯
(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.新乡师范高等专科学校,河南新乡453003)
摘要:论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业,林业,工业及科研,环境保护等方面的应用,对我国光谱仪
的研究发展概况作了简单介绍.
关键词:光谱仪;原理;应用
中图分类号:0433.4文献标识码:A文章编号:1003—482X(2005)02—0113—04 ThePrincipleandApplicationsofSpectral
ImagingSpectroscopy
HONGXin—hua,eta1.
(HenanInstituteofTechnologyandSciences,HenanXinxiang453003)
Abstract:ThebasicprincipleofSpectralImagingSpectroscopy(SIS)isdescribedinthispape
randapplica
tionsofSISareintroducedinAgriculture,Forest,Industry,ScientificResearch,Environment
Protect,eta1.
Keywords:SpectralImagingSpectroscopy,principle,application
成像光谱仪是2O世纪8O年代开始在多光谱 遥感成像技术的基础上发展起来的,它以高光谱 分辨率获取景物或目标的高光谱图像,在航空,航 天器上进行陆地,大气,海洋等观测中有广泛的应 用,高光谱成像仪可以应用在地物精确分类,地物 识别,地物特征信息的提取.建立目标的高光谱遥 感信息处理和定量化分析模型后,可提高高光谱 数据处理的自动化和智能化水平….由于成像光 谱仪高光谱分辨率的巨大优势,在空间对地观测 的同时获取众多连续波段的地物光谱图像,达到 从空间直接识别地球表面物质的目的,成为遥感 领域的一大热点,正在成为当代空间对地观测的 主要技术手段].地面上采用光谱成像仪也取得 了很大的成果,如科学研究,工农林业环境保护等 方面.本文主要简述高光谱成像仪的基本原理和 在农林环境保护等方面的应用.
1系统工作原理与结构
高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在 一
起,在探测物体空间特征的同时并对每个空间 像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm 左右的连续光谱覆盖.根据成像光谱仪的扫描方 式,其工作原理也不尽相同,作为光学成像仪成像
的一个例子,这里简述一下焦平面探测器推扫成 像原理_3j.
1.1系统工作原理
焦平面探测器推扫成像原理见图1.地面物 体的反射光通过物镜成像在狭缝平面,狭缝作为 光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过,挡掉其 他部分光.地面目标物的辐射能通过指向镜,由物 收稿日期:2004—12-22.
基金项目:国家自然科学基金(60278019). 作者简介:洪新华(1957一),河南商城人,副教授,工学博士.研究方向:二元光学理论
与应用,光学设计,红外与毫米
波的应用,计算物理学等.
113
河南科技学院(自然科学版)2005篮
镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上, 经色散元件在垂直条带方向按光谱色散,用会聚 镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探 测元件被分布在光谱仪的焦平面上.焦平面的水 平方向平行于狭缝,称空间维,每一行水平光敏元 上是地物条带一个光谱波段的像;焦平面的垂直 方向是色散方向,称光谱维,每一列光敏元上是地 物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像. 这样,面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方 向地物条带的光谱数据,加上航天器的运动,以一 定速率连续记录光谱图像,就得到地面二维图像 图1光谱成像仪数据获取
系统的结构
1.2光谱成像仪数据获取系统构成
光谱成像仪由光学系统,信号前端处理盒,数 据采集记录系统三部分组成.
数据的回放及预处理通过专用软件在高性能 的微机上完成.软件具有如下功能:数据备份;快 速回放;数据规整和格式转换;图像分割截取;标 准格式的图像数据生成等.
2成像光谱仪的应用
成像光谱仪的应用范围遍及化学,物理学,生 物学,医学等多个领域,对于纯定性到高度定量的 化学分析和测定分子结构都有很大应用价值.如 在生物化学研究中,可以利用喇曼光谱鉴别一些 物质的种类,还可以{贝0定分子的振动转动频率,定 量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况, 并推断分子的对称性,几何形状,分子中原子的排 列,计算热力学函数,研究振动一转动拉曼光谱和 转动拉曼光谱,可以获得有关分子常数的数据.对 114
非极性分子,因为它们没有吸收或发射的转动和 振动光谱,振动转动能量和对称性等许多信息反 映在散射谱中.对于极性分子,通过红外光谱固然 可以获得不少分子参数的知识,但是为了得到更 完备的资料,也往往同时观测红外光谱和拉曼光 谱,它们具有不同的选择定则,可以提供互补的数 据.现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研 究工具.
l光学系统l—I信号处理端l—l数据处理l 图2光谱成像仪数据获取系统的结构
光谱成像仪在土地利用,农作物生长,分类,病虫害 检测,海洋水色测量,城市规划,石油勘探,地芯地貌及军
事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景.可见 光近红外光谱范围超光谱成像仪最广阔的应用领域为植 被和海洋;植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶 绿素含量和成份,正常生长的植物有典型的光谱形状;当 生长不良,病虫害,地下金属矿物诱导病变等因素会引起 反射强度比例变化和吸收光谱特征(0.68/~m)的微小位 移,这种位移的观测要求超光谱成像仪具有优于5nm的 光谱分辨率和100以上的信噪比.在光波范围能够观测 水下状况的只有可见光,其中穿透性最好的波长范围为 0.45,0.60/~m(蓝光至黄光),亦被称为"海洋窗口".可见 光超光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物,浮游生 物,叶绿素的分布等海况,但是获取海洋表层中悬浮体物 质在质量和数量方面的信息时,不仅需要高光谱分辨率, 而且要很高的辐射灵敏度(信噪比500以上). 2.1在农林业上的应用
在农林业上的应用很多,如农作物长势分析,作物类 别鉴定,病虫害防治分析,产量评估,林业资源调查,伐林 造林,森林草场调查,土地沙化,土壤侵蚀等. 2.1.1在农业,林业中的应用高光谱成像仪可以 用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品 种因素与品质指标之间的相关性『7],还可以得出 环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量,沉降 值,吸水率,形成时间和稳定时间之间存在的相关 性,并利用不同品种,不同肥水条件下的作物关键 生育时期的生化参量与光谱指数进行分析,预测 预报籽粒品质.
