高光譜技術(shù)原理及應(yīng)用(朱黎明)

高光譜技術(shù)原理及應(yīng)用朱黎明從嫦娥一號(hào)說(shuō)起MoonObserving嫦娥一號(hào)的高光譜干涉成像光譜儀高光譜技術(shù)什么是高光譜（Hyperspectrum）高光譜技術(shù)的原理（高光譜成像光譜儀、圖像處理）高光譜技術(shù)的應(yīng)用遙感遙遠(yuǎn)的感知廣義：在不直接接觸的情況下，對(duì)目標(biāo)或各種現(xiàn)象進(jìn)行遠(yuǎn)距離定量探測(cè)的技術(shù)。狹義：在航天或航空平臺(tái)上，運(yùn)用傳感器（可見(jiàn)光、紅外、微波等）對(duì)地球觀測(cè)，接收并記錄電磁波信號(hào)，根據(jù)電磁波與地表物體的作用機(jī)理及對(duì)探測(cè)目標(biāo)的電磁特性進(jìn)行分析，進(jìn)而獲取物體特征性質(zhì)及其變化信息的技術(shù)。

什么是高光譜高光譜遙感是指具有高光譜分辨率的遙感科學(xué)和技術(shù)，借助成像光譜儀，能在紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)域、獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)，為每個(gè)像元提供數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段（通常波段寬度<10nm）光譜信息，能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線(xiàn)。20世紀(jì)80年代產(chǎn)生。Hyperspectralimage高光譜與傳統(tǒng)光譜比較傳統(tǒng)光譜高光譜波段數(shù)少非常多分辨率>100nm一般10~20nm個(gè)別達(dá)2.5nm圖譜分離合一通道是否連續(xù)不連續(xù)連續(xù)高光譜與傳統(tǒng)光譜比較高光譜遙感示意圖高光譜的原理物理機(jī)理基爾霍夫定律普朗克輻射定律斯特藩-玻爾茲曼定律維恩定律基本原理太陽(yáng)輻射與大氣和地表物質(zhì)相互作用太陽(yáng)輻射與大氣和地表物質(zhì)相互作用太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣時(shí)，會(huì)受到大氣對(duì)其產(chǎn)生的散射、折射、吸收。散射：對(duì)遙感來(lái)說(shuō)為雜散光，應(yīng)濾除。吸收：產(chǎn)生大氣窗口。電磁輻射到達(dá)地表時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、透射和吸收三種基本作用。反射：得到光譜反射率曲線(xiàn)。吸收：改變地表溫度，進(jìn)而形成地表自身的熱輻射（地球輻射的長(zhǎng)波部分）探測(cè)地物的紅外及微波輻射，并與相同溫度條件下的輻射率曲線(xiàn)比較是遙感識(shí)別地物的重要方法。最終接收=地表反射+大氣散射+地表發(fā)射成像光譜儀示意圖成像光譜儀參數(shù)光譜分辨率，是指探測(cè)器在波長(zhǎng)方向上的記錄寬度，被定義為儀器在達(dá)到50%光譜響應(yīng)時(shí)的波長(zhǎng)寬度。空間分辨率，由儀器的角分辨力，即儀器的瞬時(shí)視場(chǎng)角決定。遙感器的瞬時(shí)視場(chǎng)角是指遙感系統(tǒng)在某一瞬間，探測(cè)單元對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)視場(chǎng)。決定了地面像元大小。儀器的視場(chǎng)角，與系統(tǒng)平臺(tái)高度決定了地面掃描幅寬。調(diào)制傳遞函數(shù)，決定清晰度。信噪比，信號(hào)與噪聲的比。探測(cè)器的凝視時(shí)間，探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)角掃過(guò)地面分辨單元的時(shí)間稱(chēng)為凝視時(shí)間，其大小為行掃描時(shí)間與每行像元數(shù)的比值，凝視時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入探測(cè)器的能量越多。成像光譜儀分類(lèi)按成像原理：棱鏡/光柵色散型、干涉型、濾光片型、計(jì)算機(jī)層析、二元光學(xué)元件、三維成像按成像手段：線(xiàn)列探測(cè)器加光機(jī)掃描型、面陣探測(cè)器加空間掃描型、光譜掃描型、光譜與空間交叉掃描型按空間成像方式：擺掃型、推掃型按工作平臺(tái)：航空、航天擺掃型推掃型圖像立方體在通常顯示的二維圖像的基礎(chǔ)上添加光譜維，就可以形成三維的坐標(biāo)空間

