北大-高光譜遙感監(jiān)測(cè)20150714

高光譜遙感地物識(shí)別田慶久tianqj@）

南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所2015年7月14日---定量遙感精品課程---引言基本概念

優(yōu)勢(shì)與局限遙感器發(fā)展

遙感成像方式處理與分析技術(shù)識(shí)別與應(yīng)用展望目錄

電磁波與地物相互作用

電磁波與地物表面及大氣的相互作用與其頻率密切相關(guān)。任何物質(zhì)都會(huì)反射、吸收、透射和輻射電磁波，不同性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同頻率的電磁波。電磁波產(chǎn)生的方式多種多樣，包括電磁振蕩，晶格或分子的熱運(yùn)動(dòng)，晶體分子或原子的電子能級(jí)躍遷，分子、原子核振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、內(nèi)層電子能級(jí)、原子核內(nèi)能級(jí)電子躍遷。從輻射源（如太陽(yáng)）入射到物體上的輻射可分成吸收、透射和反射三個(gè)分量。根據(jù)能量守恒定律，

+

+

=1，其中

、

、

分別是吸收、透射和反射比。一、引言

典型地物反射光譜特征水汽紅外透過率光譜

液態(tài)水紅外透過率光譜

以水體波譜特征為例：水分子有3種基諧振動(dòng)模式，它們都位于中紅外，并隨水狀態(tài)（固、液、氣）而變化，可見光和反射紅外區(qū)只出現(xiàn)水的倍頻和合頻譜帶。礦物巖石中只要有水，就會(huì)在1.45μm和1.9μm處出現(xiàn)兩個(gè)特征譜帶，二者同時(shí)出現(xiàn)是含水的鑒定證據(jù)，若只有1.45μm譜帶，則存在羥基，而不是水分子。圖氣態(tài)H2O的3個(gè)基頻振動(dòng)模式圖液態(tài)H2O的3個(gè)基頻振動(dòng)模式液態(tài)水分子由3個(gè)原子組成，它有3個(gè)簡(jiǎn)正頻率ν1，ν2和ν3，對(duì)應(yīng)3個(gè)波長(zhǎng)：

λ1＝3．106μm——對(duì)稱的O-H基伸縮運(yùn)動(dòng)；λ2＝6.08μm——H-O-H鍵的彎折運(yùn)動(dòng)；

λ3＝2．903μm——非對(duì)稱的O-H伸縮運(yùn)動(dòng)，它們部是基頻模式。

倍頻：2ν1，2ν2、和2ν3，相應(yīng)波長(zhǎng)則為λ1/2，λ2／2和λ3／2。合頻：ν＝ν3十ν2，其波長(zhǎng)為：1/λ=1/λ2+1/λ3，→λ=1.87μm

或者v’＝2v1十ν3，λ’＝0．962μm。H20的基頻、倍頻與合頻氣態(tài)液態(tài)固態(tài)υ12.743.1063.17υ26.476.086.36υ32.662.9032.96υ2+υ31.8751.932.022υ31.381.451.52υ1+υ2+υ31.141.211.253υ30.910.981.02表

H2O的可見光/短波紅外吸收特征在土壤、礦物、巖石的光譜上，只要含水，就有兩個(gè)吸收帶，一個(gè)在1.45μm附近(倍頻2ν3)，另一個(gè)在1．9μm附近(組合合頻ν3十ν2。這兩個(gè)帶的有無(wú)，常用作含水分與否的診斷依據(jù)。如果這兩個(gè)帶很狹窄，說明水分子占據(jù)確切有序的位置；反之則說明水分子雜亂無(wú)序。譜帶的確切位置和形狀反映了水分子與無(wú)機(jī)物的特定關(guān)系。圖以不同含水材料的光譜說明了這一效應(yīng)。倍頻）2ν3和合頻ν3十ν2以及譜形、位置的變化均在圖中清晰可見。圖光譜線型及位置的變化與水分子兩個(gè)諧音振動(dòng)有關(guān)（倍頻2ν3和合頻ν3十ν2）2160-2220nm礦物的精細(xì)光譜特征圖礦化蝕變?cè)诜瓷涔庾V特性

圖常見礦物光譜吸收特征

圖由于礦物混合而引起的碳酸巖光譜特征變

決定礦物光譜特征的因素除化學(xué)成分外，晶體結(jié)構(gòu)是影響礦物光譜特征的另一重要因素圖。礦物吸收特征的尖銳程度取決于礦物的結(jié)晶程度，結(jié)晶程度越好吸收特征越明顯。

