高光譜基礎(chǔ)知識

高光譜基礎(chǔ)知識

1.基本概念

1.1電磁波理論

人類通過實踐發(fā)現(xiàn)地球上每一個物體都在不停地吸收，發(fā)射信息和能量，其中有一種人類已

經(jīng)認(rèn)識到的形式一一電磁波，并且發(fā)現(xiàn)不同物體的電磁波特性是不同的，遙感就是根據(jù)這個

原理來探測、識別遠(yuǎn)距離物體的。

正像人們一直生活在看不見的空氣一樣,人們也看不見無處不在的電磁波。變化的電場和磁

場構(gòu)成了電磁場，而電磁場在空間的傳播就形成了電磁波。

按照電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或者遞減排列，構(gòu)成電磁波譜。主要的遙感電

磁波譜段如下：

紫外線：波長范圍為0.01?0.38um,太陽輻射通過大氣層時被吸收，只有波長0.3?0.38

Um的紫外線能夠穿過大氣層到達(dá)地面。

可見光：波長范圍0.38?0.76um,是遙感成像使用的主要波段之一。

紅外線：波長范圍為0.76?1000um,根據(jù)性質(zhì)分為近紅外、中紅外、熱紅外和超遠(yuǎn)紅外。

微波：波長范圍為1mm~lm,穿透性好，不受云霧的影響，全天候、全天時。

l(f*<Hz)

1.2遙感

廣義的遙感：即“遙遠(yuǎn)的感知”，RemoteSensing,廣義理解，泛指一切無接觸的遠(yuǎn)距離探

測，包括對電磁場、力場、機械波（聲波、地震波）等的探測。

狹義的遙感:是應(yīng)用探測儀器,不與探測目標(biāo)相接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來,

通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)。

NIRSWIRMWIRLWIR

400nm7001500300014000nm

LOWPanchromatic：oneverywideband

Multispectral:severaltotensofbands

HIGHHyperspectral：hundredsofnarrowbands

_CSDNJgig

1.3高光譜遙感

高光譜遙感(HyperspectralRemoteSensing)用很窄(10-2人)而連續(xù)的光譜通道對地物持

續(xù)遙感成像的技術(shù)。在可見光到短波紅外波段其光譜分辨率高達(dá)納米(nm)數(shù)量級，通常具有

波段多的特點，光譜通道數(shù)多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個以上，而且各光譜通道間往往是連續(xù)的，因

此高光譜遙感又通常被稱為成像光譜(ImagingSpectrometry)遙感。

CSDM?GeoLearnmg

注意：區(qū)別于傳統(tǒng)的多光譜掃描儀

成像光譜儀獲取的數(shù)據(jù)包括二維空間信息和一維光譜信息，所有的信息可以視為一個三維數(shù)

據(jù)立方體。一些概念：

光譜響應(yīng)函數(shù)

光譜分辨率

空間分辨率

儀器視場角

信噪比

探測器凝視時間

1.3.1光譜響應(yīng)函數(shù)

光譜響應(yīng)函數(shù)（SpectralResponseFunction,SRF）指的是傳感器在每個波長處，接收的輻亮度與

入射的輻亮度的比值。由于傳感器硬件的限制，傳感器在某個預(yù)定波長范圍內(nèi)的響應(yīng)不可能

是100%。

max

￡入射(4)/(2)”

7minCSDN@GeoLeaming

其中：L接收：為傳感器記錄到的輻射能量值；

L入射（入）：為傳感器入瞳處波長為X的輻射能量;

f（X）：為傳感器在波長A處的光譜響應(yīng)率。

MODIS.CBERS,TM前4個波段光譜響應(yīng)函數(shù)比較

-M?：S：

-MOO：S3

N0DU3

0.8M00：M

一CUM：CT：

0.6-cmsiCCW

-CU1S2CCM

0.4-CB!U?CCD4

nt；

0.2LasJsat!TMX

0LafidutS7X4

350450550650750850950

“v,、CSDN@GeoLearning

波長（nm）

1.3.2光譜分辨率

指傳感器接收目標(biāo)輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔，間隔越小，分辨率越高。光譜分辨

率被嚴(yán)格定義為儀器在達(dá)到50%光譜響應(yīng)時在波長方向的寬度（波段寬度，Bandwidth）?

LOW

MED

HIGH

1.3.3空間分辨率

空間分辨率是由儀器的角分辨力(AngularResolvingPower)即儀器的瞬時視場角

(InstantaneousFieldofView,IFOV)決定。遙感器的瞬時視場角是指某一瞬間遙感系統(tǒng)的探

測單元對應(yīng)的瞬時市場。IFOV以毫弧度(mrad)為計量單位，其所對應(yīng)的地面大小被稱為

地面分辨單元(GroundResolutionCell)?

