傳感器實(shí)訓(xùn)報(bào)告

常用傳感器實(shí)訓(xùn)報(bào)告高光譜遙感一、實(shí)訓(xùn)目的：1、高光譜遙感技術(shù)的最初應(yīng)用就是在地質(zhì)上，蝕變帶是找礦的重要依據(jù)，同時(shí)，蝕變帶在2.2微米處具有光譜吸收特征，其吸收光譜的半帶寬在10納米到50納米之間。因此，具有10納米光譜分辨率的成像光譜儀就有能力直接通過(guò)遙感發(fā)現(xiàn)蝕變帶，以確定找礦的靶區(qū)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)植被光譜特征的分析也是找礦的依據(jù)，由于礦物中金屬離子對(duì)植被的侵蝕，會(huì)引起植被的病變，使得植被近紅外高反射峰就會(huì)向短波方向移動(dòng)5--20納米，稱為“紅邊藍(lán)移”現(xiàn)象。高光譜遙感就有能力發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。2、人類“鳥(niǎo)瞰”地球的夢(mèng)想催生了遙感這門科學(xué)的興起，高光譜遙感是遙感科學(xué)最前沿的領(lǐng)域。新中國(guó)建立后特別是最近的20多年，中國(guó)的高光譜遙感科技研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，在某些方面的應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了出口。但是，由于缺乏持續(xù)性的支持，我們?cè)趦x器研制方面還處于落后局面。人類鳥(niǎo)瞰地球的夢(mèng)想遙感通俗講就是遙遠(yuǎn)的感知，是通過(guò)電磁波和記錄的相互作用，以波谷和空間兩維成像的方式來(lái)勘測(cè)記錄的技術(shù)。3、高光譜(hyperspectral)遙感是上世紀(jì)末地球觀測(cè)系統(tǒng)中最重要的技術(shù)突破之一，它克服了傳統(tǒng)單波段、多光譜遙感在波段數(shù)、波段范圍、精細(xì)信息表達(dá)等方面的局限性，以較窄的波段區(qū)間、較多的波段數(shù)量提供遙感信息，能夠從光譜空間中對(duì)地物予以細(xì)分和鑒別，在資源、環(huán)境、城市、生態(tài)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了高光譜遙感技術(shù)的原理，列舉了高光譜技術(shù)的運(yùn)用，以及敘述了其前景與展望。因此學(xué)好高光譜遙感對(duì)我們了解遙感這門學(xué)科有很好的促進(jìn)作用。二、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容：1、高光譜遙感的發(fā)展:、1957年10月，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，拉開(kāi)了人類進(jìn)入航天遙感的序幕，他們把相機(jī)放在衛(wèi)星上，圍著地球轉(zhuǎn)，對(duì)地面進(jìn)行拍攝。1972年，美國(guó)發(fā)射了陸地衛(wèi)星，這是航天遙感的標(biāo)志性事件。二十世紀(jì)八十年代遙感領(lǐng)域最重要的發(fā)展之一就是高光譜遙感的興起。從二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始，高光譜遙感已成為國(guó)際遙感技術(shù)研究的熱門課題和光電遙感的最主要手段［1］。在二十一世紀(jì)，高光譜遙感成為了光電遙感的主要手段。高光譜遙感(HyperSpectralRemoteSensing)克服了傳統(tǒng)單波段、多光譜遙感在波段數(shù)、波段范圍、精細(xì)信息表達(dá)等方面的局限性，以較窄的波段區(qū)間、較多的波段數(shù)量提供遙感信息，能夠從光譜空間中對(duì)地物予以細(xì)分和鑒別，在資源、環(huán)境、城市、生態(tài)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它利用很多窄的電磁波波段獲取物體有關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù)，它可在電磁波的紫外、可見(jiàn)光、近紅外、中紅外以全熱紅外區(qū)域，獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。這樣，在傳統(tǒng)的二維遙感的基礎(chǔ)上增加了光譜維，形成了一種獨(dú)特的三維遙感。對(duì)大量的地球表面物質(zhì)的光譜測(cè)量表明，不同的物體會(huì)表現(xiàn)出不同的光譜反射和輻射特征，這種特征引起吸收峰和反射峰的波長(zhǎng)寬度在5-50左右，其物理內(nèi)涵是不同的分子、原子和離子的晶格振動(dòng)，引起不同波長(zhǎng)的光譜發(fā)射和吸收，從而產(chǎn)生了不同的光譜特征［3］。