無(wú)水硬石膏（黑色）解理狀石膏（紅色）油氣烴

烴類物質(zhì)在2.27-2.46μm吸收帶的形狀為一寬谷（近0.2μm寬）、雙峰（2.31和2.348μm）的強(qiáng)吸收帶，吸收強(qiáng)度大于15%。這一吸收帶為甲基（-CH3）、亞甲基（CH2）和芳烴（-CH）分子基團(tuán)振動(dòng)的倍頻與合頻所致，無(wú)其它原油組分的干擾因素。不同地質(zhì)時(shí)代、不同組分的原油波譜曲線，在2.27-2.46μm的吸收帶都很穩(wěn)定，僅存在吸收程度上的差異。重質(zhì)原油比輕質(zhì)原油在2.27-2.46μm吸收帶要強(qiáng)烈得多，說明重質(zhì)烴對(duì)此吸收帶造成的影響要大。圖烴類物質(zhì)的光譜吸收特征

分子基團(tuán)相應(yīng)的礦物特征吸收峰的位置與特點(diǎn)H2O紅外區(qū)只能出現(xiàn)水的倍頻和合頻所形成的1.875μm，1.454μm，1.379μm，1.135μ，0.942μm吸收峰；礦物巖石中只要有水，就會(huì)出現(xiàn)1.4μm和1.9μm兩個(gè)特征譜帶，二者同時(shí)出現(xiàn)是含水的鑒定證據(jù)，只有1.4μm譜帶，說明存在羥基，而不是水。OH-在2.778μm附近有一種氧-氫伸縮振動(dòng)引起的峰；OH-1出現(xiàn)的位置不同，同一種振動(dòng)出現(xiàn)幾種譜帶（如滑石），倍頻在1.4μm產(chǎn)生極常見譜帶；較強(qiáng)的合頻譜帶位于2.2μm和2.3μm，分別取決于羥基基團(tuán)是繞鋁配位還是繞鎂配位；閃石族一般都含鎂，最強(qiáng)譜帶遠(yuǎn)于2.3μm；層狀硅酸鹽種，二八面體—OH繞鋁配位在2.2μm附近有主要譜帶，而三八面體—OH繞鎂配位在2.3μm附近有強(qiáng)譜帶。CO3-在近紅外區(qū)有5個(gè)顯著特征譜帶分別在2.55μm、2.35μm、2.16μm、2.00μm、1.90μm處，前兩者較強(qiáng)，屬于雙重譜帶，后三者較弱，通常在譜帶的短波長(zhǎng)方向一邊由肩峰，具體的譜帶吸收峰位置會(huì)有稍微飄移；銅碳酸巖在0.8μm附近的寬譜帶由立方八次配位Cu2+產(chǎn)生；菱錳礦譜帶很多，分別在0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.55μm附近。氧化物和氫氧化物具有象磁鐵礦表現(xiàn)為整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收特點(diǎn)和諸如針鐵礦和赤銅礦表現(xiàn)為透明-不透明光譜行為。

硫化物和硫酸鹽最常見譜帶在1.1μm附近，表現(xiàn)為八面體Fe2+特征譜以及0.85μm附近的Fe3+的光譜特征。NH4+基團(tuán)在短波紅外區(qū)主要有2.02μm和2.12μm兩個(gè)特征譜帶。有機(jī)質(zhì)由C-H伸縮基頻引起的3.4μm吸收峰；一級(jí)倍頻引起的1.7μm處吸收峰和合頻引起的2.3μm處吸收峰。金屬離子相應(yīng)的礦物特征峰吸收峰位置與特點(diǎn)常見礦物Fe2+0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm、1.0-1.1μm角閃石、輝石、黑云母等Fe3+0.4μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm、0.87μm綠泥石、陽(yáng)起石、赤鐵礦Mn2+0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.45μm菱錳礦Cr3+0.4μm、0.55μm、0.7μm置換Al3+，如紅寶石表

相應(yīng)金屬離子的礦物特征吸收峰的位置波段范圍（nm）引起吸收的有機(jī)物文獻(xiàn)來(lái)源400-500腐殖質(zhì)StonerandBaumgardner,1981,mathews,1973620-700腐殖質(zhì)StonerandBaumgardner,1981,mathews,19731201油BenDoretal.,19971203油-纖維素-蠟BenDoretal.,19971358、1367纖維素、木質(zhì)素、淀粉BenDoretal.,19971465、1582纖維素、木質(zhì)素、淀粉、膠質(zhì)BenDoretal.,19971726、1761纖維素、木質(zhì)素、淀粉、蠟、腐殖酸BenDoretal.,19971769纖維素、木質(zhì)素、淀粉BenDoretal.,19971932纖維素、木質(zhì)素、淀粉、蠟、腐殖酸BenDoretal.,19972068纖維素、糖類、果膠BenDoretal.,19972111纖維素、糖類、蛋白質(zhì)BenDoretal.,19972142、2169淀粉、木質(zhì)素、蠟、丹寧酸BenDoretal.,19972193蛋白質(zhì)BenDoretal.,19972309腐殖酸、蠟、淀粉BenDoretal.,19972331纖維素、木質(zhì)素、葡聚糖BenDoretal.,19972337膠質(zhì)、蛋白質(zhì)BenDoretal.,19972347纖維素、木質(zhì)素、糖類BenDoretal.,19972386膠質(zhì)、蛋白質(zhì)BenDoretal.,1997可見光到近紅外波段土壤有機(jī)成分的吸收波段2024/3/1613序號(hào)波段(微米) 光譜特征成因作物化學(xué)組分

