高光譜遙感的概念

高光譜遙感與地學(xué)分析吳柯（物探樓601室）

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1高光譜遙感：高是體現(xiàn)在波段信息上，高光譜遙感的出現(xiàn)是遙感界的一場(chǎng)革命,它使本來在寬波段遙感中不可探測(cè)的物質(zhì),在高光譜遙感中能被探測(cè)。地學(xué)分析：主要是指尋找地表及地表以上的地學(xué)規(guī)律，通過對(duì)獲取的遙感信息進(jìn)行分析和處理，一方面擴(kuò)大地學(xué)研究本身的視域，提高對(duì)區(qū)域的認(rèn)識(shí)水平；另一方面可改善遙感分析、處理、識(shí)別目標(biāo)的精度。課程介紹2教學(xué)目的:本課程是地信專業(yè)的必修課程，需要掌握的內(nèi)容包括：理解高光譜遙感科學(xué)相關(guān)的物理概念，了解高光譜遙感與簡(jiǎn)單的地學(xué)分析的過程，了解國內(nèi)外最新的高光譜遙感技術(shù)和手段。培養(yǎng)一定的高光譜遙感實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＦ綍r(shí)成績(jī)：40%，包括點(diǎn)名，作業(yè)，課程實(shí)驗(yàn)等考試成績(jī)：60%，課程設(shè)計(jì)或課程論文?？己诵问?實(shí)習(xí)安排:3次實(shí)習(xí)課程，時(shí)間是第3,4,5周，周四下午31、《高光譜遙感》張良培等，武漢大學(xué)出版社，20052、《高光譜遙感的多學(xué)科利用》，童慶禧，張兵等，電子工業(yè)出版社出版社，20063、《高光譜遙感：原理技術(shù)與應(yīng)用》，童慶禧，張兵等，高等教育出版社，2006課程主要參考資料4第1章高光譜遙感的概念第2章高光譜遙感成像系統(tǒng)第3章高光譜遙感理論基礎(chǔ)第4章地物光譜數(shù)據(jù)的重建第5章高光譜遙感數(shù)據(jù)的特征選擇與提取第6章高光譜特征參量與光譜庫第7章高光譜遙感圖像分類第8章高光譜遙感影像混合像元分解第9章高光譜遙感影像目標(biāo)探測(cè)第10章高光譜遙感應(yīng)用課程安排：5高光譜遙感是傳統(tǒng)遙感的一個(gè)發(fā)展分支，它使得遙感的波段寬度更窄，針對(duì)性更強(qiáng)，可以突出特定地物反射峰值波長(zhǎng)的微小差異；同時(shí)，成像光譜儀等的應(yīng)用，提高了地物光譜分辨力，有利于區(qū)別各類物質(zhì)在不同波段的光譜響應(yīng)特性。首先介紹一下背景知識(shí)，我們簡(jiǎn)單回顧一下遙感的特點(diǎn)：高光譜遙感（HyperspectralRemoteSensing）67狹義理解，是應(yīng)用探測(cè)儀器，不與探測(cè)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)及其變化的科學(xué)及綜合性探測(cè)技術(shù)。廣義理解，泛指一切無接觸的遠(yuǎn)距離探測(cè)，包括對(duì)電磁場(chǎng)、力場(chǎng)、機(jī)械波(聲波、地震波)等的探測(cè)。實(shí)際工作中，重力、磁力、聲波、地震波等的探測(cè)被劃為物探(物理探測(cè))的范疇。因而，只有電磁波探測(cè)屬于遙感的范疇。遙感技術(shù)8大面積同步觀測(cè)：氣象衛(wèi)星，資源衛(wèi)星時(shí)效性強(qiáng)：周期短，覆蓋面廣數(shù)據(jù)的綜合性和可比性好：不用去實(shí)地采集數(shù)據(jù)較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益：應(yīng)用廣泛一定的局限性：數(shù)據(jù)處理；受天氣影響遙感的特點(diǎn)910111）目標(biāo)物的電磁波特性_遙感信息源任何目標(biāo)物都具有發(fā)射、反射、吸收電磁波的性質(zhì)。

遙感信息處理的技術(shù)流程122）信息的獲取133）信息的接收14接收、處理、存檔、分發(fā)各類地球資源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，為遙感應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。4）信息的處理—遙感衛(wèi)星地面站15整個(gè)現(xiàn)代遙感技術(shù)體系遙感信息傳輸目標(biāo)提取與識(shí)別(自動(dòng)化、智能化)數(shù)據(jù)處理(高光譜、高分辨率、雷達(dá))分發(fā)多源數(shù)據(jù)融合與集成遙感成像機(jī)理與模型用戶各應(yīng)用部門16

