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光波是由原子内部中运动的电子产生的。由于每种物质的原子内部电子的运动情况都不同，所以它们发射的光波也不同。发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱有两种类型，连续光谱和明线光谱。连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。
只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱。观察气体的原子光谱，可以使用光谱管，它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极。把两个电极接到高压电源上，管里稀薄气体发生辉光放电，产生一定颜色的光。
观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱。实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。
高温物体发出的白光通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气，然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线，这就是钠原子的吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。因此，吸收光谱中的谱线（暗线）也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。
由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速，某种元素在物质中的含量达10-10克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。传统光谱分析通过待测物自发光或者与光源相互作用进行，大多是针对一个单点位置。而图像光谱测量则是结合了光谱技术和成像技术，将光谱分辨能力和图形分辨能力相结合，造就了空间维度上的面光谱分析，也就是多光谱成像和高光谱成像技术。
多光谱技术（Multispectral）是指能同时获取多个光学频谱波段，并在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展的光谱探测技术。常见方法是通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其在同一时刻分别接收同一目标在不同窄光谱波段范围内辐射或反射的光信号，得到目标在几张不同光谱带的照片。如下图所示，其包含了红色1，绿色2和蓝色3频带的信息。如果增加更多的频带如4和5，就可以获得一个含多个频带的多光谱照片。
高光谱成像（Hypespectral）是一种可以捕获和分析一片空间区域内逐点上光谱的精细技术，由于可以检测到单个对象不同空间位置上的独特光谱特征，因此可以检测到在视觉上无法区分的物质。如下图所示，图像由更窄的波段（10~20nm）组成。高光谱图像可能有数百或数千个波段。物体与光源的光相互作用并被非成像光谱分析设备（比如光谱仪）接收后，设备可以精确地反应出接收到的光信号在光谱频带上分布的强度差异，也就是光谱信息。
使用高光谱设备时，从成像特性角度看，可以了解到样品各个位置的光谱信息，从光谱特性角度看，可以了解在特定光谱带内的信号位置分布，也就是说，高光谱设备可以获取更加丰富的细节信息。例如，人眼只能接收三个光谱频段中物体的光能量信号，红色、绿色和蓝色。也能够看到由这三种颜色的组合产生的橙色、紫色等等其它色彩。但是我们并不不能区分纯黄色和红绿二色的混合色，即同色异谱。高光谱成像却可以轻松分辨其中的区别。
上图显示了两种黄色，一种是纯色，另一种是红色和绿色的混合物。在视觉上可能无法区分，但由于它们的光谱差异，使用光谱设备却可以将其区分。研究人员在进行试验的时候，使用光谱仪得到的数据代表在整个被探测范围内同入射光源相互作用的所有分子发出的光的平均值。而使用多光谱设备可以获取被探测范围内各点在几个特定频带上样品信息。因此，这两种设备均无法提供单个区域内非常精细的样品信息。
高光谱成像仪（HSI）可以类比为数百或数千个单点光谱仪紧密的排在一起并同时关注一片区域，每个光谱仪都独立工作，并获取自己所在位置的光谱信息。从HSI输出的数据是图片，或者视频流，这些图片或者视频中的每个像素都有自己的光谱，并且每一张光谱都包含数百个光谱频带。高光谱成像技术的这种全光谱功能让人们可以看到一个场景中每一个可分辨的空间位置上的光谱信号，即得到了更多维度的信息。
因此高光谱成像的应用场景很丰富，其中包括艺术品鉴别，农作物健康，海岸线测绘，森林，矿物勘探，城市和工业基础设施，生产线产品质量，环境监控等等。高光谱的扫描方法和成像效果如下图所示，其中上半部分λ代表波长，x和y代表像素空间位置，t=随时间的采集。下半部分为在传感器（焦平面阵列FPA）所在的焦平面上的狭缝图像和风光后的光谱信息。
很多时候材料的反射率特征光谱相对于波长的变化可能非常复杂，而其他微小特征使用较粗糙的多光谱成像方法也有可能无法分辨。下图中使用多光谱成像（左）识别无法分辨的物质，通过使用高光谱成像（右）被分辨出来。其原因是由于高光谱具有更多的光谱频带，因此可以通过更高的光谱分辨率准确地获得更复杂的指纹特征。高光谱成像主要用于测量光与物质相互作用后的反射光，因此也是一种表面测量技术。