2005年6月12日我国首次利用地物光谱仪
高空监测小麦条锈病5.在位于昌平小汤山的"国家精准农业研究示范基地"小麦实验田,国家自然
科学基金项目研究的"基于3S技术的小麦条锈病 监测预警"采用热气球进行近地遥感监测小麦条 锈病初步获得成功,这在我国尚属首次.这项研究
第2期洪新华等:成像光谱仪的原理与应用 以小麦条锈病为对象,根据全球定位系统(GPS) 的精确定位,利用地理信息系统(GIs)研究其大 区流行规律,利用遥感(Rs)技术探索其实时监测
),期望最终构建基于网络的 新途径(合称3S技术
小麦条锈病监测预警信息系统,这项成果将为政 府部门制订小麦条锈病防治决策方案提供科学依 据,也为信息技术在植物病害研究中的应用提供 新的方法借鉴.
项目研究的成功将会促进我国重大农作物病 害监测与预警系统的规范化和实用化,实现病害 大流行早知道,保障粮食生产,增加农民收入,缩 小我国植物病害监测预警技术与国际前沿水平的 差距.
2.2.2农业作物长势监测主要利用红外波段 和近红外波段的遥感信息,得到的植被指数(ND— VI)与作物的叶面积指数和生物量正相关5.利用 NDVI过程曲线,特别是后期的变化速率预测冬 小麦产量的效果很好,精度较高.在农业应用中, 通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥感, 来及时(平均2天,3天一次)地提供农作物长 势,水肥状况和病虫害情况,称之为"征兆图" (SymptomMaps),供诊断,决策和估产等使用. 为了实时地获取数据,需要反复利用航空遥感或 利用各个小卫星建立全球数据采集网.
高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有 待解决,如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标 志研究,遥感与GIS的集成对作物胁迫作用的诊 断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的 空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥 感定量关系.为了解决上面的理论和应用问题,需 要抓住高光谱,高分辨率,雷达遥感等技术手段和 "三S"集成技术等关键技术.
对植被的叶面积指数,生物量,全氮量,全磷 量等生物物理参数进行分析和估算.在精准农业 研究中,高光谱遥感具有广阔的应用前景.比如可 以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参 数,就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的 生物和农学参数的反演.这种研究可以用来研究 生态系统过程,如光合作用,C,N循环等,也可以 用来对生态系统进行描述和模拟.
最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的 光谱特征农学遥感机理,将其应用于遥感估产,做 到对农作物生长势的动态监测,病虫害的早期诊 断和产量的早期预报.可以用于农业自然灾害 (水,旱,火,虫,病等)的遥感实时动态监测和损失 评估,主要农作物的长势,播种面积的监测和产量 预报以及草地估产,草畜平衡估算,进行农业自然 资源与环境的动态监测与评估,进行全国耕地变 化的遥感动态监测.
2.2环境监测
环境监测主要应用在1.石化工业:如对油 品,塑料,添加剂,催化剂等中的元素分析等,还可 对其有害元素含量是否超标进行分析监测;2.生
态环保:污水或水中有害金属分析,植物中残余无 机元素的分析;3.建筑,建材工业:结合城市地物 和人工目标的检识等,对水泥,玻璃及耐火材料分 析.
2.3自然灾害和灾情评估
目前我国在加紧研制的环境灾害监测卫星, 计划在2005年前研制出由两个光学卫星和一个 雷达卫星组成的小卫星星座.在2010年前研制出 由四个光学卫星和4个雷达卫星组成的小卫星星 座,开展对环境和灾害全天时,全天候的监测.自 然灾害监测和灾情评估可以包括很多种,如洪涝, 干旱,雪灾,森林大火,地震,海洋状况等. 赤潮是指海洋微藻,细菌和原生动物在海水 中过度增殖或聚集致使海水变色的一种现象.随 着经济发展,沿海富营养化加剧,近年来赤潮的频 繁发生和规模的不断扩大,破坏了渔业资源和海 产养殖业,赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安 全.2002年我国海域共发现赤潮79次,累计面积 超过10,000平方公里,直接经济损失2300万元. 利用机载高光谱成像仪,获得了赤潮爆发现场8G 高光谱数据,"逮"到了赤潮.通过海监船的现场取 样和事后数据分析,上海技物所高光谱成像仪利 用赤潮种类鉴别软件,数据质量良好,很好地反映 了赤潮光谱特性.所以,利用高光谱成像仪获得的 数据,可以迅速对赤潮做出反应,有利于赤潮的及 早发现,分类,控制和治理,从而减小赤潮的危害. 2004年7月上旬,我国某地附近海域爆发大 规模赤潮,有关部门请中科院上海技术物理研究 所紧急调拨机载推扫式高光谱成像仪(PHI)到现
场探测.经科研人员连夜对仪器进行标定,测试和 装箱,第二天即携带PHI,乘坐航空公司的班机赶 赴目的地,并及时将仪器装载于海监飞机上.监测 数据质量良好,很好地反映了赤潮光谱特性,对赤 】】5
河南科技学院(自然科学版)2005正
潮的反应可以达到实用目的【4].
