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多光譜與高光譜的差異:波段、用途與 QGIS 選擇

發布於

2023 年 5 月拉文納洪水的 Sentinel-2 假色影像,植被呈紅色,洪水呈深藍色。
照片:SentinelHub,CC BY 2.0,維基共享資源。

多光譜影像用少量波段(通常 4 到 13 個)記錄地表反射的光,每個波段涵蓋光譜中較寬的一段:藍、綠、紅、近紅外,以及少數幾個短波紅外。高光譜影像則用數百個窄而連續的波段記錄同樣的光,所以每個像素帶有一條完整的光譜,而不只是光譜上的幾個取樣點。

多光譜與高光譜的差異,一句話說清楚

多光譜能告訴您一塊農田是綠的、而且受到脅迫。高光譜還能告訴您是哪種作物、哪種礦物、哪種色素。

多光譜高光譜
波段數4 到 13 個100 到 300 個
免費衛星Sentinel-2、LandsatEnMAP、PRISMA,需提出拍攝申請
無人機感測器數千歐元數萬歐元
單景資料量數百 MB數 GB
能回答的問題植被、水體、建成區、受脅迫區域哪個物種、哪種礦物、哪種塑膠
綠色葉片在 400 到 2500 奈米範圍內的反射率曲線圖:一條連續的曲線在紅邊處陡然上升,十三個 Sentinel-2 波段以陰影長條疊繪在曲線上。
整條曲線就是高光譜感測器記錄下的內容。陰影長條是十三個 Sentinel-2 波段,也是多光譜感測器保留下來的全部資訊。葉片曲線為示意圖。

兩者各適合做什麼

多光譜幾乎涵蓋了 GIS 團隊使用衛星影像的所有工作,而且免費。Sentinel-2 每五天就會為陸地上的每個位置提供一景新的 13 波段影像,光靠近紅外波段就足以繪製作物、森林、水體、燒毀區域和建成區範圍。工具是指數運算,先算 NDVI(常態化差異植生指數),再用 Semi-Automatic Classification Plugin 做分類。樹冠覆蓋製圖那篇文章走的就是這條路線。

高光譜則能在同一個類別內做進一步區分。兩種作物在 Sentinel-2 的每個波段上看起來都一樣,但在 10 奈米的解析度下,光譜就不同了。礦物製圖是高光譜最早的用途,靠的是任何多光譜波段都看不到的吸收特徵。代價是感測器昂貴、資料量龐大,而免費衛星只能按需求拍攝,空間解析度 30 m,重訪週期以週計。

在 QGIS 中,什麼工作用哪一種

  • 土地覆蓋、作物類型、森林範圍、淹水範圍。 用多光譜。免費、頻率高,QGIS 的分類工具本來就是為它設計的。
  • 尚未顯現的作物脅迫、物種、礦物、污染、塑膠。 用高光譜:小範圍場址用無人機,區域尺度用 EnMAP 或 PRISMA。
  • 需要看清小型物體的工作。 兩者都不行。它們都是 10 到 30 m 尺度的像素科學。屋頂、樹冠或游泳池是一個形狀,要用三波段的高解析度影像來判讀。AI Segmentation 是 TerraLab 為 QGIS 開發的外掛,做法正是如此:讀取 RGB 正射影像,每個物件回傳一個多邊形。

常見問題

Sentinel-2 是多光譜還是高光譜?

多光譜:13 個波段,解析度為 10、20 和 60 m。免費的高光譜任務有 EnMAP、PRISMA 和 NASA 的 EMIT。

什麼是紅邊?

葉片反射率在約 680 到 750 奈米之間的陡升段。植物受到脅迫時,紅邊的位置會位移,這也是 Sentinel-2 有三個窄波段橫跨紅邊的原因。

QGIS 支援高光譜資料嗎?

支援。高光譜影像就是一個有數百個波段的網格資料,所有網格工具都能讀取。EnMAP-Box 是 EnMAP 團隊開發的 QGIS 外掛,正是為這種情況而設計。

QGIS AI 專區整理了 AI 在 QGIS 內能做和不能做的事。影像相關的名詞,在正射鑲嵌影像與正射影像的差異那一頁接著說明。