xyλ二維的光譜曲線(xiàn)為了表達(dá)圖像上某一像元的光譜特征，引入二維的光譜曲線(xiàn)，對(duì)于一列像元可進(jìn)一步形成光譜曲面。高光譜圖像的預(yù)處理成像光譜儀的標(biāo)定，要建立成像光譜儀每個(gè)探測(cè)元件輸出的數(shù)字量化值與它所對(duì)應(yīng)像元內(nèi)的實(shí)際地物的輻射亮度值之間的定量關(guān)系（實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定、機(jī)上或星上標(biāo)定、場(chǎng)地標(biāo)定）標(biāo)定大氣輻射校正幾何校正高光譜圖像的預(yù)處理高光譜圖像的大氣輻射校正，遙感器接收到的輻射是太陽(yáng)輻射與大氣、地物復(fù)雜作用的結(jié)果（統(tǒng)計(jì)學(xué)模型、大氣輻射傳輸理論模型）標(biāo)定大氣輻射校正幾何校正高光譜圖像的預(yù)處理高光譜圖像的幾何校正，置于各種平臺(tái)的遙感器在對(duì)地觀測(cè)的過(guò)程中，受大氣環(huán)境、地球自傳、地球曲率、地表起伏、傳感器工作模式、平臺(tái)狀況等多種因素的影響，使獲取的遙感影像存在一定的幾何畸變（基于地面控制點(diǎn)的幾何精糾正、基于平臺(tái)姿態(tài)參數(shù)的幾何精糾正）標(biāo)定大氣輻射校正幾何校正高光譜圖像的光譜分析技術(shù)數(shù)據(jù)量過(guò)大！與高光譜遙感的硬件發(fā)展相比,高光譜數(shù)據(jù)的處理技術(shù)顯得相對(duì)滯后！特征選擇和特征提取光譜特征的選擇與提取

光譜特征參量化高光譜圖像分類(lèi)與目標(biāo)識(shí)別分類(lèi)是把相同的聚在一起把不同的分開(kāi)，識(shí)別是圖像與地物類(lèi)型的映射。高光譜遙感科學(xué)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在對(duì)地物的識(shí)別能力上。目標(biāo)識(shí)別中兩個(gè)最重要的環(huán)節(jié)：一是目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，二是高光譜圖像的定量化處理?；旌舷裨獑?wèn)題？依靠算法，高光譜在混合像元分解方面有優(yōu)勢(shì)。紅葡萄李子桔子草莓紅蘋(píng)果櫻桃梨青葡萄高光譜的應(yīng)用

EveninmedicinesecurityweatherreportGISAndmanyotherareasAgriculturePrecisionagricuture依靠參數(shù)反演來(lái)獲取作物長(zhǎng)勢(shì)、水肥虧缺狀況、營(yíng)養(yǎng)組分含量、品質(zhì)產(chǎn)量、病蟲(chóng)害Agriculture不同成熟度的水稻和不同深淺的水域Mineralexploration蝕變帶是找礦的重要依據(jù)，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，成為“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。Mineralexploration黃鐵礦黃鉀鐵礬礦針鐵礦和黃鉀鐵礬針鐵礦赤鐵礦Otherusages水質(zhì)監(jiān)測(cè)水質(zhì)生態(tài)狀況、水溫分布、葉綠素分布、懸浮物濃度、有色溶解性有機(jī)物濃度等大氣監(jiān)測(cè)氣溶膠、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、風(fēng)速