運(yùn)用具有高光譜分辨率的儀器，通過(guò)獲取圖像上任何一個(gè)像元或像元組合所反映的地球表面物質(zhì)的光譜特性，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的圖像處理，就能達(dá)到快速區(qū)分和識(shí)別地球表面物質(zhì)的目的。2、高光譜數(shù)據(jù)的組成:、高光譜成像獲取的地球表面圖像包含了豐富的空間、輻射和光譜三重信息。高光譜遙感數(shù)據(jù)最主要的特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的圖像維與光譜維信息融合為一體，在獲取地表空間圖像的同時(shí)，得到每個(gè)地物的連續(xù)光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)依據(jù)地物光譜特征的地物成份信息反演與地物識(shí)別。高光譜數(shù)據(jù)是一個(gè)光譜圖像的立方體(見(jiàn)圖一)，它由以下三部分組成：1］空間圖像維：在空間圖像維p高光譜數(shù)據(jù)與一般的圖像相似。一般的遙感圖像模式識(shí)別算法是適用的信息挖掘技術(shù)。2］光譜維：從高光譜圖像的每一個(gè)像元中可以獲得一個(gè)“連續(xù)”的光譜曲線。采用基于光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的“光譜匹配”技術(shù)p可以實(shí)現(xiàn)識(shí)別地物的目的。同時(shí)大多數(shù)地物都具有典型的光譜波形特征，尤其是光譜吸收特征。這些特征與地物化學(xué)成分是密切相關(guān)的，因此對(duì)光譜吸收特征參數(shù)（吸收波長(zhǎng)位置、吸收深度、吸收寬度）的提取將成為高光譜信息挖掘的主要方面。3］特征空間維：高光譜圖像提供的是一個(gè)超維特征空間，挖掘高光譜信息需要深切了解地物在高光譜數(shù)據(jù)形成的N維特征空間中分布的特點(diǎn)與行為。研究發(fā)現(xiàn)，高光譜的高維空間是相當(dāng)空的，數(shù)據(jù)分布不均勻，且趨向于集中在超維立方體空間的角端。典型數(shù)據(jù)的差異性可以映射到一系列低維的子空間，因此迫切需要發(fā)展有效的特征提取算法，以發(fā)現(xiàn)保持重要差異性的低維子空間，從而有效地實(shí)現(xiàn)信息挖掘。就數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征而言，在高光譜數(shù)據(jù)分析中，二次變量（協(xié)方差）扮演著極為重要的角色，因此在分類與信息挖掘中需同時(shí)兼顧一次變量（例如均值）和二次變量，統(tǒng)計(jì)距離測(cè)量將主要采用Bhattacharyya距離算法。由于高光譜特征空間的不均勻性分布，在分類與信息挖掘中要提高分類識(shí)別精度，需要很多的訓(xùn)練樣本及更豐富的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)，以便準(zhǔn)確地確定地物在高光譜超維空間的密度分布函數(shù)。3、高光譜遙感技術(shù)構(gòu)成高光譜遙感技術(shù)是集新型探測(cè)器技術(shù)、精密光學(xué)機(jī)械、微弱信號(hào)探測(cè)、高速信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，是屬于多學(xué)科交叉技術(shù)。主要由高光譜遙感的信息獲取系統(tǒng)一成像光譜儀和高光譜圖像信息處理系統(tǒng)二大部分組成，比較而言，高光譜遙感中比較重要的關(guān)鍵技術(shù)有：3.1新型探測(cè)器焦平面技術(shù)：首光，成像光譜儀的發(fā)展是依賴于探測(cè)器焦平面技術(shù)的發(fā)展.目前世界上用于可見(jiàn)、近紅外波段的硅焦平面探測(cè)器技術(shù)已十分成熟，國(guó)際上已有多種采用面陣CCD的高質(zhì)量成像光譜儀。而紅外波段的成像光譜儀的發(fā)展更是受益于紅外焦平面器件性能的提高，在短波紅外光譜段，目前常用的器件有InSb，HgCdTe等。3.2新型的光譜儀技術(shù)和精密光學(xué)技術(shù)：成像光譜儀中的光譜儀是整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分，和傳統(tǒng)的單色儀相比，成像光譜儀中的光譜儀的光譜分辨本領(lǐng)的要求沒(méi)有這么高，但系統(tǒng)的光學(xué)F數(shù)往往是非常小的，這對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的要求是非常高的。除了光柵和組合棱鏡等色散器件，許多新分光譜技術(shù)也被紛紛采用，目前常用的有傅里葉變換光譜儀、漸變速光片光譜儀、旋轉(zhuǎn)濾光片輪光譜儀、聲光調(diào)制器光譜儀等。