現(xiàn)代光學(xué)導(dǎo)論第八次

1、內(nèi)容回顧-高光譜的原理 物理機理基爾霍夫定律普朗克輻射定律斯特藩-玻爾茲曼定律維恩定律基本原理太陽輻射與大氣和地表物質(zhì)相互作用1太陽輻射與大氣和地表物質(zhì)作用太陽輻射穿過大氣時，會受到大氣對其產(chǎn)生的散射、折射、吸收。散射：對遙感來說為雜散光，應(yīng)濾除。吸收：產(chǎn)生大氣窗口。電磁輻射到達(dá)地表時，會發(fā)生反射、透射和吸收三種基本作用。反射：得到光譜反射率曲線。吸收：改變地表溫度，進(jìn)而形成地表自身的熱輻射（地球輻射的長波部分）探測地物的紅外及微波輻射，并與相同溫度條件下的輻射率曲線比較是遙感識別地物的重要方法。最終接收=地表反射+大氣散射+地表發(fā)射2內(nèi)容回顧成像光譜儀3成像光譜儀參數(shù)光譜分辨率，是指探測器在

2、波長方向上的記錄寬度，被定義為儀器在達(dá)到50%光譜響應(yīng)時的波長寬度?？臻g分辨率，由儀器的角分辨力，即儀器的瞬時視場角決定。遙感器的瞬時視場角是指遙感系統(tǒng)在某一瞬間，探測單元對應(yīng)的瞬時視場。決定了地面像元大小。儀器的視場角，與系統(tǒng)平臺高度決定了地面掃描幅寬。調(diào)制傳遞函數(shù)，決定清晰度。信噪比，信號與噪聲的比。探測器的凝視時間，探測器的瞬時視場角掃過地面分辨單元的時間稱為凝視時間，其大小為行掃描時間與每行像元數(shù)的比值，凝視時間越長，進(jìn)入探測器的能量越多。4空間分辨率5光譜分辨率6一、遙感的技術(shù)系統(tǒng)1、遙感平臺2、傳感器3、遙感數(shù)據(jù)接收、記錄與處理系統(tǒng)781.地面平臺（050m） 概念：放在地面或水上

3、裝載傳感器的固定或可移動的裝置。 舉例：汽車、輪船、高塔等。 裝載的傳感器：地物波譜測量儀器、攝影機、雷達(dá)等。 功能和特點：地面遙感，為航空和航天遙感作校準(zhǔn)和輔助工作。2.航空平臺： （100m至十余公里） 概念：懸浮在海拔80km以下的大氣層（對流層、平流層）中的遙感平臺。 功能和特點：飛行高度低，地面分辨力較好，機動靈活，不受地面條件限 制，周期短，資料回收方便。 舉例： 飛機：專門設(shè)計或普通飛機改裝。 低空飛機：高度在地面上空2km以下，直升飛機最低可在10m左右。 中空飛機：高度在2km6km。 高空飛機：高度在12km30km 氣球：低空氣球（對流層）、高空氣球（平流層，12km40

4、km） 裝載的傳感器：攝影機、攝象機等多種傳感器。 裝載傳感器進(jìn)行遙感的裝置93.航天平臺： （150km以上） 如靜止衛(wèi)星（位于赤道上空36000km）、地球觀測衛(wèi)星（約700900km）、航天飛機（高300km左右）；4.宇航平臺：主要是利用星際飛船，對地月之外的目標(biāo)進(jìn)行探測. 10*在遙感平臺中，航天遙感平臺目前發(fā)展最快，應(yīng)用最廣。 根據(jù)航天遙感平臺的服務(wù)內(nèi)容，可以將其分為：氣象衛(wèi)星系列陸地衛(wèi)星系列海洋衛(wèi)星系列航天平臺11 氣象衛(wèi)星主要用于天氣分析、氣象預(yù)報、氣候研究、氣候變遷以及其他資源環(huán)境研究。 氣象衛(wèi)星分極地太陽同步軌道和地球同步軌道兩種。前者每天由南向北繞地球運轉(zhuǎn)，對整個地球進(jìn)行

