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多光谱和高光谱的区别:波段、用途与 QGIS 选择

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2023 年 5 月拉文纳洪水的 Sentinel-2 假彩色图像,植被呈红色,洪水呈深蓝色。
图片:SentinelHub,CC BY 2.0,维基共享资源。

多光谱影像用少量波段(通常 4 到 13 个)记录地表反射的光,每个波段都覆盖光谱中较宽的一段:蓝、绿、红、近红外,以及少量短波红外。高光谱影像则用数百个窄而连续的波段记录同样的光,因此每个像素带有一条完整的光谱,而不只是光谱上的几个采样点。

多光谱和高光谱的区别,一句话说清

多光谱能告诉您一块农田是绿色的、而且受到了胁迫。高光谱还能告诉您是哪种作物、哪种矿物、哪种色素。

多光谱高光谱
波段数4 到 13 个100 到 300 个
免费卫星Sentinel-2、LandsatEnMAP、PRISMA,按需成像
无人机传感器数千欧元数万欧元
单景数据量数百 MB数 GB
能回答的问题植被、水体、建成区、受胁迫区域具体的物种、矿物、塑料种类
绿色叶片在 400 到 2500 nm 范围内的反射率曲线图:一条连续的曲线在红边处陡然上升,十三个 Sentinel-2 波段以阴影条带的形式叠绘在曲线上。
整条曲线就是高光谱传感器记录下的内容。阴影条带是十三个 Sentinel-2 波段,也是多光谱传感器所保留的全部信息。叶片曲线为示意图。

各自适合做什么

多光谱几乎可以免费完成 GIS 团队用卫星影像做的所有常规工作。Sentinel-2(哨兵 2 号)每五天为陆地上的每个位置提供一景新的 13 波段影像,仅凭近红外波段就足以绘制作物、森林、水体、烧毁区域和建成区范围。常用的工具是指数运算,先算 NDVI,再用 Semi-Automatic Classification Plugin 做分类。树冠制图一文走的就是这条路线。

高光谱则能在同一个类别内部做区分。在 Sentinel-2 的每个波段里看起来一模一样的两种作物,在 10 nm 的光谱分辨率下光谱并不相同。矿物填图是高光谱最初的用途,它读取的吸收特征,任何多光谱波段都看不到。代价是传感器昂贵、数据量大,而且免费卫星只能按需成像,空间分辨率为 30 m,重访周期以周计。

在 QGIS 中,什么任务选哪一种

  • 土地覆盖、作物类型、森林范围、洪水范围。 选多光谱。免费、更新频繁,QGIS 的分类工具本来就是为它设计的。
  • 症状出现之前的作物胁迫、物种、矿物、污染、塑料。 选高光谱:一个场地用无人机,一个区域用 EnMAP 或 PRISMA。
  • 需要看清小型目标的任务。 两者都不适合。它们都是 10 到 30 m 的像素级方法。屋顶、树冠或游泳池是一个形状,应该从三个波段的高分辨率影像中读取。AI Segmentation 是我们 TerraLab 为 QGIS 开发的插件,就是这样工作的:它读取 RGB 正射影像,每个对象返回一个多边形。

常见问题

Sentinel-2 是多光谱还是高光谱?

多光谱:13 个波段,分辨率为 10 m、20 m 和 60 m。免费的高光谱任务有 EnMAP、PRISMA 和 NASA 的 EMIT。

什么是红边?

指叶片反射率在约 680 到 750 nm 之间的陡然上升。它的位置会随植物受到的胁迫而移动,所以 Sentinel-2 在这一段设置了三个窄波段。

QGIS 支持高光谱数据吗?

支持。一景高光谱影像就是一个有几百个波段的栅格,所有栅格工具都能读取。EnMAP-Box 是 EnMAP 团队开发的 QGIS 插件,专门用于这类数据。

QGIS AI 专题页汇总了 AI 在 QGIS 中能做什么、不能做什么。影像相关的术语,请接着看正射镶嵌图和正射影像的区别一文。