高光譜遙感成像系統(tǒng)（課堂PPT）

1、.1第二章第二章 高光譜成像系統(tǒng)高光譜成像系統(tǒng) 本章主要介紹傳感器技術(shù)的發(fā)展，成像光譜儀的特點(diǎn)，高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)表達(dá)，光譜成像方式以及常見(jiàn)的高光譜儀。.2一一.遙感傳感器成像技術(shù)的發(fā)展遙感傳感器成像技術(shù)的發(fā)展.3l成像光譜技術(shù)則把遙感波段從幾個(gè)、幾十個(gè)推向數(shù)百個(gè)、上千個(gè)。高光譜遙感數(shù)據(jù)每個(gè)像元可以提供幾乎連續(xù)的地物光譜曲線，使我們利用高光譜反演陸地細(xì)節(jié)成為可能。l如一個(gè)TM波段內(nèi)只記錄一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而航空可見(jiàn)光/紅外光成像光譜儀(AVIRIS)記錄這一波段范圍內(nèi)的光譜信息用10個(gè)以上數(shù)據(jù)點(diǎn)。.4 全色（黑白）-彩色攝影多光譜掃描成像高光譜遙感l(wèi)1960年人造地球衛(wèi)星圍繞地球獲取地球的圖片資料時(shí)

2、，成像就成為研究地球的有利工具。l在傳統(tǒng)的成像技術(shù)中，黑白圖像的灰度級(jí)別代表了光學(xué)特性的差異因而可用于辨別不同的材料。l對(duì)地球成像時(shí)，選擇一些顏色的濾波片成像對(duì)于提高對(duì)特殊農(nóng)作物、研究大氣、海洋、土壤等的辨別能力大有裨益。這就是人類最早的多光譜成像（Multispectral imaging）。l1980年高光譜成像技術(shù)（Hyperspectral Imaging）誕生了，它最早是機(jī)載的成像光譜儀（Airborne Imaging Spectrometer），如今已拓展到先進(jìn)的可見(jiàn)和紅外成像光譜儀（AVIRIS），這兩種最早都誕生在NASA的JPL中心（NASA：美國(guó)國(guó)家航天航空管理局）。歷史

3、發(fā)展歷史發(fā)展.5.6與地面光譜輻射計(jì)相比，成像光譜儀不是在“點(diǎn)”上的光譜測(cè)量，而是在連續(xù)空間上進(jìn)行的光譜測(cè)量，因此它是光譜成像的，與傳統(tǒng)多光譜遙感相比，其波段不是離散的而是連續(xù)的，因此從它的每個(gè)像元均能提取一條光滑而完整的光譜曲線，如圖所示。成像光譜儀解決了傳統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域“成像無(wú)光譜”和“光譜不成像”的歷史問(wèn)題。二二.成像光譜儀的特點(diǎn)成像光譜儀的特點(diǎn).7l光譜分辨率：光譜分辨率：遙感器能分辨的最小波長(zhǎng)間隔，是遙感器的性能指標(biāo)。比如圖中縱坐標(biāo)（y軸）表示探測(cè)器的光譜響應(yīng)，橫坐標(biāo)（x軸）代表波長(zhǎng)，那么光譜分辨率被定義為儀器達(dá)到光譜響應(yīng)最大值的50%的波長(zhǎng)寬度。特點(diǎn)特點(diǎn)1 1：高光譜分辨率高：高光譜分

4、辨率高.8l空間分辨率：空間分辨率：成像光譜儀的一個(gè)瞬間視場(chǎng)，即在一瞬間遙感系統(tǒng)探測(cè)單元所對(duì)應(yīng)的瞬間視場(chǎng)（IFOV）。IFOV以毫弧度（mrad）計(jì)量，其對(duì)應(yīng)的地面大小被稱為地面分辨率單元（Ground Resolution Cell，GR）它們的關(guān)系為： lGR = 2*tan(IFOV/2)*H .9l時(shí)間分辨率：時(shí)間分辨率：對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行遙感采樣的時(shí)間間隔，即采樣時(shí)間的頻率。l信噪比信噪比（SNR）：）：signal to noise ratio,遙感器采集的信號(hào)和噪聲之比。信噪比的高低直接影響了圖像分類和圖像識(shí)別等處理效果。l在實(shí)際應(yīng)用中，空間分辨率和光譜分辨率以及信噪比是相互制約的，

