高光譜遙感的城市用地信息提取

1、高光譜遙感的城市用地信息提取高光譜分辨率遙感在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息。高光譜遙感是當(dāng)前遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域，它利用很多很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲得有關(guān)數(shù)據(jù)，它包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。高光譜遙感的出現(xiàn)是遙感界的一場革命，它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì)，在高光譜遙感中能被探測。國際遙感界的共識是光譜分辨率在/10數(shù)量級范圍的稱為多光譜(Multispectral)，這樣的遙感器在可見光和近紅外光譜區(qū)只有幾個波段，如美國 LandsatMSS，TM，法國的S

2、POT等；而光譜分辨率在/100的遙感信息稱之為高光譜遙感(HyPerspectral)；隨著遙感光譜分辨率的進(jìn)一步提高，在達(dá)到/1000時，遙感即進(jìn)入超高光譜(ultraspectral)階段。概述以成像光譜技術(shù)為依托,高光譜遙感利用地物的分子光譜吸收和微粒散射特性在探測和識別地表和大氣的物質(zhì)種類、評價和測量光譜所反映出的物質(zhì)含量、確定一個光譜混合的空間單元內(nèi)各組分的面積比、描繪各類地物的空間分布、通過周期性的數(shù)據(jù)監(jiān)測各類地物的變化等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了越來越大的作用。采用成像光譜數(shù)據(jù)對城市地物從光譜特征上進(jìn)行精細(xì)分類識別,這一點(diǎn)是非常有意義的。光譜分辨率是指遙感器各波段光譜帶寬,表示傳感器對地物

3、光譜的探測能力,它包括遙感器總的探測波譜的寬度、波段數(shù)、各波段的波長范圍和間隔。若遙感器所探測的波段愈多,每個波段的波長范圍愈小,波段間的間隔愈小,則它的光譜分辨率愈高。高光譜分辨率成像光譜遙感,利用地表物質(zhì)與電磁波的相互作用及其所形成的光譜福射、反射、透射、吸收及發(fā)射等特征研究地表物體(包括大氣),將地物性質(zhì)的光譜與其空間和幾何關(guān)系的圖像結(jié)合在一起,并獲取包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。概述l光譜分辨率高傳統(tǒng)多光譜遙感圖像光譜分辨率一般大于100nm,且僅有幾個波段,而高光譜遙感光譜分辨率達(dá)到納米級,一般10-20nm。研究表明,地表物質(zhì)在0.4-2.5um光譜區(qū)間內(nèi)均有可以作為識別標(biāo)

4、志的光譜吸收帶,其帶寬約20-40nm,成像光譜儀的高分辨率可以捕捉到這一信息。l圖譜合一高光譜遙感獲取的地表圖像包含豐富的空間、福射和光譜三重信息。這些信息表現(xiàn)了地物空間分布的影響特征,同時也可能以其中某一像元或像元組為目標(biāo)獲得它們的福射強(qiáng)度以及光譜特征。l光譜波段多在某一光譜段范圍內(nèi)連續(xù)成像。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,它真實(shí)記錄了入射光被物體所反射回來的能量百分比隨波長的變化規(guī)律。這些光譜知識通過不同的表現(xiàn)和組合方式可以轉(zhuǎn)化為不同的特征,可以為目標(biāo)探測和識別提供更廣泛的特征分析空間。優(yōu)勢不同的物質(zhì)都有它自己特有的譜分布,成像光譜儀對目標(biāo)進(jìn)行光譜探測,就是以物質(zhì)

5、對電磁波的反射和福射特性作為依據(jù),根據(jù)搭載平臺的不同,分為機(jī)載成像光譜儀和星載光譜儀系統(tǒng)兩種。AVIRIS是美國JPL 發(fā)的著名機(jī)載系統(tǒng),在高光譜遙感應(yīng)用技術(shù)研究方面起到了開創(chuàng)性的重要作用,經(jīng)過多年不斷改進(jìn),在信噪比方面性能優(yōu)良。Hymap為澳大利亞Integrated Spectronics公司開發(fā)的機(jī)載掃描型成像光譜儀,是商業(yè)化光機(jī)掃描型高光譜成像儀的代表設(shè)備。AHI是長波紅外成像光譜儀,在7-12.5 m波段進(jìn)行高空間分辨率、高信噪比的光譜成像,最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用于地下礦藏探測應(yīng)用的研究。OMIS是我國自主研發(fā)的光機(jī)掃描型機(jī)載成像光譜儀,由中科院上海技術(shù)物理研究所研制,已經(jīng)成功運(yùn)行多年,

