高光譜遙感成像系統(tǒng)

1高光譜遙感成像系統(tǒng)第1頁(yè)/共65頁(yè)2一.遙感傳感器成像技術(shù)的發(fā)展第2頁(yè)/共65頁(yè)3成像光譜技術(shù)則把遙感波段從幾個(gè)、幾十個(gè)推向數(shù)百個(gè)、上千個(gè)。高光譜遙感數(shù)據(jù)每個(gè)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(xì)節(jié)成為可能。如一個(gè)TM波段內(nèi)只記錄一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而航空可見(jiàn)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(gè)以上數(shù)據(jù)點(diǎn)。第3頁(yè)/共65頁(yè)4全色（黑白）--彩色攝影—多光譜掃描成像—高光譜遙感1960年人造地球衛(wèi)星圍繞地球獲取地球的圖片資料時(shí)，成像就成為研究地球的有利工具。在傳統(tǒng)的成像技術(shù)中，黑白圖像的灰度級(jí)別代表了光學(xué)特性的差異因而可用于辨別不同的材料。對(duì)地球成像時(shí)，選擇一些顏色的濾波片成像對(duì)于提高對(duì)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（Multispectralimaging）。1980年高光譜成像技術(shù)（HyperspectralImaging）誕生了，它最早是機(jī)載的成像光譜儀（AirborneImagingSpectrometer），如今已拓展到先進(jìn)的可見(jiàn)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(guó)國(guó)家航天航空管理局）。歷史發(fā)展第4頁(yè)/共65頁(yè)5第5頁(yè)/共65頁(yè)6與地面光譜輻射計(jì)相比，成像光譜儀不是在“點(diǎn)”上的光譜測(cè)量，而是在連續(xù)空間上進(jìn)行的光譜測(cè)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(gè)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(xué)領(lǐng)域“成像無(wú)光譜”和“光譜不成像”的歷史問(wèn)題。二.成像光譜儀的特點(diǎn)第6頁(yè)/共65頁(yè)7光譜分辨率：遙感器能分辨的最小波長(zhǎng)間隔，是遙感器的性能指標(biāo)。比如圖中縱坐標(biāo)（y軸）表示探測(cè)器的光譜響應(yīng)，橫坐標(biāo)（x軸）代表波長(zhǎng)，那么光譜分辨率被定義為儀器達(dá)到光譜響應(yīng)最大值的50%的波長(zhǎng)寬度。特點(diǎn)1：高光譜分辨率高第7頁(yè)/共65頁(yè)8空間分辨率：成像光譜儀的一個(gè)瞬間視場(chǎng)，即在一瞬間遙感系統(tǒng)探測(cè)單元所對(duì)應(yīng)的瞬間視場(chǎng)（IFOV）。IFOV以毫弧度（mrad）計(jì)量，其對(duì)應(yīng)的地面大小被稱為地面分辨率單元（GroundResolutionCell，GR）它們的關(guān)系為：GR=2*tan(IFOV/2)*H