3.3高速信號(hào)處理技術(shù)：為了既隨記錄更多的有效信息，又能減少數(shù)據(jù)記錄和傳暢的壓力，正對(duì)成像光潛數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為數(shù)據(jù)處理的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速的發(fā)展，也帶動(dòng)了各種記錄技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是磁帶、磁盤、光盤等設(shè)備，它們的記錄的速度、容量在不斷的上升，而價(jià)格卻在不斷下降，這對(duì)高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展具有很大的促進(jìn)。3.4高光譜遙感數(shù)據(jù)定量化技術(shù)：從高光譜遙感的應(yīng)用要求出發(fā)，數(shù)據(jù)必須從定性的解釋走向定量的計(jì)算，只有這樣才能充分發(fā)揮高光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)越性。因此，成像光譜儀的光譜和輻射定標(biāo)和數(shù)據(jù)的定量化反演就變得非常重要。3.5高光譜遙感信息處理技術(shù)：高光譜遙感數(shù)據(jù)具有多、高、大、快等特點(diǎn)，即波段多（幾十個(gè)到幾百個(gè)），光譜分辨率高（納米數(shù)量級(jí)），數(shù)據(jù)量大（每次處理數(shù)據(jù)一般都在千兆以上），數(shù)據(jù)率高（從每秒數(shù)兆到每秒致百兆）。作為高光譜數(shù)據(jù)的處理，主要要解決以下幾個(gè)技術(shù)重點(diǎn)：海量數(shù)據(jù)的高比例“非失真”壓縮技術(shù)；高光譜遙感數(shù)據(jù)的高速化處理技術(shù)；[3]光譜及輻射量的定量化和歸一化技術(shù)；高光譜遙感數(shù)據(jù)特征圖像提取及三維譜像數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)；［5］地物光譜模型及識(shí)別技術(shù);［6］以及高光譜遙感數(shù)據(jù)在地質(zhì)、農(nóng)盒、植被、海洋、環(huán)境、大氣中應(yīng)用模型的建立。4、農(nóng)業(yè)遙感：一、現(xiàn)代的高光譜遙感技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)能夠動(dòng)態(tài)、快速、準(zhǔn)確、及時(shí)地提供各種對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求生產(chǎn)和資源利用上的“精”和管理發(fā)展上的“準(zhǔn)”。高光譜遙感在農(nóng)業(yè)科研和應(yīng)用技術(shù)上有以下的相關(guān)工作：1、作物個(gè)體生長(zhǎng)狀況與作物葉片光譜關(guān)系的研究；2、利用多時(shí)相的高光譜數(shù)據(jù)提取出光譜物征對(duì)不同植被和作物進(jìn)行識(shí)別和分類；3、對(duì)植被的葉面積指數(shù)、生物量、全氮量、全磷量等生物物理參數(shù)進(jìn)行估算；4、遙感信息模型研究；5、利用植被指數(shù)進(jìn)行地表覆蓋分析或作物長(zhǎng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；二、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)。高光譜遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的發(fā)展有很多趨勢(shì)。用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的新型遙感技術(shù)仍是當(dāng)前研究的主要內(nèi)容之一，它還需要基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建立，GIS支持下農(nóng)作物征兆信息提取和農(nóng)業(yè)診斷系統(tǒng)和MIS，支持下的決策支持系統(tǒng)模型研究。