2.4海洋资源普查
利用光谱成像仪可获得海陆相互作用区域的 高分辨率图像,可以兼顾海洋和陆地的需求,目前 高光谱成像仪已经应用于我国海岸带重点地区 (黄河口,长江口和珠江口)的资源和植被调查,海 岸带动态监测,以及海岸带变迁的长期研究『8]. 叶绿素分布是与海洋初级生产力,海水富营 养化,赤潮等密切相关的指标,同时,也是研究全 球气候变化的重要依据.目前利用高光谱成像仪 已能够较准确地确定大洋和远海的叶绿素分布, 但近岸水体的叶绿素分布的反演精度还需进一步 提高.
美国研制出一台结构紧凑简单的海底高光谱 成像仪,解决了由于海水吸收和散射作用使得海 底物质显现受阻的难题.这台海底高光谱成像仪 可同水下运载工具或底部装有玻璃视窗的船只一 起使用,使用时,可对海底进行线性扫描,以获取 标准的图像.
2002年3月,我国神舟3号载中等分辨率成 像光谱仪(CMODIS)上天运行.CMODIS运行在 343?5km高空,地面分辨率为400500m,重复
覆盖周期为2天,测绘带宽为65O一700km,有34 个波段,波长范围在0.4,12.5mm(图版2).在 2002年12月的神舟4号飞行中,载有微波辐射 计,雷达高度计和雷达散射计组成的多模态微波 传感器.此次试验,在世界上首次实现了三种观测 方式在统一监控下的同时工作,还首次采用了扫 描天线的方式来观测海洋的风向和风速,获取的 数据对进一步掌握风场,海浪动力环境和海气能 量的转换,分析海洋灾害,资源等方面都会产生重 要的作用.
中国科学院所研制的高技术产品"轻型机载 高光谱分辨率成像遥感系统"已与马来西亚签署 出口协议,将于2005年底交付马来西亚国家遥感 中心.
该系统是当今空间遥感技术中最具前沿性的 先进光学遥感器,可适应国民经济不同领域的遥 感需求,包括为国家宏观决策提供所需基础国情 116
信息服务,为市场需求的各类专业应用服务,为发 展航天遥感器提供试验平台以及为生态,环境,大 气,海洋遥感等社会公益应用服务等.这个光学成 像系统多次服务于国际遥感应用项目,通过与美 国,法国等高技术企业的竞争获得出口马来西亚, 是中国此类高技术产品的首次出口,从而实现中 国高光谱成像仪器进入国际市场零的突破.专家 称,这将为中国高技术的对外合作交流提供新的 发展空间,也会提升中国高光谱遥感技术的国际
. 地位
3结语
除了以上实际应用外,目前高光谱成像仪在
自然科学的大部分领域起着主要的作用.随着面
阵探测器阵列制造技术的进一步提高,一些新型
的成像光谱技术得到了应用,具有这些技术的光
谱仪更具有可靠性和稳定性的特点,并且体积小,
重量轻,光谱分辨率高,实时性更好,光谱范围更
宽.这种光谱成像仪将会成为新一代光谱成像仪
的代表,科学研究人员也会对此类光谱仪投入更
多的关注而使其得到更广泛的应用.
参考文献:
EliHongXinhua,YangJianfeng,ChenLiwu,eta1.Hy—
bridDiffractive——refractiveMethodCorrectApoc—.
hromaticofAerospaceTelescope.OpticsandPreci—
sionEngineering,2004,11(1):1-5.
E23浦瑞良,宫鹏.高光谱遥感及其应用.北京:高等教
育出版社,2000,11-22.
[3]http://202.127.1.12/hkygq/pushbroomintro. htm1.
[4]http://www.cas.ac.cn/html/Dir/2003/08/11/ 8939.htm.
[5]http://www.sjziam.ac.cn/lcpage/jz5.htm. [6]http://show181002307.18show.cn/Article--5358. htm1.
[73黄文江,王纪华,刘良云,等.冬小麦品质的影响因
素及高光谱遥感监测方法.遥感技术与应用,2004,
19(3):143—148.
[8]http://www.coi.gov.cn/hygb/hywx/2OO2/4. htm.
范文四:成像光谱仪的原理与应用
成像光谱仪的原理与应用
1 2洪新华, 姚 凯
()1. 河南科技学院, 河南 新乡 453003; 2. 新乡师范高等专科学校, 河南新乡 453003
摘要: 论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业、林业、工业及科研、环境保护等方面的应用, 对我国光谱仪
的研究发展概况作了简单介绍。
关键词: 光谱仪; 原理; 应用
() 中图分类号: O 433. 4 文献标识码: A 文章编号: 10032482X 20050220113204
The Pr in c ip le an d A pp l ica t ion s of Spec tra l
Im a g in g Spec tro scopy
2., HON G X in h u ae t a l
(), 453003H en an In st itu te o f T ech no lo gy an d Sc ien ce sH en an X in x ian g
( ) : A bstra c tT h e ba sic p r inc ip le o f Sp ec t ra l Im ag ing Sp ec t ro scop y S IS is de sc r ibed in th is p ap e r and
, , , , , app lica t io n s o f S IS a re in t ro duced in A g r icu ltu reFo re stIndu st rySc ien t if ic R e sea rch E nv iro nm en t P ro tec t
.e t a l
: , , Key word sSp ec t ra l Im ag ing Sp ec t ro scop yp r inc ip leapp lica t io n
在农林环境保护等方面的应用。 成像光谱仪是 20 世纪 80 年代开始在多光谱
遥感成像技术的基础上发展起来的, 它以高光谱 系统工作原理与结构 1 分辨率获取景物或目标的高光谱图像, 在航空、航
高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在 天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应 一起, 在探测物体空间特征的同时并对每个空间 用, 高光谱成像仪可以应用在地物精确分类、地物 像元色散形成几十个到上百个波段带宽为 10nm 识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥 左右的连续光谱覆盖。 根据成像光谱仪的扫描方 感信息处理和定量化分析模型后, 可提高高光谱 式, 其工作原理也不尽相同, 作为光学成像仪成像
1 的一个例子, 这里简述一下焦帄面探测器推扫成 数据处理的自动化和智能化水帄。 由于成像3 像原理。 光
1. 1 系统工作原理 谱仪高光谱分辨率的巨大优势, 在空间对地观测
的同时获取众多连续波段的地物光谱图像, 达到 焦帄面探测器推扫成像原理见图 1。 地面物 从空间直接识别地球表面物质的目的, 成为遥感 体的反射光通过物镜成像在狭缝帄面, 狭缝作为 领域的一大热点, 正在成为当代空间对地观测的 光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过, 挡掉其2 主要技术手段。 地面上采用光谱成像仪也取得 他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜, 由物了很大的成果, 如科学研究、工农林业环境保护等
方面。 本文主要简述高光谱成像仪的基本原理和
收稿日期: 2004212222.