1 0.43 電子躍遷 葉綠素a 2 0.46 電子躍遷 葉綠素b 3 0.64 電子躍遷 葉綠素b 4 0.66 電子躍遷 葉綠素a 5 0.91 C-H伸展第三諧波 蛋白質(zhì) 6 0.93 C-H伸展第三諧波 油 7 0.97 O-H彎曲第一諧波 水分、淀粉 8 0.99 O-H伸展第二諧波 淀粉 9 1.02 N-H伸展 蛋白質(zhì) 10 1.04 C-H伸展C-H變形 油 11 1.12 C-H伸展第二諧波 木質(zhì)素 12 1.20 O-H彎曲第一諧波 水分、纖維素、淀粉、木質(zhì)素 13 1.40 O-H彎曲第一諧波 水分 14 1.42 C-H伸展C-H變形 木質(zhì)素 15 1.45 C-H伸展第一諧波 淀粉、糖、木質(zhì)素、水分 16 1.49 O-H伸展第一諧波 淀粉、糖 17 1.51 N-H伸展第一諧波 蛋白質(zhì)、氮 18 1.53 O-H伸展第一諧波 淀粉 19 1.54 O-H伸展第一諧波 淀粉、纖維素 20 1.58 O-H伸展第一諧波 淀粉、糖21 1.69 C-H伸展第一諧波木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)、氮 42個(gè)植物化學(xué)組分的光譜特征及成因機(jī)理序號(hào)波段(微米) 光譜特征成因作物化學(xué)組分

22 1.78 C-H伸展第一諧波/O-H伸展/H-O-H變形纖維素、糖、淀粉 23 1.82 O-H伸展C伸展第二諧波 纖維素 24 1.90 O-H伸展C-H伸展淀粉 25 1.94 O-H伸展C-O變形 水分、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、氮26 1.96 O-H伸展O-H彎曲糖、淀粉 27 1.98 N-H不對(duì)稱蛋白質(zhì) 28 2.00 O-H變形O-H彎曲 淀粉 29 2.06 N=H彎曲第二諧波/N=H彎曲/N-H伸展蛋白質(zhì)、氮 30 2.08 O-H伸展O-H變形 糖、淀粉 31 2.10 O-H彎曲/C-O伸展/C-O-C伸展第三諧波淀粉、纖維素 32 2.13 N-H伸展 蛋白質(zhì) 33 2.18 N-H彎曲第二諧波/C-H伸展/C-H伸展/蛋白質(zhì)、氮 34 2.24 C-H伸展 蛋白質(zhì) 35 2.25 O-H伸展 淀粉 36 2.27 C-H伸展/O-H伸展/CH2彎曲/CH2伸展纖維素、糖、淀粉 37 2.28 C-H伸展/CH2變形 淀粉、纖維素 38 2.30 N-H伸展/C=O伸展/C-H彎曲第二諧波蛋白質(zhì)、氮 39 2.31 C-H彎曲第二諧波 油 40 2.32 C-H伸展CH2變形 淀粉 41 2.34 C-H伸展/O-H變形/C-H變形第二諧波纖維素 42 2.35 CH2彎曲第二諧波/C-H變形第二諧波纖維素、蛋白質(zhì)、氮

42個(gè)植物化學(xué)組分的光譜特征及成因機(jī)理許多地物在可見光至熱紅外波段內(nèi)都具有與它們組分有關(guān)的光譜吸收特征，而且許多地物的光譜吸收特征具有專一性。礦物中的OH―、CO3=、SO4=及H2O等離子成分在可見至熱紅外波譜范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈吸收特征；植被在0.7μm處的紅邊存在10—40nm的位移變化而指示一定的環(huán)境效應(yīng)；土質(zhì)中含較高濃度Cu、Zn等重金屬元素可引起植被紅邊向短波方向移動(dòng)。而這些精細(xì)的光譜特征只有傳感器光譜分辨率具有高于10nm靈敏度時(shí)才能測(cè)到。遙感機(jī)理應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)對(duì)地面物體進(jìn)行探測(cè)，是以各種物體的電磁輻射的反射、透射、吸收和發(fā)射特征為基礎(chǔ)的。地球表面物體由于其電子，離子、分子以及晶體的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等物理過程而具有光譜特性。不同的地物由于其組成成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)以及時(shí)間、空間環(huán)境的不同，它們輻射、反射、吸收和透射電磁波的性能也不同。遙感信息產(chǎn)生機(jī)理太陽(yáng)大氣層遙感器吸收角散射天空漫射輻照地氣耦合環(huán)境反射輻射路徑輻射散射目標(biāo)輻射目標(biāo)反射透射輻射1.大氣-遙感器2.太陽(yáng)-大氣-目標(biāo)-大氣-遙感器3.大氣-目標(biāo)-遙感器4.環(huán)境-大氣-遙感器5.環(huán)境-大氣-目標(biāo)-大氣-遙感器