5、觀測；后者則對某一固定地區(qū)觀測。 氣象衛(wèi)星具有短周期重復(fù)觀測、成像面積大、連續(xù)、實時性強和成本低等特點。 全球氣象衛(wèi)星主要有： 靜止衛(wèi)星：日本（GMS）、美國（SMS/GOES）、歐洲空間局（Meteosat）、俄羅斯（COMS）、中國（風(fēng)云1號，1988、1990年） 極地衛(wèi)星：美國（NOAA系列）、俄羅斯（Meteop系列）、中國（風(fēng)云2號，1997年）航天平臺12FY-1D 圖像13FY-1D 圖像14FY-1D 圖像15FY-1D 圖像16 航天遙感中應(yīng)用最廣、最深入的就是陸地衛(wèi)星，其應(yīng)用幾乎涉及地學(xué)和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。 主要的陸地衛(wèi)星包括： 美國的陸地衛(wèi)星系列（Landsat） 法

6、國的SPOT衛(wèi)星 中國的資源一號衛(wèi)星 其他陸地衛(wèi)星航天平臺17 1972年7月23日美國發(fā)射第一顆地球資源衛(wèi)星ERTS-1； 1975年發(fā)射ERTS-2，改名Landsat-2； 1978年發(fā)射Landsat-3； 1982年在Landsat1-3的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計并發(fā)射Landsat-4； 1984年發(fā)射Landsat-5； 1993年發(fā)射Landsat-6衛(wèi)星，上天后由于故障隕落； 1999年發(fā)射Landsat-7。 Landsat系列衛(wèi)星的運行特點是近圓形、近極地、與太陽同步、可重復(fù)軌道等。目前，只有Landsat-5和Landsat-7仍在運轉(zhuǎn)工作。Landsat系列衛(wèi)星18Landsa

7、t衛(wèi)星外觀19由瑞典、比利時等國參加，由法國國家空間研究中心設(shè)計制造。1986年發(fā)射第一顆SPOT-1；1989年發(fā)射SPOT-2；1993年發(fā)射SPOT-3；1996年發(fā)射SPOT-4； SPOT系列衛(wèi)星的軌道是太陽同步圓形近極地軌道，軌道高度832km、運行周期101.4min、軌道傾角98.7、重復(fù)周期26天(369圈)。SPOT系列衛(wèi)星20SPOT衛(wèi)星外觀21 主要用于觀察海況，研究海面形態(tài)、海面溫度、風(fēng)場、海冰、大氣含水量等。1978年6月26日美國發(fā)射了世界上第一顆海洋衛(wèi)星Seasat 1。雖然這顆衛(wèi)星因為電源故障只工作了105天，但卻開創(chuàng)了海洋遙感和微波遙感的新階段。 由于海洋具

8、有面積大、反射強、海水透明差異明顯、海面特殊等特點，使得海洋遙感需要高空和空間平臺、以微波為主，同時結(jié)合激光、聲波等。主要的海洋衛(wèi)星包括： 美國的Seasat 1、 “雨云”7號（Nimbus-7） 日本的海洋觀測衛(wèi)星MOS1 歐洲空間局的ERS系列 加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星RADARSAT海洋衛(wèi)星22傳感器 收集系統(tǒng)：收集來自目標(biāo)的輻射，送往檢測系統(tǒng)。在紫外線、可見光、 紅外波段中，收集系統(tǒng)的主要元件是透鏡或反射鏡，在微波 中是微波天線。 檢測系統(tǒng)（探測系統(tǒng)）：將波譜轉(zhuǎn)化為其它形成的能電流、電壓、化 學(xué)能等。其核心是感光膠片或光電敏感元件、固體敏感元件、 微波檢波器等。 感光膠片：電磁輻射化學(xué)能 其