6、是國際上具有代表性的系統(tǒng)之一。在生態(tài)環(huán)境調(diào)查,海洋水環(huán)境遙感等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。高光譜成像儀的發(fā)展Hymap影像隨著成像光譜技術(shù)的研究與發(fā)展,機(jī)載系統(tǒng)已經(jīng)從研究走上了實(shí)用化和商業(yè)化的道路,星載系統(tǒng)也已經(jīng)成功應(yīng)用于對地遙感觀測研究。Hyperion搭載于E0-1衛(wèi)星成功發(fā)射,主要驗(yàn)證了在軌高光譜技術(shù),評估了星載高光譜成像儀的對地觀測感測能力,是第一臺成功運(yùn)行的星載高光譜成像儀?；鹦翘綔y器高光譜成像儀CRISM是第一臺用成像光譜技術(shù)觀測火星的設(shè)備,采用推帚式成像方式,探測火星表面礦物分布。月球礦物制圖儀M3具有高空間和高光譜分辨率、高信噪比的特點(diǎn),其光譜范圍擴(kuò)展到2.5-3m的波段,以探測

7、少量OH和H2O成分的存在。我國也已成功發(fā)射了星載成像光譜系統(tǒng)。這些星載成像光譜系統(tǒng)的光譜范圍從可近紅外、短波紅外至熱紅外波段,波段數(shù)從幾十個到幾百個,光譜分光方式有棱鏡、光柵和傅里葉變換方式,成像方式有線陣探測器光機(jī)掃描方式和面陣探測器推帚方式。高光譜成像儀的發(fā)展原理分析高光譜遙感與傳統(tǒng)多光譜遙感相比,同時包含有地球表面的圖像和地物的光譜維信息,是一種綜合性的遙感技術(shù),具有譜段連續(xù)和圖譜合一的特征。在一定的波長范圍內(nèi),比如可見光到近紅外波段或者可見光到短波紅外波段,這些相鄰波段存在光譜重疊,導(dǎo)致可以連續(xù)光譜成像,那么連續(xù)的光譜曲線就可以從高光譜立方體的圖像像元中被提取出來,如下圖所示這就是光

8、譜的“指紋效應(yīng)” 。根據(jù)高光譜成像光譜儀得到的圖像,利用所記錄觀測到的各種地物精細(xì)光譜信息,可以對地物的細(xì)節(jié)信息進(jìn)行反演。高光譜遙感技術(shù)圖譜合一的性質(zhì)為遙感應(yīng)用從定性分析轉(zhuǎn)變到定量分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。高光譜遙感數(shù)據(jù)由于光譜非常精細(xì),地物類型非常多,例如僅僅小麥,不同品種、不同生長階段、不同營養(yǎng)狀況、甚至不同地域生長,其光譜都會存在微小差異,這些差異不僅可以消除分類的時域和空域特征,還可以用來進(jìn)行更精細(xì)的定量化分析,這需要數(shù)據(jù)庫的支持。運(yùn)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以提高遙感信息的管理與分析能力,提高數(shù)據(jù)信息提取的水平,同時為地物的識別和匹配應(yīng)用提供基礎(chǔ)。沒有數(shù)據(jù)庫的支持,只能進(jìn)行小區(qū)域的人工輔助的分類和應(yīng)用

9、,無法成為一種可以普遍或者大范圍應(yīng)用的技術(shù),因此光譜庫是高光譜遙感應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。光譜庫中包含由光譜儀在野外或者實(shí)驗(yàn)室測得的各類地物反射光譜數(shù)據(jù)的集合。不同的地物具有不同的光譜特征,這已成為利用高光譜遙感數(shù)據(jù)識別地物和提取地表信息的主要思想和手段。由于高光譜遙感數(shù)據(jù)巨大的數(shù)據(jù)量和城市地物光譜的復(fù)雜性,建立城市地物光譜庫是非常必要的。光譜庫能夠?yàn)槌鞘械匚锓诸愄峁┏鞘械匚锏膮⒖脊庾V,可以應(yīng)用到對像元的分類;光譜庫在準(zhǔn)確地解譯遙感圖像信息、提高遙感城市分類識別水平和精度、快速地實(shí)現(xiàn)城市地物的匹配都起著至關(guān)重要的作用。光譜數(shù)據(jù)庫國外不同光譜庫地物類型光譜庫名稱地物類型JPL160種不同粒度的常見礦物

10、USGS423種礦物、17種植物和一些混合物IGCP-264專門研究遙感地物反射光譜特性ASTER礦物、巖石等8類JHU火成巖、變形巖、沉積巖、雪等目前國際上有代表性地物波譜庫有美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL反射光譜數(shù)據(jù)庫、美國地質(zhì)調(diào)查局USGS地物反射光譜數(shù)據(jù)庫、美國約翰霍普金斯大學(xué)JHU地物反射光譜數(shù)據(jù)庫、ASTER地物反射光譜數(shù)據(jù)庫和IGCP-264數(shù)字化地物反射光譜數(shù)據(jù)庫。具體的國外不同光譜庫包括的地物類型和種類如表所示。自從20世紀(jì)70年代 始,我國的遙感研究學(xué)者們也陸續(xù)建立起了10多個反射光譜數(shù)據(jù)庫。從1978年騰沖遙感試驗(yàn),我國正式 始了地物反射光譜測量研究；20世紀(jì)80年代,中科院空

