8.5 多光谱技术原理¶
多光谱成像（Multispectral Imaging）在少数离散波段（通常 4–20 个）上同时获取空间图像，每个波段覆盖较宽的光谱范围。相比高光谱，多光谱系统结构简单、数据量小、易于实时处理，在农业、环境监测、遥感测绘和工业检测中应用广泛。
一、核心概念¶
1.1 定义¶
多光谱成像在预先选定的离散波段上采集数据，波段数量少、带宽较宽（通常 50–200 nm），各波段在空间上严格配准。
1.2 波段选择原则¶
多光谱的波段通常针对特定应用设计：
| 应用 | 典型波段（中心波长） | 依据 |
|---|---|---|
| 植被监测 | 红（650 nm）、近红外（850 nm） | NDVI、红边 |
| 农业多光谱 | 蓝、绿、红、红边、NIR（5–6 波段） | 植被指数、水分、氮素 |
| 地物分类 | 蓝、绿、红、NIR（4 波段，类似 Landsat） | 通用地物区分 |
| 水体/海洋 | 蓝、绿、红、NIR、SWIR | 叶绿素、悬浮物、水深 |
| 矿物勘探 | 可见–短波红外多波段 | 蚀变矿物特征 |
二、多光谱成像的实现方式¶
2.1 滤光片分光¶
在探测器前放置滤光片，将不同波段分配到不同探测器或像元：
| 方式 | 结构 | 特点 |
|---|---|---|
| 滤光片轮 | 机械旋转切换滤光片 | 结构简单，时序采集，有配准问题 |
| 多相机 | 每个波段独立相机 + 滤光片 | 同时采集，需光学配准 |
| 滤光片阵列（马赛克） | 像元级滤光片（Bayer 扩展） | 单次曝光，空间分辨率损失 |
| 可调滤光片（AOTF/LVF） | 电调或线性渐变滤光片 | 灵活选波段，成本较高 |
2.2 色散分光¶
与高光谱类似，用棱镜或光栅分光，但只保留少数波段对应的探测器通道，其余舍弃。可视为高光谱的"稀疏采样"版本。
2.3 多探测器分光¶
分束镜将光分成多路，每路经不同滤光片后由独立探测器接收。光学复杂，但各波段严格同时成像，无运动配准误差。
三、多光谱与高光谱的差异（概要）¶
| 维度 | 多光谱 | 高光谱 |
|---|---|---|
| 波段数 | 4–20 | 数十至数百 |
| 光谱分辨率 | 宽（50–200 nm） | 窄（5–20 nm） |
| 光谱连续性 | 离散 | 近似连续 |
| 数据量 | 小 | 大 |
| 物质识别能力 | 有限（依赖预设波段） | 强（可提取任意特征） |
| 系统成本 | 低 | 高 |
| 实时性 | 易实现 | 难 |
详见 8.6 多光谱与高光谱对比。
四、典型多光谱系统¶
4.1 卫星多光谱¶
- Landsat 8/9：11 波段（可见–热红外），30 m GSD，全球覆盖
- Sentinel-2：13 波段，10–60 m GSD，5 天重访
- Planet Dove：4 波段（蓝绿红 NIR），3–5 m GSD，日重访
4.2 无人机/机载多光谱¶
- Parrot Sequoia：绿、红、红边、NIR 四波段，面向农业
- MicaSense Altum：5 波段 + 热红外，农业与测绘
- DJI P4 Multispectral：6 波段（含红边），农业应用
4.3 工业多光谱¶
- 分选机：3–8 波段，实时分选农产品、矿石、塑料
- 印刷检测：多波段检测墨色、缺陷
- 医学：多光谱病理切片、皮肤检测
五、多光谱数据处理特点¶
5.1 简化流程¶
多光谱数据量小，流程相对简化：辐射定标 → 大气校正（可选）→ 几何校正 → 指数计算 / 分类。
5.2 植被指数¶
多光谱最常用的是植被指数，如：
- NDVI = $(NIR - Red)/(NIR + Red)$
- EVI = $2.5 \cdot (NIR - Red)/(NIR + 6 \cdot Red - 7.5 \cdot Blue + 1)$
- SAVI（土壤调节）= $(NIR - Red)/(NIR + Red + L) \cdot (1+L)$
红边波段可构造红边指数，用于叶绿素、氮素估算。
5.3 分类¶
多光谱分类常用最大似然、SVM、随机森林等。因波段少，对训练样本数量和特征工程要求相对宽松，但类别精细区分能力弱于高光谱。
参考资料¶
- Thenkabail et al., Remotely Sensed Data Characterization, Classification, and Accuracies, CRC Press
- Gitelson, "Remote Estimation of Chlorophyll-a", Remote Sensing of Environment, 2011
- MicaSense / Parrot / DJI 多光谱相机技术白皮书
更新时间¶
2026-03-03