()基金项目: 国家自然科学基金 60278019。
() 作者简介: 洪新华 19572, 河南商城人, 副教授, 工学博士。 研究方向: 二元光学理论与应用、光学设计、红外与毫米 波的应用, 计算物理学等。
113
()河南科技学院学报 自然科学版 2005 年
镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上, , 因为它们没有吸收或发射的转动和 非极性分子
经色散元件在垂直条带方向按光谱色散, 用会聚 振动光谱, 振动转动能量和对称性等许多信息反 镜会聚成像在传感器使用的二维 面阵列探 CCD 映在散射谱中。对于极性分子, 通过红外光谱固然 测元件被分布在光谱仪的焦帄面上。 焦帄面的水 可以获得不少分子参数的知识, 但是为了得到更 帄方向帄行于狭缝, 称空间维, 每一行水帄光敏元
完备的资料, 也往往同时观测红外光谱和拉曼光 上是地物条带一个光谱波段的像; 焦帄面的垂直
谱, 它们具有不同的选择定则, 可以提供互补的数 方向是色散方向, 称光谱维, 每一列光敏元上是地
据。 现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研 ( ) 物条带一个空间采样视场 像元光谱色散的像。
究工具。 这样, 面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方
光学系统?? 信号处理端?? 数据处理向地物条带的光谱数据, 加上航天器的运动, 以一
图 2 光谱成像仪数据获取系统的结构 定速率连续记录光谱图像, 就得到地面二维图像
光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类, 病虫害 及图像中各像元的光谱数据, 即图像立方体。 检测, 海洋水色测量, 城市规划、石油勘探、地芯地貌及军
事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景。 可见
光近红外光谱范围超光谱成像仪最广阔的应用领域为植
被和海洋; 植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶
绿素含量和成份, 正常生长的植物有典型的光谱形状; 当
生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起
( ) 反 射强度比例变化和吸收光谱特征 0. 68的微小位 Λm
移, 这种位移的观测要求超光谱成像仪具有优于 5的 nm
光谱分辨率和 100 以上的信噪比。 在光波范围能够观测
水下状况的只有可见光, 其中穿透性最好的波长范围为
) (0. 45, 0. 60蓝光至黄光, 亦被称为“海洋窗口”。可见 Λm
光超光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生
物、叶绿素的分布等海况, 但是获取海洋表层中悬浮体物
质在质量和数量方面的信息时, 不仅需要高光谱分辨率,
()而且要很高的辐射灵敏度 信噪比 500 以上。
图 1 光谱成像仪数据获取 2. 1 在农林业上的应用系统的结构 在农林业上的应用很多, 如农作物长势分析、作物类 1. 2 光谱成像仪数据获取系统构成 别鉴定、病虫害防治分析、产量评估、林业资源调查、伐林
光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数 造林、森林草场调查、土地沙化、土壤侵蚀等。据采集记录系统三部分组成。 2. 1. 1 在农业、林业中的应用 高光谱成像仪可以
数据的回放及预处理通过专用软件在高性能用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品
7 的微机上完成。 软件具有如下功能: 数据备份; 快 种因素与品质指标之间的相关性, 还可以得出 速回放; 数据规整和格式转换; 图像分割截取; 标 环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量、沉降 准格式的图像数据生成等。 值、吸水率、形成时间和稳定时间之间存在的相关
性, 并利用不同品种、不同肥水条件下的作物关键
成像光谱仪的应用 2 生育时期的生化参量与光谱指数进行分析, 预测 预报籽粒品质。 成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生
物学、医学等多个领域, 对于纯定性到高度定量的 2005 年 6 月 12 日我国首次利用地物光谱仪 化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。 如 高空监测小麦条锈病 5。在位于昌帄小汤山的“国 在生物化学研究中, 可以利用喇曼光谱鉴别一些 家精准农业研究示范基地”小麦实验田, 国家自然物质的种类, 还可以测定分子的振动转动频率, 定 科学基金项目研究的“基于 3技术的小麦条锈病 S 量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况, 监测预警”采用热气球进行近地遥感监测小麦条 并推断分子的对称性, 几何形状、分子中原子的排 锈病初步获得成功, 这在我国尚属首次。这项研究 列, 计算热力学函数、研究振动- 转动拉曼光谱和
转动拉曼光谱, 可以获得有关分子常数的数据。对
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? 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 2 期 洪新华等: 成像光谱仪的原理与应用
( )断 和产量的早期预报。 可以用于农业自然灾害 以小麦条锈病为对象, 根据全球定位系统 GP S
() () 的精确定位, 利用地理信息系统 研究其大 水、旱、火、虫、病等的遥感实时动态监测和损失 G IS
() 区流行规律, 利用遥感 技术探索其实时监测 评估, 主要农作物的长势、播种面积的监测和产量 R S
() 新途径 合称 3技术, 期望最终构建基于网络的预报以及草地估产、草畜帄衡估算, 进行农业自然 S
小麦条锈病监测预警信息系统, 这项成果将为政 资源与环境的动态监测与评估, 进行全国耕地变 府部门制订小麦条锈病防治决策方案提供科学依 化的遥感动态监测。