5、兩種分辨率的提高都會(huì)降低信噪比，那么必須綜合考慮這三個(gè)方面的指標(biāo)，進(jìn)行取舍。.10TM圖象圖象SPOT圖象圖象傳統(tǒng)傳感器的分辨率傳統(tǒng)傳感器的分辨率.11ROSIS圖象圖象PHI圖象圖象.12.13特點(diǎn)特點(diǎn)2 2：圖譜合一：圖譜合一.14特點(diǎn)特點(diǎn)3 3：波段多，在某一個(gè)波段范圍連續(xù)成像：波段多，在某一個(gè)波段范圍連續(xù)成像.15三三.高光譜遙感圖象數(shù)據(jù)表達(dá)高光譜遙感圖象數(shù)據(jù)表達(dá)l成像光譜圖象相對(duì)于其他一般遙感圖象的主要優(yōu)勢(shì)在于：除了擁有二維的平面圖之外，更包含了光譜維，從而蘊(yùn)涵了豐富的圖象及光譜信息。l為了給用戶一個(gè)直觀和形象的認(rèn)識(shí)，通常我們?cè)诙S圖象信息的基礎(chǔ)上，添加光譜維，形成一個(gè)三維的坐標(biāo)空間

6、。.16lOXY平面：與傳統(tǒng)的圖象平面相同，表示黑白單波段圖象，反應(yīng)一個(gè)波段的信息。lOXZ平面：y方向的光譜切面lOYZ平面：x方向的光譜切面 它們代表一條直線上的光譜信息。.17.18.19Envi里面的實(shí)踐環(huán)節(jié)里面的實(shí)踐環(huán)節(jié).20四四.光譜成像的方式光譜成像的方式l完成成像方式是一個(gè)集探測(cè)技術(shù)，精密光學(xué)機(jī)械，微弱信號(hào)探測(cè)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息處理技術(shù)等為一體的綜合性技術(shù)。其中硬件技術(shù)的成熟會(huì)不斷推動(dòng)成像光譜技術(shù)的提高，因此有必要對(duì)于成像光譜的硬件技術(shù)進(jìn)行了解。l高光譜遙感的成像包括空間維成像和光譜維成像。時(shí)間時(shí)間探測(cè)器探測(cè)器場(chǎng)景場(chǎng)景通道1通道2通道K+噪聲噪聲輸出圖像輸出圖像.21了解兩個(gè)概

7、念：了解兩個(gè)概念：l視場(chǎng)角：儀器在空中所掃描的角度，它決定了地面的掃描幅寬。l凝視時(shí)間：儀器視場(chǎng)角掃過(guò)地面單元所持續(xù)的時(shí)間。凝視的時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入探測(cè)器的能量越多。光譜響應(yīng)和圖像的信噪比越高。.22空間維成像空間維成像l通過(guò)飛行平臺(tái)的平動(dòng)和飛行平臺(tái)上成像光譜儀的工作模式來(lái)決定，常用的工作模式為擺掃型和推掃型。l1）擺掃型成像光譜儀擺掃型成像光譜儀由光機(jī)左右擺掃和飛行平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)完成二維空間成像，其中線列探測(cè)器完成每個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)像元的光譜維獲取。成像光譜儀由探測(cè)器360度搖擺，飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，形成二維空間成像。如：OMIS AVIRIS等.23.24.25l2）推掃型成像光譜儀推掃型成像光譜儀采用一個(gè)

8、垂直于運(yùn)動(dòng)方向的面陣探測(cè)器，在飛行平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)中完成二維空間掃描。成像光譜儀的掃描方向就是遙感平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向如：PHI，CASI等.26.27光譜維成像光譜維成像l主要是由棱鏡，光柵進(jìn)行色散型成像，探測(cè)器將反射光收集到物鏡后，再進(jìn)行分光，所有光譜分布同時(shí)進(jìn)行輸出。擺掃式：是利用線陣式掃描推掃式：是利用面陣式掃描，一次性掃描多個(gè)排成一行的像元。另外的光譜成像形式包括：干涉型，濾光型等.28光譜維成像光譜維成像l介紹兩種最常見(jiàn)的成像方式1）棱鏡、光柵色散型成像光譜儀.29.302）干涉成像光譜儀）干涉成像光譜儀.31五、高光譜成像光譜儀1）航空成像光譜儀）航空成像光譜儀l20世紀(jì)80年代興起的新型