第8頁(yè)/共65頁(yè)9時(shí)間分辨率：對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行遙感采樣的時(shí)間間隔，即采樣時(shí)間的頻率。信噪比（SNR）：signaltonoiseratio,遙感器采集的信號(hào)和噪聲之比。信噪比的高低直接影響了圖像分類和圖像識(shí)別等處理效果。在實(shí)際應(yīng)用中，空間分辨率和光譜分辨率以及信噪比是相互制約的，兩種分辨率的提高都會(huì)降低信噪比，那么必須綜合考慮這三個(gè)方面的指標(biāo)，進(jìn)行取舍。第9頁(yè)/共65頁(yè)10TM圖象SPOT圖象傳統(tǒng)傳感器的分辨率第10頁(yè)/共65頁(yè)11ROSIS圖象PHI圖象第11頁(yè)/共65頁(yè)12第12頁(yè)/共65頁(yè)13特點(diǎn)2：圖譜合一第13頁(yè)/共65頁(yè)14特點(diǎn)3：波段多，在某一個(gè)波段范圍連續(xù)成像第14頁(yè)/共65頁(yè)15三.高光譜遙感圖象數(shù)據(jù)表達(dá)成像光譜圖象相對(duì)于其他一般遙感圖象的主要優(yōu)勢(shì)在于：除了擁有二維的平面圖之外，更包含了光譜維，從而蘊(yùn)涵了豐富的圖象及光譜信息。為了給用戶一個(gè)直觀和形象的認(rèn)識(shí)，通常我們?cè)诙S圖象信息的基礎(chǔ)上，添加光譜維，形成一個(gè)三維的坐標(biāo)空間。第15頁(yè)/共65頁(yè)16OXY平面：與傳統(tǒng)的圖象平面相同，表示黑白單波段圖象，反應(yīng)一個(gè)波段的信息。OXZ平面：y方向的光譜切面OYZ平面：x方向的光譜切面它們代表一條直線上的光譜信息。第16頁(yè)/共65頁(yè)17第17頁(yè)/共65頁(yè)18第18頁(yè)/共65頁(yè)19Envi里面的實(shí)踐環(huán)節(jié)第19頁(yè)/共65頁(yè)20四.光譜成像的方式完成成像方式是一個(gè)集探測(cè)技術(shù)，精密光學(xué)機(jī)械，微弱信號(hào)探測(cè)，計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息處理技術(shù)等為一體的綜合性技術(shù)。其中硬件技術(shù)的成熟會(huì)不斷推動(dòng)成像光譜技術(shù)的提高，因此有必要對(duì)于成像光譜的硬件技術(shù)進(jìn)行了解。高光譜遙感的成像包括空間維成像和光譜維成像。時(shí)間探測(cè)器場(chǎng)景通道1通道2通道K+++噪聲輸出圖像第20頁(yè)/共65頁(yè)21了解兩個(gè)概念：視場(chǎng)角：儀器在空中所掃描的角度，它決定了地面的掃描幅寬。凝視時(shí)間：儀器視場(chǎng)角掃過(guò)地面單元所持續(xù)的時(shí)間。凝視的時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入探測(cè)器的能量越多。光譜響應(yīng)和圖像的信噪比越高。第21頁(yè)/共65頁(yè)22空間維成像通過(guò)飛行平臺(tái)的平動(dòng)和飛行平臺(tái)上成像光譜儀的工作模式來(lái)決定，常用的工作模式為擺掃型和推掃型。1）擺掃型成像光譜儀擺掃型成像光譜儀由光機(jī)左右擺掃和飛行平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)完成二維空間成像，其中線列探測(cè)器完成每個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)像元的光譜維獲取。成像光譜儀由探測(cè)器360度搖擺，飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，形成二維空間成像。如：OMISAVIRIS等第22頁(yè)/共65頁(yè)23第23頁(yè)/共65頁(yè)24第24頁(yè)/共65頁(yè)252）推掃型成像光譜儀推掃型成像光譜儀采用一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的面陣探測(cè)器，在飛行平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)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(tái)運(yùn)動(dòng)的方向如：PHI，CASI等第25頁(yè)/共65頁(yè)26第26頁(yè)/共65頁(yè)27光譜維成像主要是由棱鏡，光柵進(jìn)行色散型成像，探測(cè)器將反射光收集到物鏡后，再進(jìn)行分光，所有光譜分布同時(shí)進(jìn)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(gè)排成一行的像元。另外的光譜成像形式包括：干涉型，濾光型等第27頁(yè)/共65頁(yè)28光譜維成像介紹兩種最常見(jiàn)的成像方式1）棱鏡、光柵色散型成像光譜儀第28頁(yè)/共65頁(yè)29第29頁(yè)/共65頁(yè)302）干涉成像光譜儀第30頁(yè)/共65頁(yè)31五、高光譜成像光譜儀1）航空成像光譜儀20世紀(jì)80年代興起的新型對(duì)地觀測(cè)技術(shù)——高光譜遙感技術(shù)，始于成像光譜儀(ImagingSpectrometer)的研究計(jì)劃。該計(jì)劃最早由美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JetPropulsionLab，JPL）的一些學(xué)者提出。1983年，世界第一臺(tái)成像光譜儀AIS－1在美國(guó)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。在美國(guó)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(jī)載航空成像光譜儀（AIS）系列；航空可見(jiàn)光/紅外成像光譜儀（AVIRIS）；高分辨率成像光譜儀（HIRIS）等。第31頁(yè)/共65頁(yè)3280年代早期高光譜航天成像光譜儀第32頁(yè)/共65頁(yè)33航空可見(jiàn)光/紅外成像光譜儀AVIRIS。80年代后期，美國(guó)噴氣推進(jìn)研究室（JPL）制成機(jī)載可見(jiàn)紅外成像光譜儀（AVIRIS）的完整樣機(jī)。該成像光譜儀可在0.4μm～2.45μm的波長(zhǎng)范圍獲取224個(gè)連續(xù)的光譜波段圖像。波段寬度10nm。當(dāng)飛機(jī)在20km高空飛行時(shí)，圖像地面分辨率可達(dá)20m。AVIRISavirisdata/html/aviris.freedata.html第33頁(yè)/共65頁(yè)34近年來(lái)，有代表性的新產(chǎn)品第34頁(yè)/共65頁(yè)35熱紅外成像光譜儀第35頁(yè)/共65頁(yè)36幾種常見(jiàn)的航空高光譜成像儀第36頁(yè)/共65頁(yè)37第37頁(yè)/共65頁(yè)38第38頁(yè)/共65頁(yè)392）航天成像光譜儀在經(jīng)過(guò)航空試驗(yàn)和成功運(yùn)行應(yīng)用之后，90年代末期終于迎來(lái)了高光譜遙感的航天發(fā)展。1999年美國(guó)地球觀測(cè)計(jì)劃（EOS）的Terra綜合平臺(tái)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(shí)代的來(lái)臨。第39頁(yè)/共65頁(yè)40美國(guó)對(duì)航天成像光譜技術(shù)的研究一直遙遙領(lǐng)先，但是發(fā)展之路也并非一帆風(fēng)順，全球第一個(gè)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(gè)波段涵蓋了400-2500nm波段，不幸的是這顆衛(wèi)星控制出現(xiàn)問(wèn)題，失去了動(dòng)力，升空一個(gè)月后就偏離了軌道。2001年的Orbview-4衛(wèi)星發(fā)射失敗，但是經(jīng)過(guò)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(guó)及其他發(fā)達(dá)國(guó)家在高光譜遙感衛(wèi)星的情況：第40頁(yè)/共65頁(yè)41中等分辨率成像光譜儀MODIS（moderateresolutionImagingSpectro-radiometer）是美國(guó)宇航局發(fā)射的EOS-TERRA和EOS-AQUA衛(wèi)星上最重要的星載儀器。MODIS從可見(jiàn)光到熱紅外有36個(gè)波段，波長(zhǎng)覆蓋范圍從0.4μm到14.4μm。MODIS的兩個(gè)通道空間分辨率可達(dá)250m，5個(gè)通道為500m，29個(gè)通道為1000m，可同時(shí)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(guān)大氣、海洋和陸地的動(dòng)態(tài)模型，以及建立預(yù)測(cè)全球變化的模型。1.MODIS/Terra第41頁(yè)/共65頁(yè)42MODIS技術(shù)指標(biāo)表：