目標(biāo)環(huán)境遙感信息傳輸機(jī)理入瞳輻射掃描系統(tǒng)成象光學(xué)探測(cè)器電子系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換DN輸出傳感器系統(tǒng)濾波或色散元件平臺(tái)姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)高光譜遙感器接收到入瞳輻射后通過探測(cè)器產(chǎn)生電信號(hào)，在經(jīng)過增益和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）產(chǎn)生遙感影像數(shù)值（DN）。遙感器的空間響應(yīng)、光譜響應(yīng)和輻射響應(yīng)決定了輸出圖像的信息特征。進(jìn)入傳感器的輻射量通過光學(xué)系統(tǒng)后，由分光器件分成不同的光譜段后到達(dá)探測(cè)器焦平面轉(zhuǎn)換為測(cè)量值。該測(cè)量值的大小直接與探測(cè)器的光譜響應(yīng)率相關(guān)，從而又與光學(xué)系統(tǒng)的透過率和探測(cè)器的光譜靈敏度相關(guān)聯(lián)。遙感信息成像機(jī)理高光譜遙感：

即高光譜分辨率成像光譜遙感，是基于高光譜分辨率超多波段遙感圖像與光譜合一的特點(diǎn)，利用地表物質(zhì)與電磁波的相互作用及其所形成的光譜輻射、反射、透射、吸收及發(fā)射等特征研究地表物體（包括大氣），識(shí)別地物類型，鑒別物質(zhì)成分，分析地物存在狀態(tài)及動(dòng)態(tài)變化的新型光學(xué)遙感技術(shù)。

多光譜遙感（MultirspectralRemoteSensing），光譜分辨率為波長(zhǎng)的1/10數(shù)量級(jí)范圍（幾十個(gè)至幾百個(gè)nm）；

高光譜遙感（HyperspectralRemoteSensing）,光譜分辨率為波長(zhǎng)的1/100數(shù)量級(jí)范圍（幾個(gè)nm）；

超光譜遙感（UltraspectralRemoteSensing），光譜分辨率為波長(zhǎng)的1/1000數(shù)量級(jí)范圍（0.2-1nm）。二、高光譜遙感基本概念特點(diǎn)：光譜分辨率高(

×10-2)波段多

數(shù)十到數(shù)百（800），波譜范圍大（從紫外到熱紅外）譜

像合一的特點(diǎn)信息量大，一次數(shù)據(jù)獲取達(dá)千兆(GB)級(jí)數(shù)據(jù)傳輸速率高，數(shù)十

數(shù)百兆比特/秒能力：能獲取地物目標(biāo)的精細(xì)光譜特征綜合地面目標(biāo)的空間維、時(shí)間維、光譜維特征探測(cè)各種目標(biāo)的成分屬性及有機(jī)目標(biāo)的狀態(tài)屬性優(yōu)勢(shì)：有利于利用光譜特征分析來(lái)研究地物有利于采用各種光譜匹配模型有利于地物的精細(xì)分類與識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域：各種需識(shí)別地面目標(biāo)的領(lǐng)域地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、城市、環(huán)境、軍事、太空與行星探測(cè)高光譜遙感主要特點(diǎn)高光譜遙感信息特征高光譜遙感影像包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息，即能表現(xiàn)地物空間展布的幾何影像特征，又可以表現(xiàn)像元尺寸地物目標(biāo)的輻射亮度和光譜信息。地物空間、輻射、光譜信息特征合一是高光譜遙感信息的最主要特點(diǎn)。（波段多；數(shù)據(jù)量大；圖-譜合一）通過遙感信息反演技術(shù)可從連續(xù)光譜段高光譜遙感影像中任一像元或相臨像元組合獲得類似實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的相應(yīng)地物光譜曲線，通過與實(shí)驗(yàn)室光譜匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)地物的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別，這是多光譜遙感信息所不能具備的特有能力。

巨大的數(shù)據(jù)量和信息量是高光譜遙感信息的又一主要特點(diǎn)。假如一個(gè)有100個(gè)通道、地面分辨率為25米、圖像幅寬100公里的高光譜遙感器作業(yè)，當(dāng)衛(wèi)星在地球軌道上以7.5公里/秒的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，每秒中采集的總像元數(shù)目為1.2×108個(gè)。如果每一像元的輻射量化為8bit，則一景影像信息為8×1.2×108

bit,即每秒中約1Gbit。如此大的數(shù)據(jù)量為數(shù)據(jù)傳輸容量和信息處理技術(shù)速度提出更高的要求，推動(dòng)者數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展。