1］精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)；2］高光譜遙感與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的基礎(chǔ)問(wèn)題還有待解決，如環(huán)境脅迫作用下的遙感機(jī)理和遙感標(biāo)志研究，遙感與GIS,的集成對(duì)作物脅迫作用的診斷理論以及作物生長(zhǎng)環(huán)境和收獲產(chǎn)量實(shí)際分布的空間差異性機(jī)理和環(huán)境脅迫作用與產(chǎn)量形成的遙感定量關(guān)系；3］對(duì)植被的葉面積指數(shù)、生物量、全氮量、全磷量等生物物理參數(shù)進(jìn)行分析和估算；4］最具潛力和效益的應(yīng)用前景就是研究作物的光譜特征農(nóng)學(xué)遙感機(jī)理，將其應(yīng)用于遙感估產(chǎn)，做到對(duì)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害的早期診斷和產(chǎn)量的預(yù)報(bào)；5、為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為大農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，高光譜遙感的發(fā)展趨勢(shì)就是遙感信息定量化和“定性”、“定位”一體化快速遙感技術(shù)。遙感信息定量化：1、將遙感信息定量化，實(shí)現(xiàn)全球海量觀測(cè)數(shù)據(jù)的定量管理、分析和預(yù)測(cè)、模擬是當(dāng)前重要的發(fā)展方向之一。遙感技術(shù)的發(fā)展，最終目標(biāo)是解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。遙感信息定量化使高光譜遙感信息的定量分析與應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。高光譜遙感器的光譜分表率已達(dá)數(shù)納米，空間分辨率僅幾米，對(duì)應(yīng)圖像任一像元反演的地物光譜，可與地面實(shí)測(cè)值相比擬，這將便于實(shí)驗(yàn)室地物光譜分析模型直接應(yīng)用到高光譜遙感的處理和分析研究，以及利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行地物的光譜分類和匹配識(shí)別研究。2、遙感信息定量化，將使不同種類光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的信息復(fù)合技術(shù)發(fā)生質(zhì)的飛躍，使復(fù)合后的信息不僅達(dá)到空間分辨率的歸一化，而且其輻射值仍保持著目標(biāo)結(jié)構(gòu)和成分的物理信息，這將在全球變化和全球資源環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)和調(diào)查等應(yīng)用研究中具有重要意義：1］通過(guò)遙感信息的定量化，將定量反演的地物光譜與實(shí)測(cè)值相比較，可對(duì)空中遙感器性能進(jìn)行校驗(yàn)，如波長(zhǎng)漂移、增益、信噪比等性能，以及對(duì)遙感數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。2］通過(guò)遙感信息的定量化，使遙感定量分析專題應(yīng)用模型（如農(nóng)作物估產(chǎn)、土壤濕度和干旱監(jiān)測(cè)、初級(jí)生產(chǎn)力的計(jì)算等模型）具有高質(zhì)量的定量遙感數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù)而加以廣泛地推廣和應(yīng)用?！岸ㄐ浴?、“定位”一體化快速遙感技術(shù):“定性”、“定位”一體化快速遙感技術(shù)現(xiàn)在的遙感系統(tǒng)，主要還是單臺(tái)遙感器為主，仍沒(méi)有“定性”、“定位”一體化的組合遙感器。超多波段、超光譜分辨的成像光譜儀在目標(biāo)識(shí)別方面具有更強(qiáng)的能力，但目標(biāo)圖象的“定位”問(wèn)題卻留給信息處理階段。高光譜遙感應(yīng)用的不斷深入，在“動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)”越來(lái)越成為人們共識(shí)的情況下，發(fā)展高效率的快速遙感技術(shù)就成為必須考慮的問(wèn)題。為此，利用高光譜成像儀目標(biāo)識(shí)別能力很強(qiáng)的同時(shí)，快速實(shí)現(xiàn)圖定位”一體化快速遙感技術(shù)：[2.1]星-機(jī)-地一體化的技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)不同波譜范圍、高空間分辨率、高光譜分辨率等多種遙感數(shù)據(jù)的信息融合，提高識(shí)別精度；[2.2]三維成像儀與地學(xué)編碼圖像的準(zhǔn)確匹配、同步生成；無(wú)控制或極少控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遙感圖像的準(zhǔn)確定位；高效率，縮短遙感作業(yè)周期；6、海洋遙感海洋遙感以光譜能量為載體，傳遞海水水體介質(zhì)和能量的存在形式和變化的信息。