（1）隨著熱紅外成像、機(jī)載多極化合成孔徑雷達(dá)、高分辨力表層穿透雷達(dá)和星載合成孔徑雷達(dá)技術(shù)日益成熟，遙感波譜域從最早的可見光向近紅外、短波紅外、熱紅外、微波方向發(fā)展，波譜域的擴(kuò)展將進(jìn)一步適應(yīng)各種物質(zhì)反射、輻射波譜的特征峰值波長(zhǎng)的寬域分布。（波段范圍擴(kuò)展從可見光、近紅外、發(fā)展到中遠(yuǎn)紅外、微波）遙感的發(fā)展趨勢(shì)1718（2）大、中、小衛(wèi)星相互協(xié)同，高、中、低軌道相結(jié)合，在時(shí)間分辨率上從幾小時(shí)到18天不等，形成一個(gè)不同時(shí)間分辨率互補(bǔ)系列。

（不同時(shí)間分辨率互補(bǔ)）19衛(wèi)星相互協(xié)同20正在使用的傳感器有：

MODIS（EOS）,MISR（Terra）,ASTER（Terra）,ADEOS…

新的傳感器產(chǎn)生，正在研制的有：EO-1233bandsOrbView-4ARIES(Australia)2122（3）機(jī)載三維成像儀和干涉合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展和應(yīng)用，將地面目標(biāo)由二維測(cè)量為主發(fā)展到三維測(cè)量。（多角度遙感）（4）各種新型高效遙感圖像處理方法和算法將被用來解決海量遙感數(shù)據(jù)的處理、校正、融合和遙感信息可視化。（海量遙感數(shù)據(jù)處理、融合）23（5）遙感分析技術(shù)從“定性”向“定量”轉(zhuǎn)變，定量遙感成為遙感應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)。（遙感從定性到定量分析）（6）建立適用于遙感圖像自動(dòng)解譯的專家系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)遙感圖像專題信息提取自動(dòng)化。（遙感圖像自動(dòng)解譯的專家系統(tǒng)）（7）3S一體化24（8）隨著高空間分辨力新型傳感器的應(yīng)用，遙感圖像空間分辨率從1KM、500m、250m、80m、30m、20m、10m、5m發(fā)展到1m，軍事偵察衛(wèi)星傳感器可達(dá)到15cm或者更高的分辨率?？臻g分辨率的提高，有利于分類精度的提高，定位和目標(biāo)識(shí)別，但也增加了計(jì)算機(jī)分類的難度。

（空間分辯率越來越高）25遙感上的“雙高”：光譜分辨率與空間分辨率的提高是遙感技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。空間分辨率：◆1960年美國發(fā)射了TIROS-1和NOAA-1太陽同步衛(wèi)星◆1972年ERTS-1發(fā)射（后改名為L(zhǎng)andsat-1），裝有MSS傳感器，分辨率79米◆1982年Landsat-4發(fā)射，裝有TM傳感器，分辨率提高到30米◆1986年法國發(fā)射SPOT-1，裝有PAN和XS傳感器，分辨率提高到10米◆1988年9月7日中國發(fā)射的第一顆“風(fēng)云1號(hào)氣象衛(wèi)星”◆1999年美國發(fā)射的IKNOS，空間分辨率提高到1米◆1999年10月14日中國成功發(fā)射資源衛(wèi)星1號(hào)2627遙感的商業(yè)化美國海軍EP-3偵察機(jī)，IKONOS228（9）高光譜遙感的發(fā)展，使得遙感的波段寬度從早期的0.4

（黑白攝影）、0.1（多光譜掃描）到5nm（成像光譜儀），遙感器波段寬度窄化，針對(duì)性更強(qiáng)，可以突出特定地物反射峰值波長(zhǎng)的微小差異；同時(shí)，成像光譜儀等的應(yīng)用，提高了地物光譜分辨力，有利于區(qū)別各類物質(zhì)在不同波段的光譜響應(yīng)特性。

