遥感影像的全色多光谱高光谱图像

Posted 2021-11-09 大彤小忆

• 1. 全色图像
• 2. 多光谱图像
• 3. 高光谱图像
• 4. RGB图像

  遥感成像原理： 光进入相机镜头，光电感应装置将光信号转换为电信号，量化电脉冲信号，记录为一个像素值。传感器响应函数设计为，要使光电感应装置产生这个电脉冲信号，光子强度必须达到一个阈值。进入镜头的光子数量取决于相机的感受野大小，镜头能通过的光子。多光谱图像要分出多个波段，镜头会分光，红滤镜只过红光，蓝滤镜只通过蓝光，假设相同的光打到全色与多光谱镜头上，显然因为滤光的缘故，多光谱感光器接收到的光子要少于全色感光器。而这些光子已经足够全色产生电脉冲，却不够多光谱产生电脉冲，这时，为了接收到更多的光子，多光谱相机需要更大的感受野。也就是说，全色看了一眼北京市，就吃够了光子，多光谱需要看一遍河北省，才能吃的和全色一样饱。后面接收光子的底片一样大，也就是说将北京市和河北省画到同样大小的一张纸上且占满整张纸，显然北京市的一张纸细节要多的多，而河北省的红绿蓝三张纸却一片模糊。
  遥感影像（Remote Sensing Image，RS）是指记录各种地物电磁波大小的胶片或照片，主要分为航空像片和卫星相片。
  在遥感影像中，主要输出的有三种图像，分别为：全色图像、多光谱图像、高光谱图像。

1. 全色图像

  全色图像是单通道的，其中全色是指全部可见光波段0.38~0.76um，全色图像为这一波段范围的混合图像。因为是单波段，所以在图上显示为灰度图片。全色遥感图像一般空间分辨率高，但无法显示地物色彩，也就是图像的光谱信息少。 实际操作中，我们经常将全色图像与多波段图像融合处理，得到既有全色图像的高分辨率，又有多波段图像的彩色信息的图像。下图是WorldView-3卫星拍摄的全色图像的例子。

2. 多光谱图像

  多光谱图像是指对地物辐射中多个单波段的摄取，得到的影像数据中会有多个波段的光谱信息。若取其中RGB三个波段的信息显示，就是RGB彩色图像。一般文献显示出来的多光谱图像，其实是RGB三通道的图像，有的波段不是人肉眼可见范围内的。下图是WorldView-3 卫星拍摄的多光谱图像RGB三波段显示的例子。

  由于光谱信息其实也就对应了色彩信息，所以多波段遥感图像可以得到地物的色彩信息，但是空间分辨率较低。更进一步，光谱通道越多，其分辨物体的能力就越强，即光谱分辨率越高。

3. 高光谱图像

  高光谱是由很多通道组成的图像，具体有多少个通道，这需要看传感器的波长分辨率，每一个通道捕捉指定波长的光。把光谱想象成一条直线，由于波长分辨率的存在，每隔一定距离才能“看到”一个波长。“看到”这个波长就可以收集这个波长及其附近一个小范围的波段对应的信息，形成一个通道，也就是一个波段对应一个通道。如果我们进行对高光谱上某一个像素的采样，就可以针对此像素生成一个“光谱特征”。多光谱图像其实可以看做是高光谱图像的一种情况，即成像的波段数量比高光谱图像少，一般只有几个到十几个。

  高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域，它利用很多很窄的 电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，它包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命，它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱遥感中能被探测。
  国际遥感界的共识是光谱分辨率在$\lambda /10$ 数量级范围的称为多光谱(Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段，如美国LandsatMSS，TM，法国的SPOT等；而光谱分辨率在$\lambda /100$的遥感信息称之为高光谱遥感 (HyPerspectral)；随着遥感光谱分辨率的进一步提高，在达到$\lambda /1000$时，遥感即进入超高光谱(ultraspectral)阶段。

4. RGB图像

  RGB图像本身不包含高光谱的信息，所以无法通过图像处理从RGB图像恢复到高光谱图像。这是因为普通的光学相机在自然光下拍摄的照片不包含完整的光谱信息。
  下表列出了波长与光对应的图。

编号	波长($\mu m$)	空间分辨率
1	0.433-0.453	30	深蓝、紫外
2	0.450-0.515	30	可见光-蓝
3	0.525-0.600	30	可见光-绿
4	0.630-0.680	30	可见光-红
5	0.845-0.885	30	近红外
6	1.560-1.660	30	短波红外
7	2.100-2.300	30	短波红外
8	0.500-0.680	15	全色
9	1.360-1.390	30	主要用于云层
9	10.6-11.2		热红外
10	11.5-12.5		热红外

  从上表中可以看出，普通的可见光相机只记录了2/3/4即红绿蓝三个波段的信息，其他波段就都丢掉了，所以我们会看到RGB图像就有3个通道。因为只记录了3个信号，所以也就没有办法根据3个通道的信息去恢复其他丢失的光谱信息。