9、 它：電磁輻射電流、電壓等 信號轉(zhuǎn)化系統(tǒng)：將電流、電壓信號放大，再轉(zhuǎn)化為： 可見光，信號顯示在屏幕上，即電光轉(zhuǎn)化； 磁信號，信號記錄在磁帶上，即電磁轉(zhuǎn)化。 記錄系統(tǒng)：記錄前級送來的信號。 直接記錄：將前一級的輸出信號直接記錄在膠片或熒光屏上。 間接記錄：將信號記錄在磁帶上，以后用時將磁帶回放，產(chǎn)生電信號， 再通過電光轉(zhuǎn)化，顯示圖象。23傳感器分類 攝影成像：得到的象片信息量大，分辨率高；但由于受感光乳劑的限制， 工作波段為0.29m1.40m，即近紫外、可見光、近紅外短波段，而且只 能在晴朗的白天工作。 分幅式攝影機：一次曝光得到目標(biāo)物一幅象片； 航空攝影焦距一般在150mm左右，航天攝影機一

10、般大于300mm。 全景攝影機（掃描攝影機）：依結(jié)構(gòu)和工作方式分為： 縫隙式攝影機（航帶攝影機）：通過焦平面前方設(shè)置的與飛行方向垂直 的狹縫快門獲取橫向的狹帶影像； 鏡頭轉(zhuǎn)動式：鏡頭的物鏡轉(zhuǎn)動，或棱鏡鏡頭轉(zhuǎn)動。 全景攝影機焦距可超過600mm，主要用于軍事偵察。 多光譜攝影：同時獲得可見光和近紅外范圍內(nèi)多個波段的影像。分為： 多相機組合型：每架相機配置不同的膠片和濾光片； 多鏡頭組合型：同一架相機上配置多個鏡頭，配以不同波長的濾光片； 光束分離型：用一個鏡頭，通過二向反射鏡或光柵分光，將不同波段在 各焦平面上記錄影像； 數(shù)碼攝影機：記錄介質(zhì)是光敏電子器件，如CCD（charge coupled

11、 device）24 單鏡頭分幅式攝影機構(gòu)造示意圖分幅式攝影成像示意圖25縫隙式攝影機構(gòu)造示意圖 鏡頭轉(zhuǎn)動式攝影機示意圖26多光譜攝影成像示意圖27成像方式 對目標(biāo)面掃描： 收集系統(tǒng)直接對目標(biāo)面掃描，如光學(xué)/機械掃描成像、成像雷達(dá)等。 光學(xué)/機械掃描成像：在掃描儀的前方安裝光學(xué)鏡頭，依靠機械傳動裝置使 鏡頭擺動，形成對目標(biāo)物的逐點逐行掃描。分為單波段和多波段兩種。 基本原理：反射鏡在機械驅(qū)動下，隨平臺的前進(jìn)運動（航向掃描）而擺動 或旋轉(zhuǎn)（舷向掃描），依次對地面進(jìn)行掃描，地面物體的輻射 波束經(jīng)反射鏡反射，并經(jīng)透鏡聚焦和分光分別將不同波長的電 磁波分開，再聚焦到感受不同波長的探測元件上。 對影像面

12、掃描： 收集系統(tǒng)不直接對地面掃描，而是先用光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)的輻射信息聚 集在機內(nèi)檢測系統(tǒng)的一個靶面或光敏面上，形成一幅影像，然后利用攝像 管中的電子束對靶面掃描來收集其信息，或依靠CCD組成的陣列進(jìn)行電子自 掃描來獲取信息。如：固體掃描儀。 28 多光譜掃描儀掃描圖解示意圖2930傳感器性能地面分辨率：是用來表征傳感器獲得的影像反映地表景物細(xì)節(jié)能力的指標(biāo)，也稱空間分辨率，定義為影像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元所代表的地面距離的大小?；叶确直媛剩菏潜碚鱾鞲衅魉芴綔y到的最小輻射功率的指標(biāo)，指影像記錄的灰度值得最小差值。在不同波段，用不同傳感器獲得的影像灰度分辨率很不相同；攝影膠片的靈敏度很高，原則上認(rèn)

