分视场滤光片型多光谱相机在利用拼接和配准生成多光谱图像时, 受云、水等特殊地物的影响, 利用现有方法生成的结果图像上容易出现条带噪声和错配现象。提出了一种三维信息约束下的尺度不变特征转换(SIFT)图像配准和地物光谱特性约束下的多光谱图像预处理算法, 该算法利用三维信息约束的SIFT算子提高配准精度, 同时在地物光谱特性约束下选取有效的辐射校正点提高图像拼接时各条带图像灰度的校正精度。实验结果表明, 利用该方法对分视场多光谱相机数据进行预处理时, 即使图像上存在云、水等特殊区域的地物, 结果图像仍能保持高精度配准且无条带噪声。

为了代替人眼对物体表面的颜色进行信息检测，设计了LED光源手持式分光测色仪。首先，通过计算不同测量波长分布和分辨率在标准光源照射下的三刺激值，比较它们的相对误差，选取了波长分布为400～700 nm、分辨率为10 nm作为光源的主要设计参数。接着，对照明光源进行研究，通过对卤钨灯、脉冲氙灯与LED光源的均匀色空间坐标进行对比，选取了LED光源作为仪器的照明光源。然后，讨论了不同照明和观测条件及人眼观测颜色的差异，选取以45°方向照明、0°方向接收作为照明和观测条件。最后，进行了照明系统设计和总体结构设计。实验结果表明，测色仪目标中心位置的最大光照强度为9.91×10-3 lm/mm2，平均照度为7.06×10-3 lm/mm2，基本满足了手持式分光测色仪精度较高、轻小型化、光照充足且均匀的设计要求。

改型Wollaston棱镜(MWP)无需中继, 可构建微型傅里叶变换光谱仪。回顾了MWP的基本原理, 从调制度定义出发, 计算得到准单色光源的复相干度, 找到调制度的影响因素——扩展视场、剪切结构、焦面探测等。建立一般的干涉定域分析模型后, 由像点逆光路追迹给出MWP的厚度计算公式, 代入调制度约束参数得到不同参量的误差容限。通过FRED记录不同视场扩展情况的灰度与辐照度, 结果显示, 调制度为0.9时, 视场与理论估算值1.24°基本相符; 不同剪切量的灰度与辐照度变化特性表明, 结构角会使定域垂直系统光轴的入射角发生变化, 与晶轴倾角共同影响双折射率差; 2.5和8μm像元探测采样表现出调制度差异, 描述了定域深度或离焦的影响。以准单色光源、复相干度表示调制度, 可将不同影响因素统一至约束参数中, 相关变量误差容限可作为MWPFTS的设计依据。

改型Wollaston棱镜(MWP)无需中继, 可构建微型傅里叶变换光谱仪。回顾了MWP的基本原理, 从调制度定义出发, 计算得到准单色光源的复相干度, 找到调制度的影响因素——扩展视场、剪切结构、焦面探测等。建立一般的干涉定域分析模型后, 由像点逆光路追迹给出MWP的厚度计算公式, 代入调制度约束参数得到不同参量的误差容限。通过FRED记录不同视场扩展情况的灰度与辐照度, 结果显示, 调制度为0.9时, 视场与理论估算值1.24°基本相符; 不同剪切量的灰度与辐照度变化特性表明, 结构角会使定域垂直系统光轴的入射角发生变化, 与晶轴倾角共同影响双折射率差; 2.5和8μm像元探测采样表现出调制度差异, 描述了定域深度或离焦的影响。以准单色光源、复相干度表示调制度, 可将不同影响因素统一至约束参数中, 相关变量误差容限可作为MWP-FTS的设计依据。