（光譜分辯率越來越高）29按傳感器的探測(cè)波段分：紫外遙感：50-380nm可見光遙感：380-760nm紅外遙感：760-1000nm微波遙感：1000nm-10m多波段遙感：指探測(cè)波段在可見光波段和紅外波段范圍內(nèi)，再分成若干窄波段來探測(cè)。高光譜遙感：指探測(cè)波段在可見光波段和紅外波段范圍內(nèi)，再分成若干非常窄的光譜連續(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(gè)非常窄的光譜波段信息。30高光譜成像遙感技術(shù)的發(fā)展是20世紀(jì)80年代遙感技術(shù)的最大成就之一。◆

20世紀(jì)70年代初美國發(fā)射的陸地衛(wèi)星僅有4個(gè)波段，其平均光譜分辨率為150nm；◆

80年代的TM則增加到7個(gè)波段，在可見光到近紅外光譜范圍的平均光譜分辨率為137nm；◆法國SPOT衛(wèi)星的多光譜波段的光譜分辨率為87nm。1987年研制成功的航空可見光/紅外光成像光譜儀◆

AVIRIS為成像光譜儀的第二代產(chǎn)品。AVIRIS是首次測(cè)量全部太陽輻射光譜范圍（400-2500nm）的成像光譜儀，共有224個(gè)通道。◆我國第一臺(tái)224波段推帚式高光譜成像儀PHI與128波段實(shí)用型模塊化機(jī)載成像光譜儀OMIS已研制成功并進(jìn)行了多次成功地航空遙感實(shí)驗(yàn)。31高光譜遙感成像過程32光譜信息直觀的表示一幅傳統(tǒng)的遙感圖象數(shù)據(jù)，對(duì)于某一點(diǎn)的光譜特征最直觀的表達(dá)方式就是二維的光譜曲線，如圖所示，用直角坐標(biāo)系表示光譜數(shù)據(jù)，橫軸表示波長(zhǎng)，縱軸表示反射率，那么地物的特性可以從曲線中獲得，比如吸收特征可以從曲線的極小值中獲取。33光譜曲線表達(dá)對(duì)于高光譜數(shù)據(jù)中的每一個(gè)點(diǎn)，最直觀的表達(dá)方式是二維的光譜曲線，波長(zhǎng)作為橫坐標(biāo)，反射率作為縱坐標(biāo)，通過對(duì)不同波長(zhǎng)離散點(diǎn)的插值，獲取到光滑的曲線。34光譜連續(xù)、圖譜合一1.高光譜遙感定義35電磁波的范圍36可見光是電磁波的一部分。極小一部分。不同的波段有不同的物理反射和透射性質(zhì)。。更寬范圍的電磁波的探測(cè)和解釋需要進(jìn)行不斷地研究可見光波長(zhǎng)電磁波頻率范圍36高光譜遙感的概念高光譜分辨率遙感（Hyperspectralremotesensing）：是指用很窄（10-2波長(zhǎng)）而連續(xù)的光譜通道對(duì)地物持續(xù)遙感成像的技術(shù)。從可見光到短波紅外波段其光譜分辨率高達(dá)納米數(shù)量級(jí)，通常具有波段多的特點(diǎn)，光譜通道多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)以上，而且各光譜通道之間往往是連續(xù)的，因此高光譜遙感又通常被稱為成像光譜（ImageSpectrometry）遙感。37382、高光譜遙感的特點(diǎn)一般認(rèn)為，光譜分辨率在10-1λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的遙感稱為多光譜(Multi-spectral)遙感，光譜分辨率在10-2λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的遙感稱為高光譜(Hyper-spectral)遙感，光譜分辨率在10-3λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的遙感稱為超光譜(Ultra-spectral)遙感。39高光譜影像可以反映出在多光譜影像中難以表達(dá)的光譜近似物質(zhì)的細(xì)微光譜差異。40高光譜影像可以完整地反映不同地物的診斷性光譜特征高光譜影像地物光譜曲線41成像光譜儀為每個(gè)像元提供數(shù)十個(gè)至數(shù)百個(gè)窄波段的光譜信息，每個(gè)像元都能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。這就是高光譜遙感與常規(guī)遙感的主要區(qū)別。常規(guī)遙感的局限：波段太少；光譜分辨率太低；波段寬一般>100nm；波段在光譜上不連續(xù)，不能覆蓋整個(gè)可見光至紅外光(0.4~2.4nm)光譜范圍。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)。常規(guī)遙感與高光譜遙感對(duì)比42431、波段多——可以為每個(gè)像元提供幾十、數(shù)百甚至上千個(gè)波段；2、光譜范圍窄——波段范圍一般小于10nm；3、波段連續(xù)——有些傳感器可以在350~2500nm的太陽光譜范圍內(nèi)提供幾乎連續(xù)的地物光譜；4、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；5、信息冗余增加——由于相鄰波段高度相關(guān)，冗余信息也相對(duì)增加。特點(diǎn)小結(jié)：44高光譜遙感影像數(shù)據(jù)的一個(gè)重要特征是超多波段和大數(shù)據(jù)量，對(duì)它的處理也就成為其成功應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。一些針對(duì)傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)的圖像處理算法和技術(shù)，如：特征選擇與提取、圖像分類等技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。如：用于特征提取的主分量分析方法，用于分類的最大似然法、用于求植被指數(shù)的NDVI算法等等，不能簡(jiǎn)單地直接應(yīng)用于高光譜數(shù)據(jù)。453、如何處理高光譜遙感數(shù)據(jù)？高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展來自于成像技術(shù)的不斷完善，成像光譜儀有其獨(dú)特的優(yōu)越性，但同時(shí)海量數(shù)據(jù)也給應(yīng)用和分析帶來了不便。在成像光譜儀的遙感應(yīng)用研究當(dāng)中，我們可以把方法分為兩類：46（1）基于成因分析的光譜分析方法基于成因分析的方法主要從地物光譜特征上發(fā)現(xiàn)表征地物的特征光譜區(qū)間和參數(shù)，最常用的是各種各樣的植被指數(shù)。成像光譜儀問世以后，許多研究人員沿用了這種方法，用成像光譜儀數(shù)據(jù)的高光譜分辨率，選取影像的波段，發(fā)展了許多更為精細(xì)的植被指數(shù)。一、基于純像元的分析方法:47（2）基于統(tǒng)計(jì)分析的圖像分類和分析