9、對(duì)地觀測(cè)技術(shù)高光譜遙感技術(shù)，始于成像光譜儀(Imaging Spectrometer)的研究計(jì)劃。該計(jì)劃最早由美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Lab，JPL）的一些學(xué)者提出。l1983年，世界第一臺(tái)成像光譜儀AIS1在美國(guó)研制成功，并在礦物填圖、植被生化特征等研究方面取得了成功，初顯了高光譜遙感的魅力。l在美國(guó)宇航局（NASA）的支持下，相繼推出了系列成像光譜儀產(chǎn)品。如：機(jī)載航空成像光譜儀（AIS）系列；航空可見(jiàn)光/紅外成像光譜儀（AVIRIS）；高分辨率成像光譜儀（HIRIS）等。.328080年代早期高光譜航天成像光譜儀年代早期高光譜航天成像光譜儀.33l航空

10、可見(jiàn)光/紅外成像光譜儀AVIRIS。80年代后期，美國(guó)噴氣推進(jìn)研究室（JPL）制成機(jī)載可見(jiàn)紅外成像光譜儀（AVIRIS）的完整樣機(jī)。該成像光譜儀可在0.4m2.45m的波長(zhǎng)范圍獲取224個(gè)連續(xù)的光譜波段圖像。波段寬度10nm。當(dāng)飛機(jī)在20km高空飛行 時(shí)，圖像地面分辨率可達(dá)20m。 AVIRISaviris data/html/aviris.freedata.html.34近年來(lái)，有代表性的新產(chǎn)品近年來(lái)，有代表性的新產(chǎn)品.35熱紅外成像光譜儀熱紅外成像光譜儀.36幾種常見(jiàn)的航空高光譜成像儀幾種常見(jiàn)的航空高光譜成像儀.37.38.392）航天成像

11、光譜儀）航天成像光譜儀在經(jīng)過(guò)航空試驗(yàn)和成功運(yùn)行應(yīng)用之后，90年代末期終于迎來(lái)了高光譜遙感的航天發(fā)展。1999年美國(guó)地球觀測(cè)計(jì)劃（EOS）的Terra綜合平臺(tái)上的中分辨率成像光譜儀（MODIS），歐洲環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT）上的MERIS，以及歐洲的CHRIS衛(wèi)星相繼升空，宣告了航天高光譜時(shí)代的來(lái)臨。.40美國(guó)對(duì)航天成像光譜技術(shù)的研究一直遙遙領(lǐng)先，但是發(fā)展之路也并非一帆風(fēng)順，全球第一個(gè)星載高光譜成像器于1997年在NASA隨著Lewis衛(wèi)星發(fā)射升空，它包含了384個(gè)波段涵蓋了400-2500nm波段，不幸的是這顆衛(wèi)星控制出現(xiàn)問(wèn)題，失去了動(dòng)力，升空一個(gè)月后就偏離了軌道。2001年的Orbview

12、-4衛(wèi)星發(fā)射失敗，但是經(jīng)過(guò)多年的努力，如今也有一些比較有代表性的高光譜衛(wèi)星。下面主要介紹美國(guó)及其他發(fā)達(dá)國(guó)家在高光譜遙感衛(wèi)星的情況：.41l中等分辨率成像光譜儀MODIS（moderate resolution Imaging Spectro-radiometer）是美國(guó)宇航局發(fā)射的EOS-TERRA和EOS- AQUA衛(wèi)星上最重要的星載儀器。lMODIS從可見(jiàn)光到熱紅外有36個(gè)波段，波長(zhǎng)覆蓋范圍從0.4m到14.4m。lMODIS的兩個(gè)通道空間分辨率可達(dá)250 m，5個(gè)通道為500 m，29個(gè)通道為1000 m，可同時(shí)獲取地球大氣、海洋、陸地、冰川雪蓋等多種環(huán)境信息，有助于建立有關(guān)大氣、海洋和