第42頁(yè)/共65頁(yè)43MODIS波段分布和主要應(yīng)用：第43頁(yè)/共65頁(yè)44第44頁(yè)/共65頁(yè)45Terra衛(wèi)星上的另外一個(gè)傳感器是熱輻射及反射探測(cè)器（ASTER），獲取的數(shù)據(jù)廣泛地應(yīng)用與反演陸面溫度、比輻射率、反射率以及高程信息等。第45頁(yè)/共65頁(yè)462、Hyperion/EO-1地球觀測(cè)1號(hào)（EarthObserving-1）衛(wèi)星系統(tǒng)在2000年發(fā)射。地球觀測(cè)1號(hào)衛(wèi)星將與LandSat-7覆蓋相同的地面軌道，兩顆衛(wèi)星對(duì)同一地物目標(biāo)以幾乎相同的時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，從而可以對(duì)LandSat-7中的ETM＋及EO-1中的三臺(tái)主載荷獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。第46頁(yè)/共65頁(yè)47EO-1中的三臺(tái)主載荷分別為先進(jìn)陸地成像儀（AdvancedLandImager，ALI），高光譜成像儀（Hyperion）以及高光譜大氣校正儀（LinearetalonimagingspectrometerarrayAtmosphericCorrector，LAC）。其中Hyperion用于地物波譜測(cè)量和成像、海洋水色要素測(cè)量以及大氣水汽/氣溶膠/云參數(shù)測(cè)量等，其性能比EOSTerra衛(wèi)星上的MODIS要好的多。第47頁(yè)/共65頁(yè)48第48頁(yè)/共65頁(yè)49第49頁(yè)/共65頁(yè)503.CHRIS衛(wèi)星/Proba第50頁(yè)/共65頁(yè)51第51頁(yè)/共65頁(yè)524、MERIS衛(wèi)星/Envisat第52頁(yè)/共65頁(yè)53第53頁(yè)/共65頁(yè)54MERIS的15個(gè)波段的技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用目的