海洋遙感的主要研究?jī)?nèi)容有：海岸帶的環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理及海島測(cè)繪；海洋水色監(jiān)測(cè)；海洋動(dòng)力與環(huán)境要素監(jiān)測(cè)。海岸帶環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理主要包括：海岸線及其演變、灘涂和島灘地形地貌、沿岸工程環(huán)境等。海洋水色探測(cè)主要包括：海洋碳通量的研究，認(rèn)識(shí)其控制機(jī)理和變化規(guī)律，例如全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力計(jì)算模型的研究；海洋生態(tài)系統(tǒng)與混合層物理性質(zhì)的關(guān)系研究，例如海洋水色衛(wèi)星的數(shù)據(jù)驗(yàn)證某些數(shù)據(jù)模型所預(yù)測(cè)的浮游植物分布的真實(shí)性。海洋動(dòng)力與環(huán)境要素研究主要包括：海面風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)、潮汐、鋒面等的研究。在海洋遙感中，其光譜信息取決于多種物質(zhì)的復(fù)雜集合體，它包括純水、無(wú)機(jī)鹽、溶解的有機(jī)物質(zhì)、浮游植物、碎屑、礦物性懸浮體等。各種信息重疊干擾，造成各種目標(biāo)物成分的反射模型及其光譜曲線不同，呈現(xiàn)隨機(jī)性，物質(zhì)和能量解釋具有不確定性和時(shí)空的可變性。在利用遙感數(shù)據(jù)提取光譜知識(shí)時(shí)，既不可能逐個(gè)定量地考慮這些因素，也無(wú)法為其產(chǎn)生的綜合效果建立整體分析模型，因此如何確定海水光譜信息中不同成分的貢獻(xiàn)率就顯得尤其重要，而海洋高光譜特性的研究，可以獲得目標(biāo)物的診斷性光譜特性，實(shí)現(xiàn)遙感信息模型參數(shù)或條件約束的確定。7、環(huán)境檢測(cè)遙感技術(shù)在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用發(fā)展很快，現(xiàn)在已可測(cè)出水體的葉綠素含量，泥沙含量，水溫，水色；可測(cè)定的大氣溫度，濕度，CO等主要污染物的濃度分布；可測(cè)定固體廢棄物的堆放量，分布及其影響范圍等，還可以對(duì)環(huán)境污染事故進(jìn)行遙感跟蹤調(diào)查；預(yù)報(bào)事故發(fā)生點(diǎn)，污染面積，擴(kuò)散程度及方向，估算污染造成的損失并提出相應(yīng)的對(duì)策。近幾年來(lái)，隨著全球問(wèn)題的日益突出，具有全球覆蓋，快速，多光譜，大信息的遙感技術(shù)已成為全球環(huán)境變化監(jiān)測(cè)中一種主要的技術(shù)手段。國(guó)際上相繼提出了一系列的全球環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)計(jì)劃遙感在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用有以下幾個(gè)方面：1、水環(huán)境監(jiān)測(cè)：包括水體渾濁度分析；水中懸浮微粒對(duì)入射進(jìn)入水體的光發(fā)生散射和反射，增大水體的反射率。渾濁度的不同的水體其光譜衰減特性也不同，隨著水的渾濁度的增加，衰減系數(shù)增大，最易透過(guò)的波段從0.50um附件向紅色區(qū)移動(dòng)。所以測(cè)定懸沙濃度的最佳波段是0.65-0.8um間，此外，若采用藍(lán)光波段反射率和綠光波段反射率的比值，則可以判斷兩種水體渾濁度的大小。石油污染檢測(cè);由于石油和水體在光譜特征上存在許多差別，因此可以在若干光譜段多能將他們分開(kāi)。此外，還根據(jù)油膜和海水在微波段發(fā)射差異，還可以利用微波輻射測(cè)量?jī)烧吡炼鹊牟顒e，從而顯示出海面油污染分布的情況。城市污水檢測(cè)；在城市污水中含有大量有機(jī)物時(shí)候，當(dāng)有機(jī)物嚴(yán)重污染時(shí)變成黑色，使得水體反射率明顯降低，在黑白相片上呈灰黑或黑色色調(diào)的條帶。使用紅外傳感器，能根據(jù)水中含有的染料，氫氧化合物，酸類等物質(zhì)的紅外輻射光譜弄清楚水污染的狀況。水體污染狀況在彩紅外相片上有很好的顯示，不僅可以直接觀測(cè)到污染物的轉(zhuǎn)移的情況，而且憑借水中泥沙懸浮物和浮游植物的座位判讀指示物，可以追蹤出污染源。水體熱污染調(diào)查；使用紅外傳感器，能根據(jù)熱效應(yīng)的差異有效的探測(cè)出熱污染排放源。熱紅外相片上排熱水口的位子，排放熱水的分布范圍和擴(kuò)散范圍和擴(kuò)散的狀態(tài)都十分明顯。水溫的差別能在在相片上識(shí)別出來(lái)。因此熱紅外圖象能基本上反映熱污染區(qū)溫