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說起MoonObserving嫦娥一號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)用遙感遙遠的感知廣義：在不直接接觸的情況下，對目標或各種現(xiàn)象進行遠距離定量探測的技術(shù)。狹義：在航天或航空平臺上，運用傳感器（可見光、紅外、微波等）對地球觀測，接收并記錄電磁波信號，根據(jù)電磁波與地表物體的作用機理及對探測目標的電磁特性進行分析，進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)，為每個像元提供數(shù)十至數(shù)百個窄波段（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。20世紀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個別達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輻射與大氣和地表物質(zhì)相互作用太陽輻射與大氣和地表物質(zhì)相互作用太陽輻射穿過大氣時，會受到大氣對其產(chǎn)生的散射、折射、吸收。散射：對遙感來說為雜散光，應(yīng)濾除。吸收：產(chǎn)生大氣窗口。電磁輻射到達地表時，會發(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。吸收：改變地表溫度，進而形成地表自身的熱輻射（地球輻射的長波部分）探測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比較是遙感識別地物的重要方法。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，是指探測器在波長方向上的記錄寬度，被定義為儀器在達到50%光譜響應(yīng)時的波長寬度。空間分辨率，由儀器的角分辨力，即儀器的瞬時視場角決定。遙感器的瞬時視場角是指遙感系統(tǒng)在某一瞬間，探測單元對應(yīng)的瞬時視場。決定了地面像元大小。儀器的視場角，與系統(tǒng)平臺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，信號與噪聲的比。探測器的凝視時間，探測器的瞬時視場角掃過地面分辨單元的時間稱為凝視時間，其大小為行掃描時間與每行像元數(shù)的比值，凝視時間越長，進入探測器的能量越多。成像光譜儀分類按成像原理：棱鏡/光柵色散型、干涉型、濾光片型、計算機層析、二元光學(xué)元件、三維成像按成像手段：線列探測器加光機掃描型、面陣探測器加空間掃描型、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：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空間

xyλ二維的光譜曲線為了表達圖像上某一像元的光譜特征，引入二維的光譜曲線，對于一列像元可進一步形成光譜曲面。高光譜圖像的預(yù)處理成像光譜儀的標定，要建立成像光譜儀每個探測元件輸出的數(shù)字量化值與它所對應(yīng)像元內(nèi)的實際地物的輻射亮度值之間的定量關(guān)系（實驗室標定、機上或星上標定、場地標定）標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輻射與大氣、地物復(fù)雜作用的結(jié)果（統(tǒng)計學(xué)模型、大氣輻射傳輸理論模型）標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，置于各種平臺的遙感器在對地觀測的過程中，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（基于地面控制點的幾何精糾正、基于平臺姿態(tài)參數(shù)的幾何精糾正）標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與目標識別分類是把相同的聚在一起把不同的分開，識別是圖像與地物類型的映射。高光譜遙感科學(xué)技術(shù)最大的優(yōu)點體現(xiàn)在對地物的識別能力上。目標識別中兩個最重要的環(huán)節(jié)：一是目標標準光譜數(shù)據(jù)庫的建立，二是高光譜圖像的定量化處理?；旌舷裨獑栴}？依靠算法，高光譜在混合像元分解方面有優(yōu)勢。紅葡萄李子桔子草莓紅蘋果櫻桃梨青葡萄高光譜的應(yīng)用

EveninmedicinesecurityweatherreportGISAndmanyotherareasAgriculturePrecisionagricuture依靠參數(shù)反演來獲取作物長勢、水肥虧缺狀況、營養(yǎng)組分含量、品質(zhì)產(chǎn)量、病蟲害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遙感發(fā)現(xiàn)蝕變帶，以確定找礦的靶區(qū)。同時，通過對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植被的侵蝕，會引起植被的病變，使得植被近紅外高反射峰就會向短波方向移動5-20納米，成為“紅邊藍移”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、有色溶解性有機物濃度等大氣監(jiān)測氣溶膠、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、風(fēng)速