13、陸地的動(dòng)態(tài)模型，以及建立預(yù)測(cè)全球變化的模型。1. MODIS/Terra.42MODIS技術(shù)指標(biāo)表： .43MODIS波段分布和主要應(yīng)用： .44.45lTerra衛(wèi)星上的另外一個(gè)傳感器是熱輻射及反射探測(cè)器（ASTER），獲取的數(shù)據(jù)廣泛地應(yīng)用與反演陸面溫度、比輻射率、反射率以及高程信息等。 .462、Hyperion/EO-1l地球觀測(cè)1號(hào)（Earth Observing-1）衛(wèi)星系統(tǒng)在2000年發(fā)射。l地球觀測(cè)1號(hào)衛(wèi)星將與LandSat-7覆蓋相同的地面軌道，兩顆衛(wèi)星對(duì)同一地物目標(biāo)以幾乎相同的時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，從而可以對(duì)LandSat-7中的ETM及EO-1中的三臺(tái)主載荷獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 .

14、47lEO-1中的三臺(tái)主載荷分別為先進(jìn)陸地成像儀（Advanced Land Imager，ALI），高光譜成像儀（Hyperion）以及高光譜大氣校正儀（Linear etalon imaging spectrometer array Atmospheric Corrector，LAC）。l其中Hyperion用于地物波譜測(cè)量和成像、海洋水色要素測(cè)量以及大氣水汽/氣溶膠/云參數(shù)測(cè)量等，其性能比EOS Terra衛(wèi)星上的MODIS要好的多。 .48.49.503.CHRIS3.CHRIS衛(wèi)星衛(wèi)星/Proba/Proba.51.524、MERIS衛(wèi)星衛(wèi)星/Envisat.53.54MERIS的1

15、5個(gè)波段的技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用目的 Band centre (NM) Bandwidth (NM) Potential Applications 1 412.5 10 Yellow substance and detrital pigments 2 442.5 10 Chlorophyll absorption maximum 3 490 10 Chlorophyll and other pigments 4 510 10 Suspended sediment, red tides 5 560 10 Chlorophyll absorption minimum 6 620 10 Suspended

16、sediment 7 665 10 Chlorophyll absorption and fluorescence 8 681.25 7.5 Chlorophyll fluorescence peak 9 708.75 10 Fluo. Reference, atmospheric corrections 10 753.75 7.5 Vegetation, cloud 11 760.625 3.75 Oxygen absorption R-branch 12 778.75 15 Atmosphere corrections 13 865 20 Vegetation, water vapour

17、reference 14 885 10 Atmosphere corrections 15 900 10 Water vapour, land .555.5.澳大利亞澳大利亞ARIESARIES衛(wèi)星衛(wèi)星.566.6.日本日本ADEOSADEOS衛(wèi)星衛(wèi)星.57其他大氣環(huán)境探測(cè)專用航天成像光譜儀其他大氣環(huán)境探測(cè)專用航天成像光譜儀.58六、我國(guó)成像光譜儀的發(fā)展1）航空成像光譜儀）航空成像光譜儀l80年代，研制和發(fā)展了新型模塊化航空成像光譜儀（MAIS）。這一成像光譜系統(tǒng)在可見(jiàn)近紅外短波紅外熱紅外多光譜掃描儀集成使用，從而使其總波段達(dá)到7072個(gè)。l高光譜儀器的研制成功，為中國(guó)遙感科學(xué)家提供了新的技術(shù)

18、手段。通過(guò)在我國(guó)西部干旱環(huán)境下的地質(zhì)找礦試驗(yàn)，證明這一技術(shù)對(duì)各種礦物的識(shí)別以及礦化蝕變帶的制圖十分有利，成為地質(zhì)研究和填圖的有效工具。l此后，中國(guó)又自行研制了更為先進(jìn)的推帚式成像光譜儀（PHI）和實(shí)用型模塊化成像光譜儀（OMIS）等。l新的成像光譜系統(tǒng)不僅繼續(xù)在地質(zhì)和固體地球領(lǐng)域研究中發(fā)揮作用，而且在生物地球化學(xué)效應(yīng)研究、農(nóng)作物和植被的精細(xì)分類、城市地物甚至建筑材料的分類和識(shí)別方面都有很好的結(jié)果。.59l實(shí)用型模塊化成像光譜儀OMIS。是由中科院上海技術(shù)物理研究所航空遙感研究室研制的，具有當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平的新型航空遙感儀器。它在可見(jiàn)/近紅外/短波紅外/熱紅，0.46mm至12.5mm 的所有大氣窗口上設(shè)置了128個(gè)光譜波段，是一套先進(jìn)