对于宽谱段、高分辨率的光谱测量场景,在探测面阵像素与像元尺寸受限的情况下,提出了双向剪切干涉的倾斜记录干涉图方式,以进行面阵探测器的多行像素拼接,在提高长波谱段分辨率的同时,避免单位剪切量增加造成的短波信息截止。以Wollaston棱镜偏振干涉具验证旋转像面的双向剪切干涉方式,计算剪切量在探测器二维空间上的载频关系,由等相位倾斜条纹衔接多列像素构成完整的干涉图。通过FRED软件模拟偏光干涉过程,以方解石晶体、C-RED ONE型探测器为例,验证等强度的1064,1550,1970 nm准单色谱线,结果显示:转角斜率为1/3时,双向剪切干涉复原谱线的位置误差小于1 nm,幅度比例达到0.9958∶0.9759∶1,1970 nm光谱分辨率提高至13 nm,为原值的2.38倍;对比复原棕榈蜡的近红外反射率光谱,768 pixel的扩展光程差反演的光谱显示出更多吸收特征,较320 pixel光程差反演的光谱分辨率增强,但因拼接误差在短波方向引入了一定的高频扰动。对影响拼接精度的剪切量进行误差分析,给出成像放大率一定时,转角误差容限与像面转角、观测波长、剪切角与分段光程差间的关系。基于像面旋转的双向剪切干涉光谱仪,解决了单纯提高剪切量带来的分辨率增强与高频截止的矛盾,拓展了系统参数的求解范围以及相关的误差容限,为宽谱段、高分辨率测量提供了选择。

为了提高多光谱图像匹配的速度和精度, 提出一种改进的随机抽样一致性(RANSAC)算法。针对传统RANSAC算法迭代次数多、运行效率低、单应性矩阵模型精度低等问题, 在采用SIFT 算法完成初始特征匹配的基础上, 从合理减少样本集中元素个数以提高局内点在样本中所占的比例以及采用预检验快速舍弃不合理的初始参数模型等方面对RANSAC算法进行改进, 从而极大地减少了算法的迭代次数, 提高了算法的运行效率和估计精度。实验结果表明, 所提改进算法不仅提高了图像匹配的精度, 而且在处理相同数据的前提下, 其所用时间不足传统RANSAC算法的60%, 有效减少了算法的运行时间, 提高了算法效率。

土壤有机碳（SOC）对土壤肥力至关重要, 可见-近红外光谱能对其实现快速反演, 为区域监测和定量遥感提供基础。 针对包络去除（CR）仅提供反射光谱的单向吸收特征, 多元回归中预测信息缺失、 拟合结果未充分反映波段特征, 利用世界土壤数据库245份中国土样的可见-近红外光谱, 首次提出双包络去除（BCR）与正交偏最小二乘（OPLS）结合的反演方法BCR-OPLS, 同时纳入光谱反射率及上、 下边包络去除量, 讨论组分参考值偏态分布时幂函数或对数缩放在回归时的优化作用, 建立多种土壤的综合与分类估计模型, 并导出适用特定类型土壤的SOC指数。 结果表明, 对多种土壤有机碳含量反演, 相较PLSR模型（决定系数R2和估计根均方误差RMSEE分别为0.69和0.45%）, BCR-OPLS模型的预测能力明显改善（R2和RMSEE分别为0.9和0.26%）; 而对单一类型土壤的反演精度则进一步提升, 根据载荷趋势和变量重要性建立的SOC指数, 预测如黄色铁铝土的有机碳含量时（以400, 590和920 nm）, 其反演结果R2达到0.94、 RMSEE达到0.21%。 双包络去除与OPLS相结合, 增强了光谱特征诊断的鲁棒性, 提高了不同类型土壤的综合与分类SOC全谱反演精度, 基于直观的图谱表达可构建简单的波段预测关系, 深化了物理经验吸收与统计多元回归之间的联系。

大面阵滤光片阵列多光谱成像仪采用了全帧转移大面阵探测器, 并利用机械快门保证采集数据时不发生拖尾现象, 但由于机械快门开合时间的不稳定性, 使多光谱成像仪数据出现区域间的亮度不均匀, 而且还会造成彩色图像偏色条带。 故提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法, 利用图像重叠部分的辐射特性, 计算光谱图像的辐射矫正因子, 对拼接图像的非均匀性进行矫正。 并利用差分评价矫正效果。 最后对多光谱相机采集的外场实验数据进行处理和矫正, 结果表明, 该方法可以很好的矫正单色拼接图像区域间的非均匀性, 并可以消除彩色合成图像中的偏色条带； 适用于有重叠部分的图像拼接, 并且对于拼接误差不敏感。