高光譜遙感信息所表征的輻射量化一般為12bit，即4096個(gè)灰階。為了能夠測(cè)量到一定波長(zhǎng)的輻射變化，輻射量化有時(shí)調(diào)整為8bit或者16bit。高光譜遙感連續(xù)窄波段影像信息間相關(guān)性強(qiáng)，因而大多數(shù)用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要對(duì)遙感器記錄的光譜信息進(jìn)行重采樣，同時(shí)減少數(shù)據(jù)量。高光譜分辨率遙感可探測(cè)到地物的精細(xì)光譜特征，光譜分辨率的確定面向眾多用戶，光譜分辨率高于10納米的遙感器主要面向陸地應(yīng)用，而低于10納米的遙感器主要面向水體和大氣應(yīng)用。同時(shí)應(yīng)注意到在多光譜遙感中可忽略的大氣微量吸收帶可能對(duì)窄譜段的高光譜遙感某一波段信息產(chǎn)生很大的不利影響。

高光譜遙感信息的圖像立方體表達(dá)形式是一種新型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，其正面圖像是由沿飛行方向的掃描線合沿掃描方向的像元點(diǎn)組成的一景優(yōu)選的三波段合成的二維空間彩色影像；其后面依次為各單波段的圖象疊合，其數(shù)據(jù)量為所有波段圖像的總和；位于圖像立方體邊緣的信息表達(dá)了各單波段圖像最邊緣各像元的地物輻射亮度的編碼值或視反射率。優(yōu)勢(shì)1：充分利用地物波譜信息資源三、高光譜遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)與局限性圖不同波譜分辨率對(duì)水鋁反射光譜曲線優(yōu)勢(shì)2：利用波形/精細(xì)光譜特征進(jìn)行分類與識(shí)別地物ParagoniteMuscovitePhengite三種類型的白云母精細(xì)光譜特征Al-OH巖石的光譜發(fā)射率特征優(yōu)勢(shì)3：利用圖-譜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別地物并制圖

局限1：海量數(shù)據(jù)的傳輸、處理與存儲(chǔ)

128波段的OMIS:采集數(shù)據(jù)速率60Mb/s；400Mb/km2局限2：易受大氣的影響局限3：波段間相關(guān)性強(qiáng)70年代末，美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）學(xué)者提出（Goetz）。Colins,張圣輝。1983年，世界上第一臺(tái)成像光譜儀問世，AIS-1（AirborneImagingSpectrometer）問世，64波段。

1987年，航空可見光/紅外成像光譜儀AVIRIS，224波段1999年12月8日，第一臺(tái)星載中分辨率成像光譜儀MODIS升空；2000年第一臺(tái)星載高分辨率成像光譜儀HYPERION升空。1991年，中國(guó)第一臺(tái)航空成像光譜儀（MAIS）運(yùn)行2002年3月中國(guó)星載中分辨率成像光譜儀CMODIS升空；美國(guó)、加拿大、中國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、法國(guó)。四、高光譜遙感器的發(fā)展第一代成像光譜儀稱航空成像光譜儀AIS(AirborneImagingSpectrometer)，64個(gè)通道，光譜覆蓋范圍從990nm-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(AirborneVisible/InfraredImagingSpectrometer)，224個(gè)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(guó)2000年7月MiSat-II衛(wèi)星攜帶升空）FTHSI(FourierTransformHyperspectralImager)，256個(gè)波段，光譜范圍400nm-1050nm，光譜分辨率2-10nm。美國(guó)：AIS，AVIRIS、WIS（812波段）、PROBE、TEEMS、MODIS、Hyperion、FTHSIAHI（256個(gè)熱波段）、SEBASS（242個(gè)熱波段）澳大利亞：Hymap、ARIES、TIPS（100個(gè)熱波段）加拿大：CASI德國(guó)：ROSIS法國(guó)：IMS

芬蘭：AISA

歐空局：CHRIS（2000年10月22日PROBA小衛(wèi)星）日本：GLI中國(guó)：MAIS、PHI、OMIS-1（10個(gè)熱波段）、CMODIS（神舟III號(hào)）、Env-DD（環(huán)境災(zāi)害小衛(wèi)星）典型的高光譜遙感器

HYMAP主要性能指標(biāo)

PHI主要性能指標(biāo)中國(guó)128波段航空成像光譜儀（OMIS-1）

OMIS-I

OMIS-II總波段數(shù)12868光譜儀光譜范圍μm光譜分辨率nm波段數(shù)光譜儀光譜范圍μm光譜分辨率nm波段數(shù)0.4-1.110640.4-1.110641.06-1.7040161.55-1.7512.0-2.515322.08-2.3513.0-5.025083.0-5.018.0-12.550088.0-12.51瞬時(shí)視場(chǎng)(mrad)

