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多光谱相机的原理及应用

发布时间:2019-07-12 19:35 来源:未知 编辑:admin

  多光谱成像技术自从面世以来,便被应用于空间遥感领域。而随着搭载平台的小型化和野外应用的需求,光谱成像仪在农业、林业、军事、医药、科研等领域的需求也越来越大。而在此之前成像技术并没有那么高,只能对特定的单一的谱段进行成像。虽然分辨率高但是数据量大难以进行分析、存储、检索,而多光谱成像是将所有的信息结合在一起,这不仅仅是二维空间信息,同时也把光谱的辐射信息也包含在内,从而在更宽的谱段范围内成像。

  1.光学系统可以在各个谱段内范围内成像,可以很好的的控制杂散光,是多光谱相机最重要的部分,对工作谱段范围和分辨能力起了决定性的作用,还可以设定工作焦距、视场角大小等。

  2.控制和信息处理器控制监督多光谱相机的整个工作过程,并收集图像数据,并进行储存。

  人眼所能能识别的光谱区间为可见光区间,波长从400nm到700nm;普通数码相机的光谱响应区间与人眼识别的光谱区间相同,包含蓝、绿、红、三个波段;而多光谱相机的工作谱段范围在其基础上,可以分可见光、近红外光、紫外光等每台多光谱相机的分辨率不同,所应用的领域也不同。

  就比如说我们在做植被调查的时候,植被的可见光波段对绿色比较敏感对红色和蓝色反射较弱。相对于可见光波段,植被在近红外波段具有很强的反射特性,多数植被在可见光波段的光谱差异很小。而在近红外波段的光谱差异更大,光谱差异越明显越有利于分类。

  我们知道像素运用复杂的大气准则来,复原反射光谱和辐射光谱所的到的数据分析,得到不同物质的反射率不同,称之为光谱特征。如果有足够的光谱特证,可用于识别场景中的专用材质,其中包括光谱范围、宽度、分辨率。范围是指相机获取图像来自的光谱段,谱段的宽度反映了谱段设置的要求、通过努力衡量大气中物质的光谱特性还有传感器的光谱响应,就要考虑 大气中的吸收和散射。

  光学系统是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统。通常用来成像或做光学信息处理。曲率中心在同一直线上的两个或两个以上折射(或反射)球面组成的光学系统称为共轴球面系统,曲率中心所在的那条直线称为光轴。其中参数包括焦距、视场角、相对孔径等。

  如果光学系统中的光学镜片为反射镜,则此系统称之为反射系统,反射式光学系统最大的优势就在于其光谱范围很大,对各个谱段都适用,并且不需要矫正二级光谱,但是因选用的是非球面镜片,会使系统的加工和装配变得十分困难,增加制作工艺难度。

  对于多光谱相机来说除了光学系统以外,分光系统也十分重要,因为多光谱相机需要对各个谱段进行成像分析,最终将这些图像数据结合在一起,这就要求能将光线进行分光的器件,无论采用哪种分光模式都必须满足配准的需求。

  最早出现的分光方式是利用棱镜或者是光栅分光,相对来说技术比较成熟,应用也比较广泛,随着发展也有了迈克尔逊双光束干涉分光、offner凸光栅光谱成像系统等。

  相对于雷达影像、高光谱影像,多光谱影像更易获取,能够同时满足低成本、高时效、多尺度及多目的的植被分类。随着国际和国内一系列植被调查研究工作的实施,多光谱影像越来越普遍深入地应用于各种植被覆盖分类中,特别是高分辨率多光谱影像,给植被分类带来新的机遇和挑战。中低分辨率多光谱影像主要用于大尺度植被群落级的分类,对于植被物种级分类比较困难。高分辨率遥感影像能在较小的空间尺度上表达植被的细节变化,进行大比例尺制图,不仅能够用于区域尺度的植被群落级分类,对于局部小尺度物种级植被精细分类更具潜力。法国Hi-phen公司的Airphen多光谱相机分辨率相对比较高,100米高空,分别率在4.76cm,对于植物群落级分类,可以轻松解决。

  当植物受到病虫侵害的时候,农作物因缺乏营养和水分而生长不良,海绵组织受到破坏,叶子的色素比例也会发生变化,使得可见光区的两个吸收谷不明显,0.55um处的反射峰值按植物叶子被损害的程度而变低。近红外出的变化更为明显,峰值变低甚至消失,整个反射光谱曲线波状特征不明显。为此我们要在无人机上搭载可见光数码相机和多光谱数码相机两套传感器,分别来提供普通数字遥感图和光谱影像,之后在经过数据融合,来获取高精度的监测数据。它的特点是机动性好、时效性强,受大气辐射影响小,空间分辨率高、数据量大、是传统卫星遥感所无法比拟的。

  水是万物之源,生命之本,也是植物生长过程中不可或缺的重要物质之一。植被水分是农作物生长状况的重要评价指标,在做植被水分调查的时候,传统的野外采样调查存在着时效性,代表范围有限,而且需要大量的人力物力,难以实现大范围的动态监测,随着遥感技术的不断发展。多光谱相机搭载无人机监测,成功弥补了传统监测的不足,具有时效性强、监测数据精度高,监测范围广等特点。

  在用多光谱相机做植被生长状况检测时遥感图像上的植被信息,主要通过绿色植物叶子和植被冠层的光谱特性及其差异、变化而反映的,不同光谱通道所获得的植被信息,可与植被的不同要素或特征状态,有各种不同的相关性,如可见光谱段受叶子叶绿素含量的控制,近红外谱段受叶内细胞结构的控制、中红外谱段受叶细胞内水分含量的控制等。当对多光谱遥感数据进行分析运算时产生某些对植被长势,有一定指示意义的数值,我们称之为植被指数。在指数中通常选用可见光红波段,和高反射的近红外波段。这两个波段是植物光谱中最典型的波段,而且对同一生物反应的物理现象也截然相反。所以它们对增强或揭示隐含信息是有利的。另外对植被长势监测的同时还可做叶面积指数、叶片氮含量、氮积累量等监测。

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