高光譜遙感技術的介紹及應用

..10/10高光譜遙感技術的介紹與應用在20世紀,人類的一大進步是實現(xiàn)了太空對地觀測,即可以從空中和太空對人類賴以生存的地球通過非接觸傳感器的遙感進展觀測.最近幾十年,隨著空間技,遙感正在.本文簡要介紹了高光譜遙感技術的特點、進展狀況與其在一些領域的應用.高光譜遙感簡介高光譜遙感概念所謂高光譜遙感,即高光譜區(qū)分率遙感,指利用很多很窄的電磁波波段〔通常<10nm,通常>100nm,且波段并不連續(xù).,成像光譜儀為每個像元供給數十至數百個窄波段光譜信息,產生一條完整而連續(xù)的光譜曲線.它使原來在寬波段遙感中不行探測的物質,在高光譜中能被探測.,它是集探測合性技術.在成像過程中,,以幾十或幾,,實現(xiàn)了地物空間信息、輻射信息、光譜信息的同步獵取,因而在相關領域具有巨大的應用價值和寬闊的進展前景.高光譜遙感數據的特點同其他常用的遙感手段相比,成像光譜儀獲得的數據具有以下特點:1.波段寬度<10nm,波段數較多光譜遙感<由幾個離散的波段組成>大大增多,在可見光和近紅外波段可達幾十到幾百個.如AVIRIS在0.4～214波段X224個波段.爭論說明很多地物的吸取特征在吸取峰深度一半處的寬度為20～40nm.這是傳統(tǒng)的多光譜等遙感技術所不能區(qū)分的<多光譜遙感波段寬度在100～200nm之間>,而高光譜遙感甚至,這使得過去以定性、半定量的遙感向定量遙感進展的進程被大大加快.另外,在成像高光譜遙感中,以波長為橫軸,,可以使高光譜圖像中的每,即所謂的“譜像合一〞,它是高光譜成像技術的一大特點.,波段窄且連續(xù),相鄰波段具有很高的相關性,使得高光數據量巨大<GB級>,尤其在相鄰的通道間,具有很大的數據冗余,10nm左右.精細的光譜區(qū)分率反映了地物光譜的微小特征,使得在光譜域內進展遙感定量分析和爭論地物的化學分析成為可能.4.MSS<80m>、TM<30m>SPOT/HRV的多波段圖像<20m>,,加之其高光譜區(qū)分率的特性,使得該種類型的傳感器具有寬闊的應用前景.高光譜遙感的進展高光譜成像技術的進展與傳感器假設把多光譜掃描成像的MSS<multi2spectralscanner>和TM<thematicmapper>作為遙感技術進展的第一代和其次代的話那么高光譜成像<hyperspectralimagery>技術則是第三代的成像技術.80年月至今已經研制了三代高光譜成像光譜儀.AIS,是由美國國家航空和航天治理局<NASA>所屬的噴氣推動試驗室JPL設計,已于1984～1986年裝在NASA的,128個通道,X112～214μm,并在內華達Cuprite地區(qū)的應用中取得很好的效果.AVIRIS,有224個通道,X0141～2145μm.10nm,曾放在改裝后的高空U2飛機上使用,為目前最常用的航空光譜儀之一.基于NASA儀器的成功應用與采礦工業(yè)和石油工業(yè)的需求,AVIRIS之后,地球物理環(huán)境爭論公司GE又研制了1臺64通道的高光譜區(qū)分率掃描儀GERIS.,64通道是用來存儲航空陀螺信息.該儀器由個單獨的線性陣列探測器的光柵分光計組成.它與其他儀器的區(qū)分是在不同X圍區(qū)內,通道的光譜寬度是不同的.第三代高光譜成像光譜儀為克里斯特里爾傅立葉變換高光譜成像儀FTHSI,-輕型飛機上使用.35kg,256通道,X400～1050nm,有2～10nm的光譜區(qū)分率,150°.