3

1.5/3可選總視場(chǎng)（o）

>70掃描率（S/s）

5、10、15、20可選行像元數(shù)5121024/512數(shù)據(jù)編碼（bit）12探測(cè)器SI、InGaAs、InSb、MCT線列Si線列、InGaAs單元、InSb/MCT雙色美國(guó)220波段衛(wèi)星成像光譜儀（Hyperion）表Hyperion主要技術(shù)參數(shù)歐空局Proba衛(wèi)星CHRIS多角度觀測(cè)多角度緊密型高光譜儀五個(gè)觀測(cè)角度的高光譜圖像：0°，±36°，±55°CHRIS共有五種可選擇模式：

MODE1:411nm-997nm,34米,62波段

MODE2:411nm-1019nm,17米,18波段,水質(zhì)遙感

MODE3:442nm-1019nm,17米,18波段,陸地遙感

MODE4:489nm-792nm,17米,18波段,植被遙感

MODE5:442nm-1019nm,17米,37波段,陸地遙感光譜范圍:0.4－1.05

m；光譜分辨率：6－33nm；掃描帶寬：13km；平臺(tái)高度：695km；空間分辨率17米/34米五、高光譜遙感成像方式線性掃描（單探測(cè)元件）撣掃式（線列探測(cè)元件）推掃式（陣列探測(cè)元件）光譜空間交叉式（陣列探測(cè)元件）光程差掃描方式（陣列探測(cè)元件）圖光學(xué)遙感器工作原理（a）撣掃式掃描

(b)推掃式二維陣列撣掃型推帚型線性掃描方式：使用單個(gè)探測(cè)元件掃描得到整景影象。撣掃式掃描（線性探測(cè)器+光機(jī)掃描型）：使用幾個(gè)沿航向排列的探測(cè)元件獲取平行掃描線組，目前波段全，使用性強(qiáng)儀器多屬此類，如AVIRIS、Deadalus系列，MAIS、OMIS以及

MSS、TM、AVHRR、“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星等。

優(yōu)點(diǎn)：空間掃描通過掃描鏡擺動(dòng)在物方面完成，總視場(chǎng)角大(可高達(dá)90o

)，像元配準(zhǔn)好，不同波段在任何時(shí)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(diǎn)：由于光機(jī)掃描，每個(gè)像元凝視時(shí)間短，進(jìn)一步提高光譜分辨率和輻射靈敏度比較困難。推掃式掃描（面陣探測(cè)器+空間掃描型）：二維面陣列探測(cè)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(dòng)元件。目前可見光、近紅外波段此類儀器較多。如：，AIS-1，AIS-2，CASI，HYDICE（210個(gè)波段）、PHI以及SPOT/HRV。

優(yōu)點(diǎn)：空間掃描由器件的自掃描完成，像元凝視時(shí)間長(zhǎng)，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(cè)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(jī)掃描儀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)。

缺點(diǎn)：大量探測(cè)器之間靈敏度的差異，會(huì)產(chǎn)生帶狀噪聲；CCD短波紅外靈敏度低，熱紅外暫時(shí)不可能感應(yīng)；總視場(chǎng)一般不如光機(jī)掃描儀；由于光學(xué)設(shè)計(jì)上的困難，總視場(chǎng)只能達(dá)到30度左右。光譜、空間交叉型掃描儀：光譜維的掃描由旋轉(zhuǎn)濾波片輪的轉(zhuǎn)動(dòng)或用漸變?yōu)V波片完成。如美國(guó)的WIS。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。

缺點(diǎn)：光譜不是同時(shí)記錄，圖象配準(zhǔn)較困難。光程差掃描方式（傅里葉干涉光譜掃描型）：各光譜波段是分時(shí)獲得，光譜維掃描由傅里葉光譜儀（或聲光調(diào)制器）完成。還處于實(shí)驗(yàn)階段，如美國(guó)國(guó)防部等單位研制的傅里葉變換可見光光譜成像儀（FTVHIS），在440-1150nm光譜區(qū)間由256個(gè)波段，光譜分辨率為0.6nm，空間分辨率達(dá)0.6mrad。前景誘人。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的集光能力比色散型高一數(shù)量級(jí)，且具有高信噪比。

缺點(diǎn)：要求極高精度的光學(xué)設(shè)計(jì)和裝校。圖-譜轉(zhuǎn)換技術(shù)

光譜特征參數(shù)定量分析技術(shù)（ContinuumRemoval）；光譜匹配技術(shù)（二值編碼）（SpectralMatching）；微分（導(dǎo)數(shù)）光譜技術(shù)（DerivativeSpectral）；混合光譜分解技術(shù)（SpectralUnmixing）；光譜角度制圖技術(shù)（SAM）六、處理與分析技術(shù)（1）圖-譜轉(zhuǎn)換技術(shù)