2. 2 环境监测据, 也为信息技术在植物病害研究中的应用提供
新的方法借鉴。 环 境 监 测 主 要 应 用 在 1. 石 化 工 业: 如 对 油
项目研究的成功将会促进我国重大农作物病品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析等, 还可 害监测与预警系统的规范化和实用化, 实现病害 对其有害元素含量是否超标进行分析监测; 2. 生 大流行早知道, 保障粮食生产, 增加农民收入, 缩 态环保: 污水或水中有害金属分析, 植物中残余无 小我国植物病害监测预警技术与国际前沿水帄的 机元素的分析; 3. 建筑、建材工业: 结合城市地物 差距。 和人工目标的检识等, 对水泥、玻璃及耐火材料分
2. 2. 2 农业作物长势监测 主要利用红外波段析。
和 近 红 外 波 段 的 遥 感 信 息, 得 到 的 植 被 指 数 2. 3 自然灾害和灾情评估() 与作物的叶面积指数和生物量正相关 5。 N DV I目前我国在加紧研制的环境灾害监测卫星, 利用 过程曲线, 特别是后期的变化速率预 N DV I 计划在 2005 年前研制出由两个光学卫星和一个 测冬小麦产量的效果很好, 精度较高。在农业应用
雷达卫星组成的小卫星星座。在 2010 年前研制出 中, 通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥
( ) 感, 来及时 帄均 2 天, 3 天一次地提供农作物 由四个光学卫星和 4 个雷达卫星组成的小卫星星 长势、水肥状况和病虫害情况, 称之为“征兆图” 座, 开展对环境和灾害全天时、全天候的监测。 自 ( ) , 供诊断、决策和估产等使用。 Sym p tom M ap s然灾害监测和灾情评估可以包括很多种, 如洪涝、 为了实时地获取数据, 需要反复利用航空遥感或
干旱、雪灾、森林大火、地震、海洋状况等。 利用各个小卫星建立全球数据采集网。
赤潮是指海洋微藻、细菌和原生动物在海水 高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有
待解决, 如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标 中过度增殖或聚集致使海水变色的一种现象。 随 志研究, 遥感与 的集成对作物胁迫作用的诊 G IS 着经济发展, 沿海富营养化加剧, 近年来赤潮的频 断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的 繁发生和规模的不断扩大, 破坏了渔业资源和海 空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥
产养殖业, 赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安 感定量关系。为了解决上面的理论和应用问题, 需
全。2002 年我国海域共发现赤潮 79 次, 累计面积 要抓住高光谱、高分辨率、雷达遥感等技术手段和
“三 ”集成技术等关键技术。S 超过 10, 000 帄方公里, 直接经济损失 2300 万元。
对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷 利用机载高光谱成像仪, 获得了赤潮爆发现场 8 G量等生物物理参数进行分析和估算。 在精准农业 高光谱数据,“逮”到了赤潮。通过海监船的现场取 研究中, 高光谱遥感具有广阔的应用前景。比如可 样和事后数据分析, 上海技物所高光谱成像仪利 以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参 用赤潮种类鉴别软件, 数据质量良好, 很好地反映 数, 就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的 了赤潮光谱特性。所以, 利用高光谱成像仪获得的 生物和农学参数的反演。 这种研究可以用来研究 数据, 可以迅速对赤潮做出反应, 有利于赤潮的及 生态系统过程, 如光合作用、、循环等, 也可以 CN 早发现、分类、控制和治理, 从而减小赤潮的危害。用来对生态系统进行描述和模拟。 2004 年 7 月上旬, 我国某地附近海域爆发大
最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的 规模赤潮, 有关部门请中科院上海技术物理研究 光谱特征农学遥感机理, 将其应用于遥感估产, 做 () 所紧急调拨机载推扫式高光谱成像仪 到现 PH I到对农作物生长势的动态监测、病虫害的早期诊 场探测。经科研人员连夜对仪器进行标定、测试和
装箱, 第二天即携带 乘坐航空公司的班机赶 , PH I
赴目的地, 并及时将仪器装载于海监飞机上。监测
数据质量良好, 很好地反映了赤潮光谱特性, 对赤
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()河南科技学院学报 自然科学版 2005 年
潮的反应可以达到实用目的信息服务、为市场需求的各类专业应用服务、为发 4 。 展航天遥感器提供试验帄台以及为生态、环境、大
2. 4 海洋资源普查 气、海洋遥感等社会公益应用服务等。这个光学成
利用光谱成像仪可获得海陆相互作用区域的 , 通过与美 像系统多次服务于国际遥感应用项目高分辨率图像, 可以兼顾海洋和陆地的需求, 目前 国、法国等高技术企业的竞争获得出口马来西亚, 高光谱成像仪已经应用于我国海岸带重点地区 是中国此类高技术产品的首次出口, 从而实现中 () 黄河口、长江口和珠江口的资源和植被调查、海 国高光谱成像仪器进入国际市场零的突破。 专家 8 岸带动态监测, 以及海岸带变迁的长期研究。 称, 这将为中国高技术的对外合作交流提供新的
叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营 发展空间, 也会提升中国高光谱遥感技术的国际 养化、赤潮等密切相关的指标, 同时, 也是研究全 地位。
球气候变化的重要依据。 目前利用高光谱成像仪 3 结语
已能够较准确地确定大洋和远海的叶绿素分布, 除了以上实际应用外, 目前高光谱成像仪在 但近岸水体的叶绿素分布的反演精度还需进一步 自然科学的大部分领域起着主要的作用。 随着面 提高。 阵探测器阵列制造技术的进一步提高, 一些新型