13、為攝影成像的灰度是連續(xù)的。波譜分辨率：指傳感器所用波段數(shù)、波長及波段寬度，也就是選擇的通道數(shù)、每個通道的波長和帶寬。波段越多，瀕帶寬度越窄，所包含的信息量越大，針對性越強。目前傳感器少則3個，多的上百個通道；傳感器種類很多，但最基本的有三種典型類型：可見光遙感的攝影機、熱紅外遙感的掃描器、微波遙感的合成孔徑雷達(dá)。31高光譜技術(shù)所獲取的圖像包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息，因而在地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、植被、環(huán)境、城市、軍事、水文、大氣等方面都有巨大的應(yīng)用前景。我國在中科院遙感所和上海技物所等單位的協(xié)作下，發(fā)展的OMIS，MAIS，PHI等航空高光譜成像儀也達(dá)到了很高的水平航空高光譜儀PHI高光譜傳感器

14、32OMIS系統(tǒng)模型OMIS系統(tǒng)實物高光譜傳感器33 地面技術(shù)系統(tǒng)嚴(yán)格地講，地面系統(tǒng)有兩大任務(wù)： 衛(wèi)星在軌運行任務(wù)管理（也通俗地稱為“測控”）； 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與處理兩類不同的地面系統(tǒng)以前通常是在物理上分開的，但現(xiàn)在有合并的趨勢（如商業(yè)化衛(wèi)星的運行管理）大多數(shù)國際上的地面站，都只承擔(dān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與處理任務(wù)，具體分為：數(shù)據(jù)接收：衛(wèi)星實時下行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理：輻射和幾何標(biāo)定數(shù)據(jù)存檔：存檔管理與檢索數(shù)據(jù)分發(fā)：用戶應(yīng)用地面技術(shù)系統(tǒng)是連接衛(wèi)星、傳感器技術(shù)與地面應(yīng)用的技術(shù)切換環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)接口（衛(wèi)星數(shù)據(jù)的“用戶”，應(yīng)用用戶的“數(shù)據(jù)源”）是保證對地觀測技術(shù)體系有效運行不可或缺的一部分?jǐn)?shù)據(jù)的接收記錄與處理系統(tǒng)34 直接回

15、收：傳感器將地物的反射或發(fā)射電磁波信號記錄在膠卷或磁帶上，待運載工具返回地面時回收。非實時，航空常用。 優(yōu)點：回收方便，不經(jīng)過轉(zhuǎn)換，信號損失少，保密性較強。 缺點：非實時，數(shù)據(jù)容量小，成本高。 視頻傳輸（無線電傳輸）：傳感器將接收到的地物反射或發(fā)射的電磁波信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，通過無線電將數(shù)據(jù)傳送到地面接收站，包括實時和非實時傳輸。 優(yōu)點：可以實時回收。 缺點：保密性差，有信息損失。 視頻傳輸是衛(wèi)星遙感常用的信號傳輸方式。遙感信號的傳輸方式35接收范圍： 目前接收范圍可覆蓋國土面積80%至95%； 南沙群島接收不到； 通常衛(wèi)星覆蓋范圍 80%，RADARSAT和SPOT可達(dá)95%。36二、高光譜

16、遙感分類 按成像原理：棱鏡/光柵色散型、干涉型、濾光片型、計算機層析、二元光學(xué)元件、三維成像按成像手段：線列探測器加光機掃描型、面陣探測器加空間掃描型、光譜掃描型、光譜與空間交叉掃描型 按空間成像方式 ：揮掃型 、推掃型 按工作平臺：航空、航天37（1）按分辨率分類A、多光譜（Multispectral ）：覆蓋光譜范圍較寬，譜段選擇在最能夠反映目標(biāo)輻射特性處，通常光譜分辨率為1020譜段，可用于地帶分類和土地使用評估。 B、高光譜（Hyperspectral）：光譜范圍較窄，光譜分辨率適中，一般在幾百譜段數(shù)（目前在100400范圍），主要用于環(huán)境、農(nóng)業(yè)、森林、礦產(chǎn)、土地等領(lǐng)域。 C、超光譜（