11、間科技中心在寧蕪地區(qū)獲得各種光譜曲線1000多條；中科院遙感所測量了 277種中國典型地物的反射光譜；中科院空間技術(shù)中心編寫了 “中國地球資源光譜信息資料匯編”，其中包含巖石、水體、農(nóng)作物等1000條地物的光譜曲線;2005年,北京師范大學(xué)建立了包含植被、巖礦、水體三種地物的中國典型地物反射光譜數(shù)據(jù)庫,同時結(jié)合了光譜庫、圖像庫、知識庫和模型庫。城市典型地物類別與具體分類地物類型具體代表與分類水體河流、濕地、清潔水體、污染水體植被公路綠化帶、公園和小區(qū)的各種植被、樹木、草地裸土城市中未開發(fā)的土地、土路人工表面瀝青路、水泥路、大理石路面、紅色塑膠跑道、水泥混凝土屋頂、紅色屋頂、藍(lán)色屋頂、橡膠表面其

12、他裸露的紅磚、建筑垃圾和巖石原料光譜數(shù)據(jù)庫自然界中的地球表面的物體根據(jù)其構(gòu)成物質(zhì)的不同,在紫外線、可見光、紅外線等不同波段呈現(xiàn)不同的電磁福射特性，具有不同的光譜特性。城市具有多種多樣的地物類型,同時包含有人工環(huán)境和自然環(huán)境的地物,具有鮮明的人類改造自然的人工特征。不同的城市地物具有不同的物理和化學(xué)特性,如不同材質(zhì)的建筑物,不同材料的路面以及各種水體和植物等,所以城市不同地物具有不同的光譜特征信息,利用這些光譜特征的區(qū)別,可以進(jìn)行城市地物的分類。城市地物光譜的多樣性與復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單純的自然環(huán)境,因此研究不同的城市地物的光譜特征是非常必要的。城市中典型的地物類型有水體、植被、建筑物、道路、裸土等

13、,其中人工表面的地物根據(jù)材料的不同分為瀝青路、大理石路、瀝青屋頂、混凝土屋頂?shù)取３鞘械湫偷匚锕庾V特征水體光譜特征城市中的水體情況較復(fù)雜,有湖泊水,環(huán)城河水,濕地凈化水,生活生產(chǎn)污水,人工景觀水等。水本身的光學(xué)性質(zhì)和水體的狀態(tài)共同決定水體的光譜特征,不同渾池程度的水的光譜特征也會有較大的差別。植被光譜特征城市中的植被包括各種樹木、道路兩旁的綠化帶、公園里的草地、科教單位和居民區(qū)的綠化植被等。正常綠色植被無論是闊葉林、針葉林、灌木還是草地,都具有相似的光譜曲線和波譜特征。瀝青路面光譜曲線水泥路面光譜曲線路面光譜特征白色大理石路面光譜曲線土路路面光譜曲線城市道路根據(jù)鋪面所用的材料的不同可以分為浙青路

14、、水泥路、柏油路等。在城市的公園、步行街、廣場等市民活躍的地方會有大理石路面,在學(xué)校里會有塑膠跑道。這些路面的光譜曲線在形狀上很類似。城市建筑物光譜特征水泥混凝土光譜特征建筑瀝青光譜特征白色橡膠涂層光譜特征藍(lán)色涂料屋頂光譜特征裸露的紅磚光譜曲線對于城市建筑物而言,在高光譜遙感數(shù)據(jù)中采集的只是屋頂?shù)墓庾V信息。由于不同的建筑物的屋頂?shù)慕ㄔO(shè)材料不同,會導(dǎo)致建筑物的光譜曲線不同,從而將不同的建筑物區(qū)分出來。城市中的建筑物屋頂?shù)牟牧习ㄓ?水泥、瀝青、石棉瓦、各種顏色的涂料和鐵皮等。城市建筑物光譜特征陰影在城市遙感中由于云層、建筑物和高大的植被會對太陽光有一定的遮擋而產(chǎn)生陰影,造成遙感圖像中城市地物的難以辨認(rèn)。陰影覆蓋下的城市地物并不能表現(xiàn)出自身的光譜特性,與原來的光譜差異性較大,對城市地物分類的精度造成很大影響。陰影的光譜曲線和水體的很類似,對分類精度造成了一定的影響。展望高光譜遙感已經(jīng)成為遙感技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，在地質(zhì)礦產(chǎn)探測、植被分析和軍