美国研制出一台结构紧凑简单的海底高光谱的成像光谱技术得到了应用, 具有这些技术的光 成像仪, 解决了由于海水吸收和散射作用使得海 谱仪更具有可靠性和稳定性的特点, 并且体积小、 底物质显现受阻的难题。 这台海底高光谱成像仪 重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更 可同水下运载工具或底部装有玻璃视窗的船只一 宽。 这种光谱成像仪将会成为新一代光谱成像仪 起使用, 使用时, 可对海底进行线性扫描, 以获取 的代表, 科学研究人员也会对此类光谱仪投入更 标准的图像。 多的关注而使其得到更广泛的应用。
2002 年 3 月, 我国神舟 3 号载中等分辨率成
参考文献: 像光谱仪 () 上天运行。运行在 CM OD ISCM OD IS
343?5高空, 地面分辨率为 400, 500, 重复 km m 1 H o ng X inh ua, Yang J ianfeng, C h en L iw u , e t a l. 覆盖周期为 2 天, 测绘带宽为 650- 有 34 700km ,
- H yb r id D iff rac t ive ref rac t ive M e tho d Co r rec t ( )个波段, 波长范围在 0. 4, 12. 5mm 图版 2。 在
. A po ch rom a t ic o f A e ro sp ace T e le scop eO p t ic s and 2002 年 12 月的神舟 4 号飞行中, 载有微波辐射 () , 2004, 11 1: 125.P rec isio n E ng inee r ing 计、雷达高度计和雷达散射计组成的多模态微波 浦瑞良, 宫鹏. 高光谱遥感及其应用. 北京: 高等教 2 传感器。此次试验, 在世界上首次实现了三种观测育出版社, 2000, 11222.
方式在统一监控下的同时工作, 还首次采用了扫 3 127. 1. h t tp: 202. 12h k ygqp u sh b room in t ro. ////描天线的方式来观测海洋的风向和风速, 获取的 .h tm l
数据对进一步掌握风场、海浪动力环境和海气能 4 h t tp : www. ca s. ac. cn h tm lD ir20030811 ////////量的转换, 分析海洋灾害、资源等方面都会产生重 8939. .h tm
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.h tm l 高光谱分辨率成像遥感系统”已与马来西亚签署
黄文江, 王纪华, 刘良云, 等. 冬小麦品质的影响因 7 出口协议, 将于 2005 年底交付马来西亚国家遥感 素 及 高 光 谱 遥 感 监 测 方 法. 遥 感 技 术 与 应 用, 6 中心。 该系统是当今空间遥感技术中最具前沿() 2004, 19 3: 1432148.
性的 : /////2002/4. . . . h t tpwwwco igo vcn h ygb h yw x 8 先进光学遥感器, 可适应国民经济不同领域的遥 .h tm
感需求, 包括为国家宏观决策提供所需基础国情
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? 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
范文五:成像光谱仪的原理与应用_洪新华
第33卷 第2期Vol.33 No.2河南科技学院学报(自然科学版)
JournalofHenanInstituteofScienceandTechnology2005年6月Jun.2005
成像光谱仪的原理与应用
洪新华1,姚 凯2
(1.河南科技学院,河南新乡453003;2.新乡师范高等专科学校,河南新乡453003)摘要:论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业、林业、工业及科研、环境保护等方面的应用,对我国光谱仪
的研究发展概况作了简单介绍。
关键词:光谱仪;原理;应用
中图分类号:O433.4 文献标识码:A 文章编号:1003-482X(2005)02-0113-04
ThePrincipleandApplicationsofSpectral
ImagingSpectroscopy
HONGXin-hua,etal.
(HenanInstituteofTechnologyandSciences,HenanXinxiang453003)
Abstract:ThebasicprincipleofSpectralImagingSpectroscopy(SIS)isdescribedinthispaperand
applicationsofSISareintroducedinAgriculture,Forest,Industry,ScientificResearch,EnvironmentProtect,etal.
Keywords:SpectralImagingSpectroscopy,principle,application
成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的,它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像,在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用,高光谱成像仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后,可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平。由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势,在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像,达到从空间直接识别地球表面物质的目的,成为遥感领域的一大热点,正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。地面上采用光谱成像仪也取得了很大的成果,如科学研究、工农林业环境保护等方面。本文主要简述高光谱成像仪的基本原理和
收稿日期:2004-12-22.