基于統(tǒng)計(jì)分析的圖像分類和分析視每一波段的圖像為隨機(jī)變量，然后利用概率統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行多維隨機(jī)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(shù)據(jù)的維數(shù)。面對(duì)數(shù)百個(gè)波段的數(shù)據(jù)，如果全部用于分類研究，在時(shí)間上往往是無法接受的。因此在圖像分類之前必須壓縮波段，即進(jìn)行“降維”的研究。48二、基于混合像元的分析方法由于傳感器空間分辨率的限制以及地物的復(fù)雜多樣性，混合像元普遍存在于遙感圖像中，地面地物分布比較復(fù)雜的區(qū)域尤其如此。如果將該像元?dú)w為一類，勢(shì)必會(huì)帶來分類誤差，導(dǎo)致分類精度下降，不能反映地物的真實(shí)覆蓋狀況。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迎且使用最多的一種模型，其突出優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單。

49總結(jié)起來，高光譜分辨率遙感信息的分析與處理，側(cè)重于從光譜維角度對(duì)遙感圖像信息進(jìn)行展開和定量分析，其圖像處理模式的關(guān)鍵技術(shù)，例如：(1)光譜重建，即：成像光譜數(shù)據(jù)的定標(biāo)、定量化和大氣糾正模型與算法，恢復(fù)地物光譜的真實(shí)面目；(2)光譜編碼，尤其指：光譜吸收位置、深度、對(duì)稱性等光譜特征參數(shù)的算法；(3)基于光譜數(shù)據(jù)庫的地物光譜匹配識(shí)別算法；(4)混合光譜分解模型；(5)基于光譜模型的地表生物物理化學(xué)過程與參數(shù)的識(shí)別和反演算法504、高光譜的應(yīng)用（1）海洋遙感方面。由于中分辨率成像光譜儀具有光譜覆蓋范圍廣、分辨率高和波段多等許多優(yōu)點(diǎn)，因此已成為海洋水色、水溫的有效探測(cè)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(cè)，也可用于海冰、海岸帶等的探測(cè)。

51遙感器：航天高光譜遙感器CHRIS日期：2005年10月18日區(qū)域：太湖梅梁灣方法：光譜指數(shù)分類（水華）矩陣反演（葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)）專題圖：水華、葉綠素a、懸浮物、黃色物質(zhì)假彩色合成圖6水質(zhì)參數(shù)反演分析方法研究大氣校正和實(shí)測(cè)光譜的比較水質(zhì)參數(shù)反演示例水華分布圖葉綠素a濃度分布圖黃色物質(zhì)濃度分布圖懸浮物濃度分布圖基于生物光學(xué)模型的水質(zhì)參數(shù)反演方法52基于MODIS監(jiān)測(cè)太湖水華時(shí)空分布

