5.1.1　成像光谱仪

成像光谱仪也称高光谱成像仪，具有“图谱合一”的特点。它能够在紫外、可见光、近红外以及中红外波段，获取许多非常窄而且光谱连续的图像数据。成像光谱仪以完整曲线的方式将视域中观测到的各种地物都记录下来。这些记录下来的光谱数据能够应用于许多学科的研究和应用中。成像光谱仪依据其结构和原理主要分为两大类，一类为线阵探测器加光机扫描型，也称作摆扫型，另一类为面阵加空间推帚型，也称推扫型。

成像光谱仪数据具有光谱分辨率极高的优点，同时由于数据量巨大，难以进行存储、检索和分析。为解决这一问题，必须对数据进行压缩处理，而且不能沿用常规少量波段遥感图像的二维结构表达方法。图像立方体就是适应成像光谱数据的表达而发展起来的一种新型的数据格式，它是类似扑克牌式的各光谱段图像的叠合。如图5.1所示，立方体正面的图像是一幅自己选择的三个波段图像合成，它是表示空间信息的二维图像，在其下面则是单波段图像叠合；位于立方体边缘的信息表达了各单波段图像最边缘各像元的地物辐射亮度的编码值或反射率，这种图像表示形式亦称为影像立方体。

图5.1　高光谱图像立方体示意图

从几何角度来说，成像光谱仪的成像方式与多光谱扫描仪相同，或与CCD线阵列传感器相似，因此，在几何处理时，可采用与多光谱扫描仪和CCD线阵列传感器数据类似的方法。但目前，成像光谱仪只注重提高光谱分辨率，其空间分辨率却较低（几十甚至几百米）。正是因为成像光谱仪可以得到波段宽度很窄的多波段图像数据，所以它多用于地物的光谱分析与识别上。特别是，由于目前成像光谱仪的工作波段为可见光、近红外和短波红外，因此对于特殊的矿产探测及海色调查是非常有效的，尤其是矿化蚀变岩在短波段具有诊断性光谱特征。

高光谱分辨率遥感信息分析处理，集中于光谱维上进行图像信息的展开和定量分析，其图像处理模式的关键技术有：① 超多维光谱图像信息的显示，如图像立方体的生成；② 光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图像-光谱转换；③ 光谱编码，尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；④ 基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法；⑤ 混合光谱分解模型；⑥ 基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。

高端的成像光谱仪采用了透射型体相全息衍射光栅，其在可见光到近红外波段具有低杂散光、低吸收率特点；由于核心部分密封在玻璃或其他透明材质中，因此寿命长、容易清洁、抗刮擦，非常适合各种苛刻的野外的应用环境。

成像光谱仪工作方式主要为推扫式，为了实现扫描过程，一般利用外接扫描平台带动光谱仪运行；由于扫描平台比较笨重，且增加了耗电量，给野外工作带来诸多不便，所以现在最新型的成像光谱仪取消了扫描平台，改为内置式扫描设计，减轻了整机重量和能耗，而且可以直接进行垂直向下测量，更利于野外使用。

不同年代景德镇青花瓷成像光谱数据的采集选用　Surface Optics Corp公司开发研制的SOC710-vp便携式可见/近红外高光谱成像光谱仪（下文简称SOC），如图5.2所示。SOC采用内置推扫式光谱成像技术，无需外部运动平台，可在现场获取目标在400～1000 nm波长范围内128个波段的高光谱图像立方体，成像速度为232 s/cube。SOC的双CCD可视化对焦，能够直接预览测量区域图像；采集软件具有光谱单波段灰度图像、彩色合成图像以及光谱曲线的实时显示功能；可显示任一单波长影像，并可用软件制作3D高光谱立体图像显示；可以视频模式存储并连续播放不同波长的影像，且仪器经过严格NIST可溯源校准，可进行优良辐射测量，数据准确可靠。SOC高光谱图像的光谱分辨率为4.68 nm，每个波段的图像像素密度为520*696。相较于传统的非成像光谱仪（如ASD野外光谱辐射仪和SVC系列野外光谱仪），SOC光谱仪可以直接获取面状的成像光谱数据，实现了点到面的光谱测量。

本书选取故宫博物院保存的明、清时期部分青花瓷碎片进行数据采集，为保证数据精度，测量时选择室内测量，光照情况稳定。使用深色支架，通视条件良好，测量期间周边无移动物体出现。测量人员穿着暗色衣物，测定时人员和仪器背光测量，前面无遮挡。测量期间测量人员和辅助人员未出现明显的移动。