基金项目:国家自然科学基金(60278019)。
[2]
[1]
在农林环境保护等方面的应用。
1 系统工作原理与结构
高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在一起,在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。根据成像光谱仪的扫描方式,其工作原理也不尽相同,作为光学成像仪成像的一个例子,这里简述一下焦平面探测器推扫成像原理[3]。1.1 系统工作原理
焦平面探测器推扫成像原理见图1。地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面,狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过,挡掉其他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜,由物
作者简介:洪新华(1957-),河南商城人,副教授,工学博士。研究方向:二元光学理论与应用、光学设计、红外与毫米波的应用,计算物理学等。
河南科技学院学报(自然科学版) 2005年镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上,经色散元件在垂直条带方向按光谱色散,用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狭缝,称空间维,每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像;焦平面的垂直方向是色散方向,称光谱维,每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样,面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据,加上航天器的运动,以一定速率连续记录光谱图像,就得到地面二维图像及图像中各像元的光谱数据,即图像立方体
。
非极性分子,因为它们没有吸收或发射的转动和振动光谱,振动转动能量和对称性等许多信息反映在散射谱中。对于极性分子,通过红外光谱固然可以获得不少分子参数的知识,但是为了得到更完备的资料,也往往同时观测红外光谱和拉曼光谱,它们具有不同的选择定则,可以提供互补的数据。现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研究工具。
光学系统←→信号处理端←
→数据处理
图2 光谱成像仪数据获取系统的结构光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类,病虫害检测,海洋水色测量,城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景。可见光近红外光谱范围超光谱成像仪最广阔的应用领域为植被和海洋;植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶绿素含量和成份,正常生长的植物有典型的光谱形状;当生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起反射强度比例变化和吸收光谱特征(0.68μm)的微小位移,这种位移的观测要求超光谱成像仪具有优于5nm的光谱分辨率和100以上的信噪比。在光波范围能够观测水下状况的只有可见光,其中穿透性最好的波长范围为0.45~0.60μm(蓝光至黄光),亦被称为“海洋窗口”。可见光超光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生
图1 光谱成像仪数据获取系统的结构
物、叶绿素的分布等海况,但是获取海洋表层中悬浮体物质在质量和数量方面的信息时,不仅需要高光谱分辨率,而且要很高的辐射灵敏度(信噪比500以上)。
1.2 光谱成像仪数据获取系统构成
光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成。
数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。软件具有如下功能:数据备份;快速回放;数据规整和格式转换;图像分割截取;标准格式的图像数据生成等。
2.1 在农林业上的应用
在农林业上的应用很多,如农作物长势分析、作物类别鉴定、病虫害防治分析、产量评估、林业资源调查、伐林造林、森林草场调查、土地沙化、土壤侵蚀等。
2.1.1 在农业、林业中的应用 高光谱成像仪可以
用来研究品种因素对小麦品质的影响程度以及品种因素与品质指标之间的相关性
[7]
,还可以得出
2 成像光谱仪的应用
成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域,对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。如在生物化学研究中,可以利用喇曼光谱鉴别一些物质的种类,还可以测定分子的振动转动频率,定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况,并推断分子的对称性,几何形状、分子中原子的排列,计算热力学函数、研究振动-转动拉曼光谱和转动拉曼光谱,可以获得有关分子常数的数据。对环境条件下籽粒的白质含量与湿面筋含量、沉降值、吸水率、形成时间和稳定时间之间存在的相关性,并利用不同品种、不同肥水条件下的作物关键生育时期的生化参量与光谱指数进行分析,预测预报籽粒品质。
2005年6月12日我国首次利用地物光谱仪高空监测小麦条锈病5。在位于昌平小汤山的“国家精准农业研究示范基地”小麦实验田,国家自然科学基金项目研究的“基于3S技术的小麦条锈病监测预警”采用热气球进行近地遥感监测小麦条锈病初步获得成功,这在我国尚属首次。这项研究
第2期 洪新华等:成像光谱仪的原理与应用 以小麦条锈病为对象,根据全球定位系统(GPS)的精确定位,利用地理信息系统(GIS)研究其大区流行规律,利用遥感(RS)技术探索其实时监测新途径(合称3S技术),期望最终构建基于网络的小麦条锈病监测预警信息系统,这项成果将为政府部门制订小麦条锈病防治决策方案提供科学依据,也为信息技术在植物病害研究中的应用提供新的方法借鉴。
项目研究的成功将会促进我国重大农作物病害监测与预警系统的规范化和实用化,实现病害大流行早知道,保障粮食生产,增加农民收入,缩小我国植物病害监测预警技术与国际前沿水平的差距。
2.2.2 农业作物长势监测 主要利用红外波段和近红外波段的遥感信息,得到的植被指数(NDVI)与作物的叶面积指数和生物量正相关5。利用NDVI过程曲线,特别是后期的变化速率预测冬小麦产量的效果很好,精度较高。在农业应用中,通过高空间和高光谱分辨率的航空与航天遥感,来及时(平均2天~3天一次)地提供农作物长势、水肥状况和病虫害情况,称之为“征兆图”(SymptomMaps),供诊断、决策和估产等使用。为了实时地获取数据,需要反复利用航空遥感或利用各个小卫星建立全球数据采集网。
高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有待解决,如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标志研究,遥感与GIS的集成对作物胁迫作用的诊断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥感定量关系。为了解决上面的理论和应用问题,需要抓住高光谱、高分辨率、雷达遥感等技术手段和“三S”集成技术等关键技术。