根據(jù)瞬時視場角和遙感器距地面高度計算圖像空間分辨率：

GR=2XHXtan函(IFOV/2)

其中，H為遙感平臺高度。

1.3.4儀器視場角

指儀器掃描鏡在空中掃過的角度，它和遙感平臺高度H共同決定了地面掃描幅寬(ground

swath,GS)

GS=2XHXtan?(FOV/2)

其中，H為遙感平臺高度。

1.3.5信噪比

信噪比是遙感器采集到的信號和噪聲的比。信噪比的高低直接影響了圖像的分類和圖像目標(biāo)

的識別等處理效果。

信噪比和圖像的空間分辨率、光譜分辨率是相互制約的，空間分辨率和光譜分辨率的提高都

會降低信噪比，實際應(yīng)用中，這三個指標(biāo)的選擇都是在一定的目標(biāo)要求下綜合考慮各方面因

素之后進(jìn)行取舍的。

1.3.6探測器凝視時間

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，光譜響應(yīng)越強，圖像的信噪比也就越

高。推掃型成像光譜儀比擺掃型成像光譜儀的探測器凝視時間有很大提高。

2.高光譜遙感數(shù)據(jù)特點

2.1光譜分辨率高

光譜分辨率高，能反映地物光譜的細(xì)微特征。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(jìn)行光譜測量，因此它是光譜成像的；與傳統(tǒng)多光譜遙

感相比，其光譜通道不是離散而是連續(xù)的，因此從它的每個像元均能提取一條平滑而完整

的光譜曲線。

高光譜遙感器一一成像光譜儀，能獲得整個可見光，近紅外，短波紅外，熱紅外波段的多而

窄的連續(xù)光譜，波段數(shù)多至幾十甚至數(shù)百個，光譜分辨率可以達(dá)到納米級，一般為10-20nm,

個別達(dá)2.5nm?

2.2圖譜合一

高光譜遙感獲取的地表圖像包含了地物豐富的空間、輻射和光譜三重信息，既表現(xiàn)了地物空

間分布的影像特征，又以其中某--像元或像元組為目標(biāo)獲得它們的輻射強度以及光譜特征。

影像、輻射與光譜這三個遙感中最重要的特征的結(jié)合就成為高光譜成像，特別是成像光譜進(jìn)

而作為成像光譜輻射遙感信息最重要的特點。

2.3光譜通道多

傳統(tǒng)的全色和多光譜遙感器在光譜波段數(shù)上是非常有限的，在可見光和反射紅外區(qū)，其光譜

分辨率通常在lOOnm量級。

而成像光譜儀的光譜波段多，一般是幾十個或者幾百個，甚至高達(dá)上千個，而且這些光譜波

段一般在成像范圍內(nèi)都是連續(xù)成像，因此，成像光譜儀能夠獲得地物在一定范圍內(nèi)連續(xù)的、

精細(xì)的光譜曲線。

2.4數(shù)據(jù)量大，信息冗余

數(shù)據(jù)量大：隨著波段數(shù)的增加，數(shù)據(jù)量成指數(shù)增加；

信息冗余增加：由于相鄰波段高度相關(guān)，冗余信息也相對增加

3.典型地物光譜特征

3.1植被

影響植物光譜的因素有植物本身的結(jié)構(gòu)特征，也有外界的影響。從健康植被的光譜曲線可以

看出，控制植物反射率的主要因素有：

植物葉子的顏色

葉子的細(xì)胞構(gòu)造

植物的水分…

如下如是健康植被的反射光譜曲線：

3.2土壤

在地面植被稀少的情況下，土壤的反射曲線與其土壤成分和顏色密切相關(guān)：顏色淺的土壤具

有較高的反射率，顏色較深的土壤反射土壤反率較低。

土壤水的含量增加，會使反射率曲線平移下降，并且有兩個明顯的水分吸收谷。

-0%~4%含余■

-S%~i2%彳水量

?g3轉(zhuǎn)般魯GeoLeaming

3.3水體

在可見光范圍內(nèi)，水體的反射率總體上比較低，不超過10%，一般為4%~5%,并隨著波長的

增大逐漸降低，到0.6um處約2%~3%。

過了0.75Um,水體幾乎成為全吸收體。在近紅外的遙感影像上，清澈的水體呈黑色。

水體在微波1mm?30cm范圍內(nèi)的發(fā)射率較低，約為0.4%。平坦的水面，后向散射很弱，

因此側(cè)視雷達(dá)影像上，水體呈黑色。故用雷達(dá)影像來確定洪水淹沒的范圍也是有效的手段。

含有泥沙的渾濁水體與清水比較，光譜反射特征存在以下差異:

渾濁水體的反射波譜曲線整體高于清水，隨著懸浮泥沙濃度的增加，差別加大；

波譜反射峰值向長波方向移動（“紅移”）。清水在0.751m處反射率接近于零，而含有泥沙

的渾濁水至0.93um