Bandcentre

(NM)

Bandwidth

(NM)

PotentialApplications

1412.5

10

Yellowsubstanceanddetritalpigments

2442.5

10

Chlorophyllabsorptionmaximum

3490

10

Chlorophyllandotherpigments

4510

10

Suspendedsediment,redtides

5560

10

Chlorophyllabsorptionminimum

6620

10

Suspendedsediment

7665

10

Chlorophyllabsorption

andfluorescence8681.25

7.5

Chlorophyllfluorescence

peak9708.75

10

Fluo.Reference,atmosphericcorrections10753.75

7.5

Vegetation,cloud11760.6253.75

OxygenabsorptionR-branch

12778.75

15

Atmospherecorrections

13865

20

Vegetation,watervapourreference

14885

10

Atmospherecorrections

15900

10

Watervapour,land

第54頁(yè)/共65頁(yè)555.澳大利亞ARIES衛(wèi)星第55頁(yè)/共65頁(yè)566.日本ADEOS衛(wèi)星第56頁(yè)/共65頁(yè)57其他大氣環(huán)境探測(cè)專用航天成像光譜儀第57頁(yè)/共65頁(yè)58六、我國(guó)成像光譜儀的發(fā)展1）航空成像光譜儀80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(jiàn)—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(dá)到70—72個(gè)。高光譜儀器的研制成功，為中國(guó)遙感科學(xué)家提供了新的技術(shù)手段。通過(guò)在我國(guó)西部干旱環(huán)境下的地質(zhì)找礦試驗(yàn)，證明這一技術(shù)對(duì)各種礦物的識(shí)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。此后，中國(guó)又自行研制了更為先進(jìn)的推帚式成像光譜儀（PHI）和實(shí)用型模塊化成像光譜儀（OMIS）等。新的成像光譜系統(tǒng)不僅繼續(xù)在地質(zhì)和固體地球領(lǐng)域研究中發(fā)揮作用，而且在生物地球化學(xué)效應(yīng)研究、農(nóng)作物和植被的精細(xì)分類、城市地物甚至建筑材料的分類和識(shí)別方面都有很好的結(jié)果。第58頁(yè)/共65頁(yè)59實(shí)用型模塊化成像光譜儀OMIS。是由中科院上海技術(shù)物理研究所航空遙感研究室研制的，具有當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平的新型航空遙感儀器。它在可見(jiàn)/近紅外/短波紅外/熱紅，0.46mm至12.5mm的所有大氣窗口上設(shè)置了128個(gè)光譜波段，是一套先進(jìn)的機(jī)載高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。OMIS第59頁(yè)/共65頁(yè)60推掃式光譜成像儀PHI。