对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷量等生物物理参数进行分析和估算。在精准农业研究中,高光谱遥感具有广阔的应用前景。比如可以从遥感数据中提取生物物理和生物化学的参数,就是用高空的高光谱遥感数据对一些重要的生物和农学参数的反演。这种研究可以用来研究生态系统过程,如光合作用、C、N循环等,也可以用来对生态系统进行描述和模拟。
最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的光谱特征农学遥感机理,将其应用于遥感估产,做到对农作物生长势的动态监测、病虫害的早期诊
断和产量的早期预报。可以用于农业自然灾害(水、旱、火、虫、病等)的遥感实时动态监测和损失评估,主要农作物的长势、播种面积的监测和产量预报以及草地估产、草畜平衡估算,进行农业自然资源与环境的动态监测与评估,进行全国耕地变化的遥感动态监测。2.2 环境监测
环境监测主要应用在1.石化工业:如对油品、塑料、添加剂、催化剂等中的元素分析等,还可对其有害元素含量是否超标进行分析监测;2.生态环保:污水或水中有害金属分析,植物中残余无机元素的分析;3.建筑、建材工业:结合城市地物和人工目标的检识等,对水泥、玻璃及耐火材料分析。
2.3 自然灾害和灾情评估
目前我国在加紧研制的环境灾害监测卫星,计划在2005年前研制出由两个光学卫星和一个雷达卫星组成的小卫星星座。在2010年前研制出由四个光学卫星和4个雷达卫星组成的小卫星星座,开展对环境和灾害全天时、全天候的监测。自然灾害监测和灾情评估可以包括很多种,如洪涝、干旱、雪灾、森林大火、地震、海洋状况等。
赤潮是指海洋微藻、细菌和原生动物在海水中过度增殖或聚集致使海水变色的一种现象。随着经济发展,沿海富营养化加剧,近年来赤潮的频繁发生和规模的不断扩大,破坏了渔业资源和海产养殖业,赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安全。2002年我国海域共发现赤潮79次,累计面积超过10,000平方公里,直接经济损失2300万元。利用机载高光谱成像仪,获得了赤潮爆发现场8G高光谱数据,“逮”到了赤潮。通过海监船的现场取样和事后数据分析,上海技物所高光谱成像仪利用赤潮种类鉴别软件,数据质量良好,很好地反映了赤潮光谱特性。所以,利用高光谱成像仪获得的数据,可以迅速对赤潮做出反应,有利于赤潮的及早发现、分类、控制和治理,从而减小赤潮的危害。
2004年7月上旬,我国某地附近海域爆发大规模赤潮,有关部门请中科院上海技术物理研究所紧急调拨机载推扫式高光谱成像仪(PHI)到现场探测。经科研人员连夜对仪器进行标定、测试和装箱,第二天即携带PHI,乘坐航空公司的班机赶赴目的地,并及时将仪器装载于海监飞机上。监测数据质量良好,很好地反映了赤潮光谱特性,对赤
河南科技学院学报(自然科学版) 2005年潮的反应可以达到实用目的。2.4 海洋资源普查
利用光谱成像仪可获得海陆相互作用区域的高分辨率图像,可以兼顾海洋和陆地的需求,目前高光谱成像仪已经应用于我国海岸带重点地区(黄河口、长江口和珠江口)的资源和植被调查、海岸带动态监测,以及海岸带变迁的长期研究[8]。叶绿素分布是与海洋初级生产力、海水富营养化、赤潮等密切相关的指标,同时,也是研究全球气候变化的重要依据。目前利用高光谱成像仪已能够较准确地确定大洋和远海的叶绿素分布,但近岸水体的叶绿素分布的反演精度还需进一步提高。
美国研制出一台结构紧凑简单的海底高光谱成像仪,解决了由于海水吸收和散射作用使得海底物质显现受阻的难题。这台海底高光谱成像仪可同水下运载工具或底部装有玻璃视窗的船只一起使用,使用时,可对海底进行线性扫描,以获取标准的图像。
2002年3月,我国神舟3号载中等分辨率成像光谱仪(CMODIS)上天运行。CMODIS运行在343±5km高空,地面分辨率为400~500m,重复覆盖周期为2天,测绘带宽为650-700km,有34个波段,波长范围在0.4~12.5mm(图版2)。在2002年12月的神舟4号飞行中,载有微波辐射计、雷达高度计和雷达散射计组成的多模态微波传感器。此次试验,在世界上首次实现了三种观测方式在统一监控下的同时工作,还首次采用了扫描天线的方式来观测海洋的风向和风速,获取的数据对进一步掌握风场、海浪动力环境和海气能量的转换,分析海洋灾害、资源等方面都会产生重要的作用。
中国科学院所研制的高技术产品“轻型机载高光谱分辨率成像遥感系统”已与马来西亚签署出口协议,将于2005年底交付马来西亚国家遥感中心。
该系统是当今空间遥感技术中最具前沿性的先进光学遥感器,可适应国民经济不同领域的遥感需求,包括为国家宏观决策提供所需基础国情
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信息服务、为市场需求的各类专业应用服务、为发展航天遥感器提供试验平台以及为生态、环境、大气、海洋遥感等社会公益应用服务等。这个光学成像系统多次服务于国际遥感应用项目,通过与美国、法国等高技术企业的竞争获得出口马来西亚,是中国此类高技术产品的首次出口,从而实现中国高光谱成像仪器进入国际市场零的突破。专家称,这将为中国高技术的对外合作交流提供新的发展空间,也会提升中国高光谱遥感技术的国际地位。
3 结语
除了以上实际应用外,目前高光谱成像仪在自然科学的大部分领域起着主要的作用。随着面阵探测器阵列制造技术的进一步提高,一些新型的成像光谱技术得到了应用,具有这些技术的光谱仪更具有可靠性和稳定性的特点,并且体积小、重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更宽。这种光谱成像仪将会成为新一代光谱成像仪的代表,科学研究人员也会对此类光谱仪投入更多的关注而使其得到更广泛的应用。
参考文献:
[1] HongXinhua,YangJianfeng,ChenLiwu,etal.
HybridDiffractive-refractiveMethodCorrectApochromaticofAerospaceTelescope.Opticsand
5.PrecisionEngineering,2004,11(1):1-[2] 浦瑞良,宫鹏.高光谱遥感及其应用.北京:高等教
育出版社,2000,11-22.
[3] http://202.127.1.12/hkygq/pushbroomintro.
html.
[4] http://www.cas.ac.cn/html/Dir/2003/08/11/
8939.htm.
[5] http://www.sjziam.ac.cn/lcpage/jz5.htm.[6] http://show181002307.18show.cn/Article_5358.
html.
[7] 黄文江,王纪华,刘良云,等.冬小麦品质的影响因
素及高光谱遥感监测方法.遥感技术与应用,2004,19(3):143-148.
[8] http://www.coi.gov.cn/hygb/hywx/2002/4.
htm.
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