17、Ultraspectral）：光譜范圍最窄，但光譜分辨率極高，一般在幾千譜段數(shù)，主要用于研究氣體等化學(xué)物質(zhì)成份。 38（2）按分光類型分類A、棱鏡色散型（Prism）：依靠不同波長的光線在棱鏡中有不同的折射率進(jìn)行分光。B、光柵衍射型（Grating）：依靠不同波長的光線在光柵上有不同的衍射角進(jìn)行分光。C、濾光片型（Filter）：在面陣探測器的不同行上，覆蓋或耦合不同波長的帶通濾光片，然后沿探測器列方向推掃。D、干涉型（Interferometer）：不同波長的單色光經(jīng)過干涉儀后形成不同頻率的余弦干涉圖，二者互為傅里葉變換。復(fù)色光的干涉圖是所有單色光成分對應(yīng)的余弦干涉圖的線性疊加，經(jīng)過傅里葉變

18、換可復(fù)原光譜。39（3）按掃描方式分類A、揮掃方式（Whiskbroom）：采用單元或線陣探測器作為敏感元件，在飛行器運動的同時，一個掃描鏡快速在垂直于飛行方向掃描，兩種運動共同掃出一條帶狀軌跡。B、推掃方式（Pushbroom）：采用線陣或面陣探測器作為敏感元件，線列探測器在光學(xué)焦面上垂直于飛行方向作橫向排列，當(dāng)飛行器運動時，橫排的探測器好像刷子掃地一樣掃出一條帶狀軌跡。4041 線性掃描方式： 使用單個探測元件掃描得到整景影象。 撣掃式掃描（線性探測器+光機掃描型）： 使用幾個沿航向排列的探測元件獲取平行掃描線組，目前波段全，使用性強儀器多屬此類，如AVIRIS、Deadalus系列，MA

19、IS、OMIS以及 MSS、TM、AVHRR、 “風(fēng)云”氣象衛(wèi)星等。優(yōu)點：空間掃描通過掃描鏡擺動在物方面完成，總視場角大(可高達(dá)90度)，像元配準(zhǔn)好，不同波段在任何時候都凝視同一像元，光譜覆蓋范圍寬(從可見光一直到熱紅外波段)，在10-20nm光譜分辨率的情況下，其輻射分辨率基本能夠滿足。 缺點：由于光機掃描，每個像元凝視時間短，進(jìn)一步提高光譜分辨率和輻射靈敏度比較困難。42推掃式掃描（面陣探測器+空間掃描型）：二維面陣列探測器，一維可用作光譜儀，另一維則為一線性陣列，以推掃的形式，圖象一次建立一行而不需要移動元件。目前可見光、近紅外波段此類儀器較多。如：AIS-1，AIS-2，CASI，HY

20、DICE （210個波段）、PHI以及SPOT/HRV。優(yōu)點：空間掃描由器件的自掃描完成，像元凝視時間長，可提高系統(tǒng)的靈敏度或者空間分辨率，可見光波段器件成熟，光譜分辨率可達(dá)到1-2nm；由于記錄每行數(shù)據(jù)的探測元件間有固定關(guān)系，且它消除了因掃描過程中掃描鏡速度變化所引起的幾何誤差；由于CCD是固態(tài)微電子裝置，體積小、重量輕、能耗低。由于沒有光機掃描儀的機械運動部件，線性系統(tǒng)穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)的可靠性高，使用壽命長。 缺點：大量探測器之間靈敏度的差異，會產(chǎn)生帶狀噪聲；CCD短波紅外靈敏度低，熱紅外暫時不可能感應(yīng)；總視場一般不如光機掃描儀；由于光學(xué)設(shè)計上的困難，總視場只能達(dá)到30度左右。43（3）按分