遙感信息定量化：是指從不同波段內(nèi)的遙感信息中給出地表物質(zhì)（或大氣）定量的物理量，再通過實(shí)驗(yàn)的或物理的模型將其信息與地學(xué)（或大氣）參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，定量地反演或推算研究目標(biāo)的某些特征參量。定標(biāo)、大氣訂正、反演是定量化研究的三個(gè)主要方面。定標(biāo)（前提）；大氣訂正（必要條件）；反演（目的）對(duì)高光譜遙感而言：一般是將高光譜輻射亮度圖像轉(zhuǎn)換為反（發(fā)）射率圖像，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行地物的識(shí)別和定量化分析研究。即通過光譜重建、圖-譜合一技術(shù)特點(diǎn)，可將重建地物光譜與標(biāo)準(zhǔn)波譜數(shù)據(jù)庫(kù)波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)匹配和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解譯的目的，提高解譯精度。大氣影響表現(xiàn)：（1）由于大氣散射和吸收，從大氣層進(jìn)入的太陽(yáng)輻射沒有全部到達(dá)地面，從地面目標(biāo)反射的輻射也只有部分進(jìn)入遙感器；（2）沒有到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射卻因大氣散射有部分進(jìn)入遙感器；（3）目標(biāo)周圍地物的反射輻射因大氣散射也有部分進(jìn)入遙感器；（4）大氣散射的向下輻射（后向散射）對(duì)地物和目標(biāo)又形成了附加的光照（臨邊效應(yīng)）；（5）地形、雙向反射因素也對(duì)遙感數(shù)據(jù)造成不同程度的影響。反射率圖像反演方法：（1）基于大氣輻射傳輸模型法；

（2）基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?；?）基于圖像特征信息法；（4）基于圖象自身信息法。

大氣訂正模型：6S、MODTRAN、FLAASH、ACTOR、航空高光譜遙感飛行設(shè)計(jì)圖航空飛行外定標(biāo)場(chǎng)地選擇(1)定標(biāo)點(diǎn)的面積應(yīng)足夠大，最好有10×10個(gè)像元的面積，以便于與圖像匹配，同時(shí)減少地面背景的影響；(2)定標(biāo)點(diǎn)應(yīng)為均質(zhì)、平坦體，具有良好的朗伯特性，避免受入射角的影響，對(duì)水體測(cè)量避免鏡向或逆鏡向反射的發(fā)生，同時(shí)減少地形坡度因素的影響；(3)定標(biāo)點(diǎn)地物反射率應(yīng)相對(duì)比較穩(wěn)定；(4)所選擇的不同定標(biāo)點(diǎn)的反射率或輻射亮度分布能覆蓋成像光譜數(shù)據(jù)中的高、中、低灰度的動(dòng)態(tài)范圍；(5)若考慮到同時(shí)用經(jīng)驗(yàn)線性法，定標(biāo)點(diǎn)選擇的個(gè)數(shù)要適中（最好7個(gè)以上），定標(biāo)點(diǎn)過少會(huì)導(dǎo)致回歸議程的置信度下降，過多又帶來(lái)測(cè)試及計(jì)算工作量太大；(6)定標(biāo)點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在機(jī)下點(diǎn)，以避免成像光譜遙感數(shù)據(jù)的幾何和輻射畸變處理帶來(lái)的麻煩；(7)應(yīng)注意大氣狀態(tài)的穩(wěn)定性和均勻性以及避開云的影響。航空高光譜遙感試驗(yàn)研究流程（2）光譜特征參數(shù)定量分析技術(shù)不同水分含量的葉片的光譜反射率

RWC(%)=24.5+7.13*面積(R2=0.845)巖礦光譜分類與識(shí)別巖石和礦物2.15-2.31微米粘土礦2.31-2.35微米碳酸鹽2.24-2.31微米Mg-OH2.15-2.19微米葉蠟石2.19-2.24微米Al-OH對(duì)稱性>1滑石對(duì)稱性<12,31-2.34微米對(duì)稱性>1對(duì)稱性<12,38-2,40黑云母2,15-2,19高嶺石蒙脫石2,31-2.34絹云母有：綠高嶺石

無(wú)：綠泥石（無(wú)）伊利石2.34-2.36白云母2.31-2.33蛇紋石方解石白云石菱鐵礦（3）光譜匹配技術(shù)（二值編碼）（4）微分（導(dǎo)數(shù)）光譜技術(shù)光譜微分技術(shù)就是通過對(duì)反射光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，計(jì)算不同階數(shù)的微分值，以提取不同的光譜參數(shù)。應(yīng)用光譜微分技術(shù)能夠部分消除大氣效應(yīng)、植被環(huán)境背景（陰影、土壤等）的影響，以反映植物的本質(zhì)特征。所得的數(shù)據(jù)，可以用于植被生物化學(xué)信息的提取。不同研究者提出的植被指數(shù)可以認(rèn)為是反映波形形態(tài)變化的反射光譜的n階導(dǎo)數(shù)，而這種光譜的n階導(dǎo)數(shù)實(shí)質(zhì)上表達(dá)了植被葉綠素、水、氮等生物化學(xué)元素吸收波形的變化，是這些吸收物質(zhì)的豐度與狀態(tài)的光譜指標(biāo)。植被/土壤原始光譜曲線植被/土壤一階微分光譜曲線（5）混合光譜分解技術(shù)凸面幾何光譜分解模型