2007年5月19日太湖出現(xiàn)靜風(fēng)天氣，湖面頓時(shí)浮現(xiàn)大量藻類，無錫市2個(gè)主要水源廠（牽龍口水源廠和南泉水源廠）周圍被大量水華覆蓋。此后在持續(xù)的南風(fēng)與西南風(fēng)作用下，太湖大量藻類在北沿岸長(zhǎng)時(shí)間堆積。最終導(dǎo)致2007年5月29日無錫市飲用水危機(jī)。53五、問題分析2007年4月－10月共計(jì)81天的水華分布圖54（2）植被研究方面。植被中的非光合作用組分用傳統(tǒng)寬帶光譜無法測(cè)量，而用高光譜對(duì)植被組分中的非光合作用組分進(jìn)行測(cè)量和分離則較易實(shí)現(xiàn)。因此，可以通過高光譜遙感定量分析植冠的化學(xué)成分，監(jiān)測(cè)由于大氣和環(huán)境變化引起的植物功能的變化。植被應(yīng)用方面還有許多成功的實(shí)例，如作物類型識(shí)別（Collins等，1978），森林樹種識(shí)別（宮鵬等，1998），植被荒漠化研究（葉榮華等，2001），等等。55植物參數(shù)分析1、改進(jìn)的歸一化植被指數(shù)（NDVI）2、葉面積指數(shù)（LAI）3、吸收的光合有效輻射(APAR)。是指被作物冠層截獲的光合有效輻射，即直接用于光合作用的能量。4、植物的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)等56（3）精細(xì)農(nóng)業(yè)方面。土壤的水分含量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤粗糙度等特性是精細(xì)農(nóng)業(yè)中重要的信息，而傳統(tǒng)遙感技術(shù)無法提供這些信息。高光譜遙感憑借其極高的光譜分辨率為精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)保障和數(shù)據(jù)來源。高光譜遙感應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè)已經(jīng)有許多成功的例子，例如，劉衛(wèi)東（2002）利用高光譜提取了土壤信息。利用高光譜遙感技術(shù)，可以快速精確地獲取作物生長(zhǎng)狀態(tài)以及環(huán)境脅迫下的各種信息，從而相應(yīng)調(diào)整投入物資的施入量，達(dá)到減少浪費(fèi)、增加產(chǎn)量，保護(hù)農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境質(zhì)量的目的。高光譜遙感是未來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。57精細(xì)農(nóng)業(yè)58Discriminationprecisionofricesamples:94.9%5960高相似低相似Hyperspectralspatialvectoranalysisandapplications日本大白菜光譜向量:T＝(t1,t2,...tn),R=(r1,r2,...rn)61加拿大機(jī)載成像光譜儀（CASI）6263（4）在地質(zhì)調(diào)查方面。地質(zhì)是高光譜遙感應(yīng)用中最成功的一個(gè)領(lǐng)域。如利用航空高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)填圖和巖石鑒別，可以識(shí)別出地表不同礦物質(zhì)的診斷性特性。因?yàn)橐话愕V物質(zhì)的光譜吸收峰寬度為30nm左右，只有利用光譜分辨率小于30nm的傳感器才能夠識(shí)別出來。高光譜遙感已經(jīng)在地質(zhì)領(lǐng)域扮演了重用角色。王青華等人仔細(xì)分析了國產(chǎn)MAIS光譜儀對(duì)河北省張家口地區(qū)的高光譜遙感數(shù)據(jù)，指出可以借助高光譜豐富的光譜信息，依據(jù)實(shí)測(cè)的巖石礦物波譜特征，對(duì)不同巖石類型進(jìn)行直接識(shí)別，達(dá)到直接提取巖性的目的。64Mineralspectralabsorptionindexs2r2rr1s1m21m礦物光譜吸收指數(shù)(SAI)：石灰?guī)r白云巖石灰?guī)r(CaCO3):

SAI2.315m<SAI2.330

m

白云巖

(MgCO3):

SAI2.315

m>SAI2.330

m

新疆柯坪地區(qū)巖性填圖65礦物成圖6667（5）在大氣和環(huán)境遙感方面。大氣中的分子和粒子成分在太陽反射光譜中有強(qiáng)烈反應(yīng)，常規(guī)寬波段遙感方法無法識(shí)別出由于大氣成分的變化而引起的光譜差異，高光譜由于波段很窄，能夠識(shí)別出光譜曲線的細(xì)微差異。68