一.理解高光谱数据的波段、波长、反射率、光谱曲线、平均光谱曲线之间的关系

高光谱遥感中，什么是“波段（band）”、“波长（wavelength）”、“反射率”、“光谱曲线”、“平均光谱曲线”，它们之间又有什么关系？

1. 总结

波段：高光谱图像数据中，图像是宽×高×通道(维度），这里的通道是指波段;波长：光波的长度。（塑料：推荐波长在1100-1700nm）反射率：反射的辐射能量/入射的辐射能量。光谱曲线：一副图像中一个像素的所有波段对应波长下的反射率值，画的曲线图叫做光谱曲线。（“波长”为横轴，反射率为纵轴的曲线图）平均光谱曲线：一副图像中一组像素，在每个波段上求反射率的平均值，再画的曲线图叫做平均光谱曲线。（“波长”为横轴，平均反射率为纵轴的曲线图）

其他知识：每个波段覆盖一个特定范围内的波长值(取中值叫中心波长值)的反射率;波段的数量越多、波长间隔越小，光谱分辨率就越高。图中一个像素是一个小型波，是一个训练样本，跟平时我们的yolo的检测和分类不一样，yolo的检测和分类是一张图为一个训练样本。

（上面是精简总结的内容，但还有点乱，下面拆解每个内容）

2. 先拆解波段，波长：

波段（Band）

波段可理解为图像数据的通道，例如RGB图像是3通道。

我的光谱数据的波段数量是512，可理解为图像数据有512个通道或维度。每个波段存储的数值，是一个特定范围内的反射率或反射强度。

波长（Wavelength）

表示电磁波的物理属性，是光波的长度，单位常用 纳米（nm） 或 微米（μm）。在遥感中，常用范围是从 可见光（400–700 nm）到 近红外（700–2500 nm），甚至到 热红外（> 2500 nm）。

它们之间的关系：

每一个“波段”覆盖一个小范围波长的中心波长。

可以理解为：

band 1 -> wavelength = 400.1 nm

band 2 -> wavelength = 401.5 nm

...

band n -> wavelength = xxx nm

波段的数量越多、波长间隔越小，光谱分辨率就越高（高光谱的关键特性）。

应用场景推荐波长范围（nm）理由植被识别680–750（红边），970–1350包含红边、NIR植被峰、水分吸收谷水分检测970、1200、1450、1940水有明显吸收谷塑料/聚合物分辨1100–1700有机材料特征峰明显药品/成分分析1000–1650SWIR光谱敏感性高

例子A：

我的高光谱图像数据有512个波段，覆盖的波长范围是从890 nm 到 1700 nm，那么：

每个波段覆盖一个小范围的中心波长，比如1.5 nm。第1个波段记录890–891.5 nm范围的反射率值为0.317；第2个波段记录891.5–893 nm范围的反射率值为0334，以此类推；波段编号只是一种序号，只是通道，而反射率才是我们用到的最直接的数据。下面是用我的高光谱数据的HDR头文件的wavelength中的中心波长值绘制的波段和波长的之间的关系: 是线性关系，验证了上面每个波段覆盖一个小范围波长的内容：

3. 再拆解“反射率”：

反射率:

光谱反射率是指：

在某个波长下，物体反射的电磁辐射能量与它所接收的能量之比。

反映了物体对不同波长光的“反光能力”。

不同物质对不同波长的光反应不同 → 形成“光谱特征”；

比如：绿叶对绿光高反射、对红光和蓝光低反射。

公式表达：

反射率=反射的辐射能量入射的辐射能量

\text{反射率} = \frac{\text{反射的辐射能量}}{\text{入射的辐射能量}}

反射率=入射的辐射能量反射的辐射能量​

取值范围通常为 0~1，也可 百分比（0%~100%） 表示。

波段、波长、反射率之间关系:

上面有一句话讲到“每个波段覆盖一个特定范围内的波长值(取中值叫中心波长值)的反射率的值。” 这句话表明了他们之间的关系。通常波段、波长的关系在hdr头文件中的wavelength参数能找到。 波段、反射率的关系spe文件中能找到。

依旧上面例子A：

我的高光谱图像数据有512个波段，覆盖的波长范围是从890 nm 到 1700 nm，那么：

每个波段覆盖一个小范围的中心波长，比如1.5 nm。第1个波段记录890–891.5 nm范围的反射率值为0.317；第2个波段记录891.5–893 nm范围的反射率值为0334，以此类推；波段编号只是一种序号，只是通道，而反射率才是我们用到的最直接的数据。下面是用我的高光谱数据的spe文件里面的波段和反射率的值，由于上面已经验证了hdr头文件里面的波段和波长是线性关系，所以下面的图就没有再把波长的值写进来。

4. 最后拆解“光谱曲线”和“平均光谱曲线”：

光谱曲线：

严格上是以波长为横轴、反射率为纵轴，绘制出的二维曲线，是真正意义上的“光谱曲线”。

但由于波段和波长是线性关系，所以用以波段为横轴、反射率为纵轴也是可以，我们称为“伪光谱曲线”。

它展示了一个物体在不同波长下的反射特性。

也就是一副图像一个像素点在 512 个波段对应波长下的反射率，并将这些点连接起来，就形成了这个像素的“光谱曲线”。

平均光谱曲线：

一副图像中一个类别的像素，在每个波段上求反射率的平局值（即平均反射率），再画的曲线图叫做平均光谱曲线。（“波长”或“波段”为横轴，平均反射率为纵轴的曲线图）

跟光谱曲线一样，有真正意义上的“平均光谱曲线”和“伪平均光谱曲线”，但不影响我们对光谱曲线的研究。

平均光谱曲线的作用：

不同类别的平均光谱曲线，可以区分它们在哪些波段具有显著差异，判断不同区域是否属于同一物质，从而找出可用于分类的“关键波段”即“有效波段”区间范围，用于后续的降维和训练。单个像素的光谱可能会有噪声、异常点。多个像素平均可以减小这种影响，得到更稳定、平滑的曲线。

依旧上面例子A：

我的高光谱图像数据有512个波段，覆盖的波长范围是从890 nm 到 1700 nm，那么：

每个波段覆盖一个小范围的中心波长，比如1.5 nm。第1个波段记录890–891.5 nm范围的反射率值为0.317；第2个波段记录891.5–893 nm范围的反射率值为0334，以此类推；波段编号只是一种序号，只是通道，而反射率才是我们用到的最直接的数据。下面是用我的高光谱数据的spe文件里面的波段和反射率的值绘制的光谱曲线和平均光谱，由于上面已经验证了hdr头文件里面的波段和波长是线性关系，所以下面的图以波段为横轴，反射率或平均反射率为纵轴。光谱曲线和平均光谱曲线：