N個(gè)光譜通道表示N維光譜矢量空間；任一最終象元（Endmember）的光譜值可在N維光譜空間上用一個(gè)點(diǎn)表示例如：A、B、C三目標(biāo)的最終象元光譜可在二維空間上表示，并可建立一個(gè)三角形二維平面矢量三角型FA=100%FA=75%FA=50%FA=25%FA=0%CH2CH1ABCpp1p2p3p4（6）光譜角度制圖技術(shù)CH1CH2參考光譜目標(biāo)光譜原理：對(duì)每個(gè)象元，尋找與它夾角最小的終端單元。這一算法是通過計(jì)算波譜間的角度（將它們處理為具有維數(shù)等于波段數(shù)的空間矢量），判定兩個(gè)波譜間的類似度。

將終端單元波譜矢量和每一個(gè)像元矢量放在n維空間比較角度，較小的角度代表與參照波譜匹配緊密。遠(yuǎn)離指定的弧度閾值最大角度的像元被認(rèn)為無(wú)法分類。分類前分類后七、高光譜遙感地物識(shí)別與應(yīng)用地質(zhì)巖性分類蝕變礦物識(shí)別礦物成分計(jì)算高光譜植被指數(shù)植被生化成分估算土壤水分量估算光合有效吸收估算植被壓抑監(jiān)測(cè)模型大氣污染成分監(jiān)測(cè)大氣水分含量估算水質(zhì)污染度監(jiān)測(cè)葉綠素量估算懸浮質(zhì)量估算地質(zhì)勘探植物生態(tài)調(diào)查高光譜遙感識(shí)別與應(yīng)用水質(zhì)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境評(píng)價(jià)軍事應(yīng)用反偽裝目標(biāo)偵察戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的檢測(cè)軍事目標(biāo)的識(shí)別

許多含有Fe2+、Fe3+、CO3-、OH-等離子和分子基團(tuán)的礦物質(zhì)具有其固有的特征譜。高光譜遙感技術(shù)通過對(duì)地表礦物質(zhì)識(shí)別用于尋找礦產(chǎn)資源，尤其對(duì)熱液蝕變礦床的勘探最為有效，并用于地球化學(xué)填圖和地質(zhì)制圖。

1.高光譜遙感用于地質(zhì)巖礦識(shí)別圖美國(guó)內(nèi)華達(dá)地區(qū)AVIRIS高嶺石等礦物識(shí)別Cambian-Ordovicianlimestone(Calcite-CaO)Permianlimestone(Dolomite-MgO)sCambian-Ordovicianlimestone(Calcite-CaO)Permianlimestone(Dolomite-MgO)地質(zhì)應(yīng)用—蝕變帶提取AlterationZoneJ2xJ2sK1shK1lK1sJ3kJ3qJ2qK2kE1s/K2sE1tE2+3bN1tN2pSpectralColumnSectionofStratainTurpanBasin

N2pN1tE2+3bE1tE1s/K2sK2kK1lK1shK1sJ3kJ3qJ2qJ2sJ2xNS4002500wavelength(nm)IdentificationofStratabySpectralAnalysis地層信息光譜柱狀圖s紅色：富鋁云母；綠色：貧鋁云母；黃色：綠簾石；青色：滑石；紫色：蛇紋石；粉色：綠泥石；靛色：方解石干甫平高光譜礦物識(shí)別和提取s干甫平礦物分布圖

s

Al-OH貧鋁云母富鋁云母蒙脫石高嶺石中鋁云母高低Al-OH鍵礦物提取干甫平sMg-OH

綠泥石+綠簾石

綠簾石

綠泥石高低干甫平

暗色礦物Mg-OH類信息提取sa,由HyMap成像光譜儀提取的閃石礦物（amphibole）與1：2.5萬(wàn)地質(zhì)圖的復(fù)合b,閃石礦物（amphibole）的端元提取c,針鐵礦（goethite）與伊利石(illite)混合地物的端元提取s風(fēng)化物的制圖和鐵氧化物端元信息提取。箭頭所指的粉紅部分為高含鐵地層這是一個(gè)廢棄的訓(xùn)練場(chǎng)的影像，圖中黃色部分和線性痕跡為被翻動(dòng)攪亂的地表新疆哈密地區(qū)Hymap圖譜信息特征提取與巖性識(shí)別能力

(安山巖、花崗巖、土壤、河灘地、角閃巖）

B9/B6（R）、B9/B12（G）、B9/B14（B）假彩色合成影像（紅色區(qū)域?yàn)榻情W片巖，F(xiàn)e2+含量高；綠色部分含為龜裂土，Al-OH含量高；藍(lán)色區(qū)域Mg-OH含量高）新疆哈密Hymap