在國內,成像光譜儀的研制工作由于跟蹤國際前沿技術,成像光譜儀的研制已躋身于國際先進展列.先后研制成功了多光譜掃描儀、紅外細分光譜掃描儀AMSS、71波段多光、128OMIS系統(tǒng)、244PHI等.高光譜數據處理技術的進展不便.在國內外成像光譜儀的遙感應用爭論中,爭論人員為高效利用成像光譜儀法可歸納為兩大類.基于純像元的分析方法1>、基于成因分析的光譜分析方法基于成因分析的方法爭論地物的光譜特性,從地物光譜特征上覺察表征地物的特征光譜區(qū)間和參數最常用的是各種各樣的植被指數.這種方法普遍用于MSS和TM圖像的處理和分析應用中.成像光譜儀問世以后,很多爭論人員沿用了這種方法,利用成像光譜儀數據的高光譜區(qū)分率,選取影像的波段,進展了很多更為精細的植被指數.與此相對的方法,是地物光譜重建和重建的光譜與數據庫光譜的匹配識別.這一方法通過比照分析地面實測的地物光譜曲線和由成像光譜儀圖像得到的光譜曲線來區(qū)分地物.為了提高成像光譜儀數據分析處理的效率和速度,一般要對這些曲線進展編碼或者提取表征曲線的參數.“光譜匹配〞是利用成像X2基于統(tǒng)計分析的圖像分類和分析認為每一波段的圖像為隨機變量,基于概率統(tǒng)計理論進展多維隨機向量的分類.成像光譜儀圖像波段多,分類很大程度上受限于數據的維數,面對數百個波段的數據,假設全部用于分類爭論,在時間上往往是無法承受的.因此在圖像分類之前必需壓縮波段,同時又要盡可能地保存信息,即進展“降維〞的爭論.目前,壓縮波段有兩種途徑,一是從眾多的波段中選擇感分的數據地學特征,否則得到的結果有時是不明確的物理解釋.基于混合像元的分析方法由于傳感器空間區(qū)分率的限制以與地物的簡單多樣性,混合像元普遍存在于遙感圖像中,.,勢必會帶來分類誤差,導致精度下降,不能反映真實的地物掩蓋狀況.概括起來,混合模型主要有兩類,即線性光譜混合模型和非線性光譜混合模型.線性混合模型是迄今為止最受歡送且使用最多的一種模型,其突出優(yōu)點是簡潔.雖然它只能分別與波段數目一樣的類別,但對于有著數百個波段的高光譜數據,完全可以抑制這種限制.對于非線性混合模型可以利用某些方法來使之線性化,從而簡化為線性模型.混合像元的爭論中比較有代表性的當屬美國Maryland大學的ChangSureyBosdogianni等人所做的爭論.1994年OSP<OrthogonalSubspaceProjection>法之后,又相繼開發(fā)和介紹了一系列基于OSP的方法,并將Kalman.這種線性分別,而且能夠檢測對.Bosdogianni等人利用遙感技術對火災后的森林與生態(tài)環(huán)境進展長期監(jiān)測,建立了高階矩的混和模型,同時他們也提出了利用Houghes變換進展混合像元分類的方法.總之,與高光譜遙感的硬件進展相比,高光譜數據的處理技術顯得相對滯后.但由于高光譜數據的巨大優(yōu)勢,世界各國都將連續(xù)加強相,并對高光譜圖像所特有的一些難題,,進展重點攻關,并已爭論出智能化比較高的有用高光譜圖像處理系統(tǒng),如成像光譜集成軟件包ISIS、為衛(wèi)星和航空高光譜遙感數據處理分析而設計的ENVIERDAS影像處理系統(tǒng)等.