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的發(fā)展，成像光譜儀的特點，高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)表達，光譜成像方式以及常見的高光譜儀。.2一一.遙感傳感器成像技術的發(fā)展遙感傳感器成像技術的發(fā)展.3l成像光譜技術則把遙感波段從幾個、幾十個推向數(shù)百個、上千個。高光譜遙感數(shù)據(jù)每個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節(jié)成為可能。l如一個TM波段內(nèi)只記錄一個數(shù)據(jù)點，而航空可見光/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個以上數(shù)據(jù)點。.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

2、，成像就成為研究地球的有利工具。l在傳統(tǒng)的成像技術中，黑白圖像的灰度級別代表了光學特性的差異因而可用于辨別不同的材料。l對地球成像時，選擇一些顏色的濾波片成像對于提高對特殊農(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（Hyperspectral Imaging）誕生了，它最早是機載的成像光譜儀（Airborne Imaging Spectrometer），如今已拓展到先進的可見和紅外成像光譜儀（AVIRIS），這兩種最早都誕生在NASA的JPL中心（NASA：美國國家航天航空管理局）。歷史

3、發(fā)展歷史發(fā)展.5.6與地面光譜輻射計相比，成像光譜儀不是在“點”上的光譜測量，而是在連續(xù)空間上進行的光譜測量，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)科學領域“成像無光譜”和“光譜不成像”的歷史問題。二二.成像光譜儀的特點成像光譜儀的特點.7l光譜分辨率：光譜分辨率：遙感器能分辨的最小波長間隔，是遙感器的性能指標。比如圖中縱坐標（y軸）表示探測器的光譜響應，橫坐標（x軸）代表波長，那么光譜分辨率被定義為儀器達到光譜響應最大值的50%的波長寬度。特點特點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：成像光譜儀的一個瞬間視場，即在一瞬間遙感系統(tǒng)探測單元所對應的瞬間視場（IFOV）。IFOV以毫弧度（mrad）計量，其對應的地面大小被稱為地面分辨率單元（Ground Resolution Cell，GR）它們的關系為： lGR = 2*tan(IFOV/2)*H .9l時間分辨率：時間分辨率：對同一地點進行遙感采樣的時間間隔，即采樣時間的頻率。l信噪比信噪比（SNR）：）：signal to noise ratio,遙感器采集的信號和噪聲之比。信噪比的高低直接影響了圖像分類和圖像識別等處理效果。l在實際應用中，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降低信噪比，那么必須綜合考慮這三個方面的指標，進行取舍。.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特點特點2 2：圖譜合一：圖譜合一.14特點特點3 3：波段多，在某一個波段范圍連續(xù)成像：波段多，在某一個波段范圍連續(xù)成像.15三三.高光譜遙感圖象數(shù)據(jù)表達高光譜遙感圖象數(shù)據(jù)表達l成像光譜圖象相對于其他一般遙感圖象的主要優(yōu)勢在于：除了擁有二維的平面圖之外，更包含了光譜維，從而蘊涵了豐富的圖象及光譜信息。l為了給用戶一個直觀和形象的認識，通常我們在二維圖象信息的基礎上，添加光譜維，形成一個三維的坐標空間

6、。.16lOXY平面：與傳統(tǒng)的圖象平面相同，表示黑白單波段圖象，反應一個波段的信息。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里面的實踐環(huán)節(jié)里面的實踐環(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集探測技術，精密光學機械，微弱信號探測，計算機技術及信息處理技術等為一體的綜合性技術。其中硬件技術的成熟會不斷推動成像光譜技術的提高，因此有必要對于成像光譜的硬件技術進行了解。l高光譜遙感的成像包括空間維成像和光譜維成像。時間時間探測器探測器場景場景通道1通道2通道K+噪聲噪聲輸出圖像輸出圖像.21了解兩個概

