指不同成分和结构的物质具有独特的吸收光谱、发射光谱、散射光谱或反射光谱。例如荧光光谱特性，物质受到某特定波段的辐射激发，会将相应的光谱能量转换为其他波段的光谱辐射发射出来；光谱反射率为物质表面所反射的光谱辐射能量与入射光谱辐射能量之间的比值，与颜色不同，物质表面的光谱反射率并不随外界照明条件或观测条件的变化而变化（颜色会随着照明条件或观测条件发生变化，属表观量），是物质的本征属性，被称为物质的“光谱指纹”，可以用于分析物质的成分、结构信息，从而能够实现高精度的地物归类化测量，也可以用于对地物的数量、分布进行探测和统计。获取光谱特性的重要手段之一就是高光谱成像技术。

兴起于20世纪80年代，其核心是将反映空间几何关系的二维空间信息与代表地物辐射属性的一维光谱信息相融合，获得光谱图像立体数据。高光谱成像技术将图像传感器的空间表示和光谱仪的分析能力相结合，在可见光、近红外、短波红外以及中红外等电磁波谱范围内，为每一个图像像素提供数十乃至数百个窄波段，从而产生一条完整连续的光谱特性曲线。

水下高光谱成像的主要工具为水下高光谱成像仪，其核心是实现水下高光谱分辨率的光谱分光技术，这直接影响结构复杂度、体积、重量及性能。根据光谱分光原理的不同，主要分为滤光片型及色散型光谱分光技术。根据空间成像方式的不同，主要分为推扫式、框幅式及窗扫式。根据获取光谱图像立方体数据的方式不同，主要可分为光谱维串行扫描方式、空间维串行扫描方式和并行（快照）扫描方式。

主要由成像透镜组、色散元件（光栅或棱镜）、图像传感器、水下耐压密封舱等组成，色散元件将通过成像透镜组的复色光色散为窄带单色光，图像传感器不同像素行接收不同波段的单色光，从而获得空间成像行的高光谱数据，通过空间维度的串行扫描获取推扫方向上的高光谱数据。由于采用色散元件作为光谱分光器件，其对光谱能量的利用率较高，可以根据需求设计较高的光谱分辨率，以适应水下大范围高光谱数据的连续采集，但需要一个稳定的推扫平台或载体，以减少后期数据拼接校正的难度。

利用滤光片选择性透射的原理，图像传感器每次只采集一个波段的二维空间图像，通过改变滤光片的透射波段，逐个波段进行成像，以得到所有波段的光谱图像，构成光谱图像数据立方体。改变滤光片透射波段的方式可以是电机驱动滤光轮转动以切换不同的滤光片，也可以通过采用可变滤光器，如圆形可变滤光器、声光可调谐滤光器、液晶可调谐滤光器加以改变。其空间成像方式通常为框幅式，因此也称为凝视型光谱成像仪，即该方式需要消耗较多时间，且在数据采集过程中要保持同一凝视状态，因此，不适宜快速变化或运动的目标。

在图像传感器每一个像元表面集成不同透射波长的窄带滤光片，例如马赛克阵列、瓷块阵列，通过一次成像可以同时获取空间信息和光谱信息，因此大大简化了光谱成像仪的系统结构，提高了图像传感器像元的有效积分时间，更适合观测动态目标。但是该技术通常以较低的空间分辨率、光谱分辨率、严苛的加工工艺为代价。此外，也可以将滤光片按线扫描阵列集成到图像传感器像元表面，同样需要平台轨道进行推扫成像以获得完整目标物的光谱图像数据立方体，但无须色散型光谱成像仪内部的色散棱镜或平面光栅等复杂光路支持。

相比于使用卫星高光谱遥感或机载高光谱对地表浅层水体的测量，具有更高的空间分辨率和时间分辨率，可以即时应用到所需测量的水体环境下。由于离海底或者水下目标物更近，可以达到毫米级空间分辨率，从而提供更精细的物体空间形态及光谱信息。相比于彩色成像或多光谱成像具有更高的光谱分辨率，通常具有1～5纳米的光谱分辨率，因此，在400～700纳米的可见光范围内可以提供数百个光谱波段。相比于光谱仪具有图谱合一的特点，每个图像像素都可以提供一条几乎连续的光谱特性曲线，融合光谱探测和成像观测的特点。

其一是水体（包括水、水中悬浮颗粒物、水中溶解物质等）对不同波段的光谱能量具有选择性的吸收、散射等衰减作用，且衰减程度随水下距离呈指数衰减规律，不仅导致光的能量整体减弱、能量在不同波长的相对分布发生变化，而且由于水体的散射，光的传输路径也会发生变化，导致水下光场后向散射显著增强，并且图像像素点之间串扰严重。其二是自然光难以穿透深层水体，水下环境通常是弱光或微光环境，水下高光谱成像又将光谱波段细分到纳米级别，因此需要足够功率的水下宽光谱照明光源对每一个窄光谱波段提供辅助照明。然而，人工光源所产生的光场在水下空间分布不均匀，照度随水下相对距离和角度发生变化，而水体的吸收和前后向散射则进一步加剧了这种不均匀性，对高光谱数据的准确获取造成严重的影响。其三是水下动态环境对水下高光谱成像也会造成较大的挑战，通过波长扫描或者空间扫描的方式采集高光谱数据，需要一定的成像时间，而水流会对成像系统造成一定的扰动，引起成像系统的晃动，给不同时刻光谱图像的配准或拼接造成了一定的困难。尤其是对于推扫式水下高光谱成像仪，对水下推扫轨道或潜水器载体[例如有缆遥控潜水器（Remotely Operated Vehicle; ROV）、无缆自主潜水器（Autonomous Underwater Vehicle; AUV）]的稳定性要求较高。其四是由于水下光线传输的复杂规律，原始水下高光谱数据并不能反映真实的光谱特性，甚至原有的特征会因为水体影响而被削弱，因此，水下高光谱数据的校正复原工作也是必不可少的，包括空间维度的平移、旋转、模糊等校正，以及光谱维度的光谱衰减能量补偿。此外，由于水下环境的限制，空气中常用的高光谱数据校正方法、距离测量方法等无法直接应用到水下环境。

总之，水下高光谱不仅仅是图像数据量的增加，而是数十至数百倍的信息量增加。随着水下高光谱成像技术光谱分辨率的不断提高，许多隐藏在狭窄光谱范围内的光谱特征属性会被发现，使得水下目标物精确定量分析和深层次细节提取成为可能。水下高光谱成像技术可以为海底环境测绘、海底结构检查、矿物测绘和海洋生态环境健康监测等方面提供高效、定量的技术支撑。