在20世紀80年月中后期,我國開頭著手進展高光譜圖像處理系統(tǒng),并樂觀開展國際合作,,推動了高光譜遙感在國內的進展.但總體來看,,大局部集中于成像光譜儀的定標與一些輻射校正爭論,目前還沒有比較成形的高光譜圖像處理系統(tǒng).高光譜遙感技術的應用高光譜遙感的進展歷史雖然只有短短二十年的時間,但在很多國家、很多領域已得到了越來越廣泛的應用,尤其是在地質和植被方面,該技術成為對目標,特別是定量爭論、調查的一種重要手段.高光譜遙感在地質中的應用礦物成分識別信息提取等礦物微觀信息的探測.爭論礦物光譜的精細特征與礦物微觀信息之間的關系,不僅可以增加礦物識別的種類,還將直接反演地質成生環(huán)境.同時,通過高,更好地促進高光譜技術在根底地質、礦產資源評價與礦山污染監(jiān)測等領域的深入應用.基于高光譜的地質成因環(huán)境探測,能夠簡潔檢測礦物光譜隨某些特定元素〔比方AlCa等〕含量的增加而發(fā)生漂移的現(xiàn)象,并可能以此特征光譜作為變量來表征礦物中化合物的含量.在地質作用過程中,,如白云母類Al與<Fe、Mg>置換,AlAl白云母.AlFe3+置換、NaK置換、斜長石中CaNa置換等,造成礦物中某一組成元素失衡.這些表現(xiàn)在光譜特征的微小變化上,對這些微小特征的“捕獲〞可以進展相應的識別.蝕變礦物與礦化帶的探測高光譜遙感被廣泛應用于礦產資源的勘查中主要是通過蝕變帶和蝕變礦物的識別,并結合相的地質資料,找尋潛在的礦產.各類蝕變礦物往往很重要的地質指示作用,對它們的識別和探測有重大的地質意義.基于高光譜的成礦推測,能夠探討,直接推斷可能存在的礦化或礦床信息.這樣,在其他學問的關心下,可以實現(xiàn)對礦化與成礦遠景區(qū)以與靶區(qū)的圈定.基于礦物特征譜帶參量地質反演模型,通過對光譜最大吸取深度位置的探測來大致地識別巖性分布.巖性的識別與分類,利用高光譜數據可進展有關巖性的識別與分類.中國國土資源航空物探遙感中心和中科院遙感應用爭論所在分析了巖礦光譜特征在高光譜地質應用各個環(huán)節(jié)中的作用和影響之后,承受HyMap對##東天山.MNF變換增加不同巖類分布的信息,基于色調的影像光譜和標準庫光譜,區(qū)分出花崗巖、地層巖性單位.高光譜最大的優(yōu)勢在于利用有限細分的光譜波段再現(xiàn)像元對應地物目標的光譜曲線.在參考光譜與像元光譜組成的二維空間中,基于整個譜形特征的相像性概率的大小,能有效地避開巖石礦物光譜漂移或光譜變異造成的單個光譜特征的不匹配,并能綜合利用弱的光譜信息在對光譜數據庫中巖石礦物光譜特征分析總結的根底上,結合礦物端元選擇,利用光譜匹配等方法識別出綠泥石、綠簾石、云母類、白云母、高嶺石、鹽堿化、方解石等礦物.其中,綠泥石與綠簾石分布在爭論區(qū)的中部,與地層的分布趨勢相全都,可能為區(qū)域蝕變所致；云母類主要分布在地層與一些花崗巖體中；碳酸鹽巖呈條帶狀或線狀沿構造帶近東西向展布蒙脫石分布在一些白板地；鹽堿化分布在一些枯槁的小河溝中.在上述礦物識別中,無論是光譜角度制圖技術還是光譜匹配和混合光譜分解,都存在對非端元礦物信息的分割.因此閾值的選擇是面臨的一個重要問題,這不僅關系到所識別礦物的牢靠度,也關系到礦物分布X圍大小的界定.同時由于是分航,盡管最大程度地降低或減弱了圖像邊緣的光譜特征畸變,但所提取的礦物空間展布特征的全都性仍受到制約,增加了制圖的困難.高光譜遙感在植被爭論中的應用在植被中的應用是高光譜的另一個重要的應用.