7、念：了解兩個概念：l視場角：儀器在空中所掃描的角度，它決定了地面的掃描幅寬。l凝視時間：儀器視場角掃過地面單元所持續(xù)的時間。凝視的時間越長，進入探測器的能量越多。光譜響應和圖像的信噪比越高。.22空間維成像空間維成像l通過飛行平臺的平動和飛行平臺上成像光譜儀的工作模式來決定，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左右擺掃和飛行平臺向前運動完成二維空間成像，其中線列探測器完成每個瞬時視場像元的光譜維獲取。成像光譜儀由探測器360度搖擺，飛機向前運動，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

8、垂直于運動方向的面陣探測器，在飛行平臺向前運動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運動的方向如：PHI，CASI等.26.27光譜維成像光譜維成像l主要是由棱鏡，光柵進行色散型成像，探測器將反射光收集到物鏡后，再進行分光，所有光譜分布同時進行輸出。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80年代興起的新型

9、對地觀測技術高光譜遙感技術，始于成像光譜儀(Imaging Spectrometer)的研究計劃。該計劃最早由美國加州理工學院噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Lab，JPL）的一些學者提出。l1983年，世界第一臺成像光譜儀AIS1在美國研制成功，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：機載航空成像光譜儀（AIS）系列；航空可見光/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、可見光/紅外成像光譜儀AVIRIS。80年代后期，美國噴氣推進研究室（JPL）制成機載可見紅外成像光譜儀（AVIRIS）的完整樣機。該成像光譜儀可在0.4m2.45m的波長范圍獲取224個連續(xù)的光譜波段圖像。波段寬度10nm。當飛機在20km高空飛行 時，圖像地面分辨率可達20m。 AVIRISaviris data/html/aviris.freedata.html.34近年來，有代表性的新產(chǎn)品近年來，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幾種常見的航空高光譜成像儀幾種常見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)過航空試驗和成功運行應用之后，90年代末期終于迎來了高光譜遙感的航天發(fā)展。1999年美國地球觀測計劃（EOS）的Terra綜合平臺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代的來臨。.40美國對航天成像光譜技術的研究一直遙遙領先，但是發(fā)展之路也并非一帆風順，全球第一個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個波段涵蓋了400-2500nm波段，不幸的是這顆衛(wèi)星控制出現(xiàn)問題，失去了動力，升空一個月后就偏離了軌道。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。下面主要介紹美國及其他發(fā)達國家在高光譜遙感衛(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從可見光到熱紅外有36個波段，波長覆蓋范圍從0.4m到14.4m。lMODIS的兩個通道空間分辨率可達250 m，5個通道為500 m，29個通道為1000 m，可同時獲取地球大氣、海洋、陸地、冰川雪蓋等多種環(huán)境信息，有助于建立有關大氣、海洋和

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

14、47lEO-1中的三臺主載荷分別為先進陸地成像儀（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用于地物波譜測量和成像、海洋水色要素測量以及大氣水汽/氣溶膠/云參數(shù)測量等，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個波段的技術指標與應用目的 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)境探測專用航天成像光譜儀其他大氣環(huán)境探測專用航天成像光譜儀.58六、我國成像光譜儀的發(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，從而使其總波段達到7072個。l高光譜儀器的研制成功，為中國遙感科學家提供了新的技術

18、手段。通過在我國西部干旱環(huán)境下的地質(zhì)找礦試驗，證明這一技術對各種礦物的識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，中國又自行研制了更為先進的推帚式成像光譜儀（PHI）和實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)和固體地球領域研究中發(fā)揮作用，而且在生物地球化學效應研究、農(nóng)作物和植被的精細分類、城市地物甚至建筑材料的分類和識別方面都有很好的結(jié)果。.59l實用型模塊化成像光譜儀OMIS。是由中科院上海技術物理研究所航空遙感研究室研制的，具有當前國際先進水平的新型航空遙感儀器。它在可見/近紅外/短波紅外/熱紅，0.46mm至12.5mm 的所有大氣窗口上設置了128個光譜波段，是一套先進