21、光類型分類A、棱鏡色散型（Prism）：依靠不同波長的光線在棱鏡中有不同的折射率進(jìn)行分光。B、光柵衍射型（Grating）：依靠不同波長的光線在光柵上有不同的衍射角進(jìn)行分光。C、濾光片型（Filter）：在面陣探測器的不同行上，覆蓋或耦合不同波長的帶通濾光片，然后沿探測器列方向推掃。D、干涉型（Interferometer）：不同波長的單色光經(jīng)過干涉儀后形成不同頻率的余弦干涉圖，二者互為傅里葉變換。復(fù)色光的干涉圖是所有單色光成分對應(yīng)的余弦干涉圖的線性疊加，經(jīng)過傅里葉變換可復(fù)原光譜。44（4）按重構(gòu)方式分類A、直接型：色散型、衍射型或濾光片分光的光譜圖像，可以通過加減法獲得。B、傅里葉變換型（F

22、ourier Transform）：干涉型分光獲得的是干涉圖，需要經(jīng)過傅里葉變換才能間接得到光譜圖像。C、計算層析型（Holography）：將三維圖像投影到兩維探測器上，通過拉頓變換重構(gòu)三維圖像。在光譜成像儀中，三維圖像就是數(shù)據(jù)立方體，通過分光元件將光譜維投影到探測器上，然后重構(gòu)。45中國科學(xué)院遙感飛機一Cessna Citation S/II遙感平臺46 航空平臺 1: 運5，常州2: GYRO 穩(wěn)定平臺3: 空中國王，日本名古屋遙感平臺47 航天平臺 (The EO-1 orbit is slightly to the east of Landsat-7, with an equator

23、ial crossing time one minute later than that of Landsat-7. This results in EO-1 passing over the same ground-track as Landsat-7, one minute later. )遙感平臺EO-1 launched on November 21, 200048三、高光譜遙感器的發(fā)展70年代末，美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實驗室（JPL） 學(xué)者提出（Goetz）。1983年，世界上第一臺成像光譜儀問世，AIS-1（Airborne Imaging Spectrometer）問世，64波

24、段。 1987年，航空可見光/紅外成像光譜儀AVIRIS，224波段1999,12,8，第一臺星載中分辨率成像光譜儀MODIS升空；2000年第一臺星載高分辨率成像光譜儀 HYPERION升空。1991年，中國第一臺航空成像光譜儀（MAIS）運行; 2002年3月中國星載中分辨率成像光譜儀CMODIS升空； 49第一代成像光譜儀稱航空成像光譜儀AIS(Airborne Imaging Spectrometer)，64個通道，光譜覆蓋范圍從990-2400nm,光譜分辨率9.3nm。 第二代成像光譜儀稱航空可見光、近紅外成像光譜儀 AVIRIS(Airborne Visible/Infrared

25、 Imaging Spectrometer)，224個通道，光譜范圍410nm-2450nm，光譜分辨率10nm。 220波段的星載HYPERION（2000年E0-1衛(wèi)星攜帶升空） 第三代成像光譜儀為傅立葉變換高光譜成像儀（美國2000年7月MiSat-II衛(wèi)星攜帶升空） FTHSI( Fourier Transform Hyperspectral Imager) ，256個波段，光譜范圍400nm-1050nm，光譜分辨率2-10nm。50美國：AIS，AVIRIS、 WIS（812波段）、PROBE、TEEMS、 MODIS 、 Hyperion、 FTHSI AHI（256個熱波段）、SEBASS（ 242個熱波段） 澳大利亞：Hymap、ARIES、TIPS（100個熱波段）加拿大： CASI 德國：ROSIS法國：IMS芬蘭：AISA歐空局：CHRIS （2000年10月22日PROBA小衛(wèi)星）日本：GLI中國：MAIS、PHI、OMIS-1（10個熱波段）、 CMODIS（神舟III號） 、HIS/HJ（環(huán)境減