通過遙感確定植物葉子植冠.植被中非光合作用組分以前用寬帶光譜無法測量,現(xiàn)在用高光譜對植被組分中非光合作用組分進展測的特征吸取作為其判析了美國俄勒岡州中##AVIRI高光譜數據和相應林冠冠層生化特性變化的關系后,指出冠層含氮量和木質素的變化與選擇的AVIRIS波儀<CASI>數據證明冠層化學成分攜有多種氣候區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化過程的信息,并建議從高光譜數據中估量此類信息.另外,區(qū)分率遙感數據在大比例尺度內進展森林生態(tài)系統(tǒng)分類,通過植被物等含量>與其物理特征物理量的估測等.其中常用的有：,通過其位置和斜率的特征來表達.是植物光譜曲線最典型的特征,能很好地描述植物的安康與色素狀態(tài).當植物患病時葉綠素削減,“紅邊〞會向藍光方向移動.植物缺水,“.“紅邊〞的斜率會變陡.2LAI,它是植被爭論中格外重要的參數,它是估量植物光合作用、葉子凋落、固氮等過程的重要參量,是植物生長模型中的一個格外關鍵的變量,,.歸一化植被指數NDVI,是應用很廣泛的植被指數,它是植物的生長狀態(tài)與其空間分布密度的最正確指示因子,APAR等等.高光譜遙感在海洋中的應用20,其主要目,因而具有格外重要的戰(zhàn)略意義.隨著科學技術的進展,.由于中區(qū)分,因此已成為海洋水色、水溫的有效探測工具.它不僅可用于海水中葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、某些污染物和表層水溫探測,也可用于海冰、海岸帶等的探測.由于海洋光譜特性是海洋遙感的一項重要爭論內容,各國在放射海洋遙感衛(wèi)星前后都開展了海洋波譜特性爭論,其中包括大量的海洋光譜特性測量爭論.在早期的海洋遙感應用中,所使用的傳感器波段少,已滿足不了現(xiàn)代定量遙感應用爭論的需要.,,也將促進海洋高光譜特性爭論的進展,可以更準確地了解海洋光譜構造,識別海水中不同物質成份的光譜特征,把握近岸水域光學參數的分布、變化規(guī)律,為海洋遙感應用和海洋光學遙感器評價供給牢靠的依據.高光譜遙感在大氣和環(huán)境爭論中的應用大氣中的分子和粒子成分在太陽反射光譜中有猛烈反響,這些成分包括水汽、二氧化碳、氧氣、臭氧、云和氣溶膠等.其中水汽是主要的吸取成分,有大量940nm水汽吸取強度與大氣中總水,用于同時測量大氣風和氣溶膠的光學性質,該系統(tǒng)可以分別大氣氣溶膠和分子散射,可以直接反射出大氣的后向散射比和氣溶膠的后相散射系數,同時承受雙邊緣監(jiān)測技術,可以獲得高精度的大氣風速信息.對于冬季掩蓋北半球面積30%以上的冰雪,通過成像光譜的模擬試驗,特別110～113μm光譜X圍的波段,可以獲得對冰雪粒徑大小的識別,Ann等人利用航空成像光譜儀AVIRIS中心在1103μm的波段與冰雪顆粒關系進展冰雪顆粒填圖,并提出波段面積標尺法,解決了信號建立在單波段上易受到傳感器噪聲影響的缺點.高光譜遙感在軍事上的應用高光譜影像由于其具有的豐富地面信息,從一開頭就被應用于軍事領域,并在,因而軍用衛(wèi)星上承受這種遙感器的趨勢正在快速增長.在軍事偵察、識別偽裝方面,它能夠依據目標與偽裝材料不同的光譜特性,利用成像光譜儀可以從偽裝的物體中自動覺察目標;在調查武器生產方面