高光谱 多光谱.docx
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高光谱多光谱
高光谱遥感
高光谱遥感(HyperspectralRemoteSensing)的兴起是20世纪80年代遥感技术发展的主要成就之一,是当前遥感的前沿技术。
高光谱遥感在光谱分辨率上具有巨大的优势,被称为遥感发展的里程碑。
世界各国对此类遥感的发展都十分重视,随着高光谱遥感技术的日趋成熟,其应用领域也日益广泛。
高光谱成像仪系统组成
如上图所示为高光谱成像仪系统。
整个高光谱成像仪系统主要包括高光谱传感器、全球定位系统/惯性导航系统单元、系统电源和数据获取装置;可选器件包括显示器和键盘、PC、独立电源供应设备等。
机载高光谱扫描仪
高光谱传感器
高光谱成像仪
1.定义
高光谱遥感是在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内,利用成像光谱仪获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术。
高光谱遥感具有较高的光谱分辨率,通常达到10~2λ数量级。
2.优势
高光谱具有以下特点:
(1)波段多,波段宽度窄。
成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。
与传统的遥感相比,高光谱分辨率的成像光谱仪为每一个成像象元提供很窄的(一般<10nm)成像波段,波段数与多光谱遥感相比大大增多,在可见光和近红外波段可达几十到几百个,且在某个光谱区间是连续分布的,这不只是简单的数量的增加,而是有关地物光谱空间信息量的增加。
(2)光谱响应范围广,光谱分辨率高。
成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延伸到近红外,甚至到中红外。
成像光谱仪采样的间隔小,光谱分辨率达到纳米级,一般为10nm左右。
精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。
(3)可提供空间域信息和光谱域信息,即“谱像合一”,并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。
在成像高光谱遥感中,以波长为横轴,灰度值为纵轴建立坐标系,可以使高光谱图像中的每一个像元在各通道的灰度值都能产生1条完整、连续的光谱曲线,即所谓的“谱像合一”。
(4)数据量大,信息冗余多。
高光谱数据的波段众多,其数据量巨大,而且由于相邻波段的相关性高,信息冗余度增加。
(5)数据描述模型多,分析更加灵活。
高光谱影像通常有三种描述模型:
图像模型、光谱模型与特征模型。
高光谱遥感的光谱分辨率的提高,使地物目标的属性信息探测能力有所增强。
因此,较之全色和多光谱遥感,高光谱遥感有以下显著优势:
(1)蕴含着近似连续的地物光谱信息。
高光谱影像经过光谱反射率重建,能获取地物近似连续的光谱反射率曲线,与地面实测值相匹配,将实验室地物光谱分析模型应用到遥感过程中。
(2)地表覆盖的识别能力极大提高。
高光谱数据能够探测具有诊断性光谱吸收特征的物质,能够准确区分地表植被覆盖类型、道路的铺面材料等。
(3)地形要素分类识别方法灵活多样。
影像分类既可以采用各种模式识别方法,如贝叶斯判别、决策树、神经网络、支持向量机等,又可以采用基于地物光谱数据库的光谱匹配方法。
分类识别特征,可以采用光谱诊断特征,也可以进行特征选择与提取。
(4)地形要素的定量或半定量分类识别成为可能。
在高光谱影像中,能估计出多种地物的状态参量,提高遥感高定量分析的精度和可靠性。
3.应用
高光谱在以下领域有着广泛的应用:
(1)在植被和生态研究中的应用
高光谱遥感数据能够精确估算关键生态系统过程中的生物物理和生物化学参量,特别是在大尺度上冠层水分、植被干物质和土壤生化参量的精确反演,在生态学研究中有广阔的应用前景。
高光谱遥感还应用于生态环境梯度制图、光合作用色素含量提取、植被干物质信息提取、植被生物多样性监测、土壤属性反演、植被和土地覆盖精细制图、土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化检测、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾害评估等等。
(2)在大气科学研究中的应用
高光谱遥感技术在大气研究中的突出应用是云盖制图、云顶高度与云层状态参数估算、大气水汽含量与分布估算、气溶胶含量估计以及大气光学特性评价等。
利用高光谱数据,在准确探测大气成分的基础上,能提高天气预报、灾害预警等的准确性与可靠性。
(3)在地质矿产中的应用
区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的应用领域之一,也是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。
高光谱遥感能成功地应用于地质领域的主要原因是高光谱遥感有许多不同于宽波段遥感的性质,各种矿物和岩石在电磁波谱上显示的诊断性光谱特征可以帮助人们识别不同矿物成分,高光谱数据能反映出这类诊断性光谱特征。
高光谱遥感在地质成因环境探测、蚀变矿物与矿化带的探测、成矿预测、岩性的识别与分类、油气资源及灾害探测、高光谱植被重金属污染探测等方面也有应用。
(4)在海洋研究中的应用
随着科学技术的发展,高光谱遥感已成为当前海洋遥感前沿领域。
由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点,因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。
它不仅可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测,也可用于海冰、海岸带等的探测。
(5)在农业方面的应用
农业遥感应用中,充分利用高光谱图谱合一的优点,能够精准监测作物长势,为精准农业服务。
高光谱遥感技术在农业遥感应用中的研究取得了较大进展,主要研究包括以下方面:
作物叶片光谱特征研究、作物分类与识别、作物生态物理参数反演与提取、作物养分诊断与监测研究、作物长势监测与产量预测、农业遥感信息模型研究、农业灾害监测。
(6)在军事方面的应用
高光谱影像由于其具有的丰富地面信息,从一开始就被应用于军事领域,并在实际应用中表明这种光谱成像技术在军事上具有很高的应用价值,因而军用卫星上采用这种遥感器的趋势正在快速增长。
在军事侦察、识别伪装方面,它能够根据目标与伪装材料不同的光谱特性,利用成像光谱仪可以从伪装的物体中自动发现目标;在调查武器生产方面,超光谱成像仪不但可探测目标的光谱特性、存在状况,甚至可分析其物质成分,从而可采集工厂产生的烟雾,直接识别其物质成分,判定工厂生产的武器,特别是攻击性武器。
在海军作战方面,目前美国海军设计的超光谱成像仪,可在014μm~215μm光谱范围内提供210个成像光谱数据,可获得近海环境目标的动态特性,例如海水的透明度、海洋深度、海洋大气能见度、海流、潮汐、海底类型、生物发光、海滩特征、水下危险物、油泄漏、大气中水汽总量和次见度卷云等成像数据,这对海军近海作战有十分重大的意义。
(7)在其他领域的应用
高光谱遥感的发展使得人们有能力对城市地物的光谱特性进行深人研究,人们用实验室光谱、地物光谱、航空和航天的高光谱遥感器对城市的光谱进行了一系列的深人分析。
研究的内容包括城市地物的光谱特性及可分性,为城市环境遥感分析及制图提供基础。
一些研究人员利用高光谱数据结合光谱检测算法对城市地物分类进行了研究。
在土壤质量信息监测方面,高光谱遥感主要用于获取土壤质量信息,如土壤有机质的反射光谱特征、土壤水分与土壤反射光谱关系、土壤氧化铁的光谱反射特性等。
通过对土壤理化性质与土壤精细光谱信息的定量分析,进行土壤的特性参数评价。
多光谱遥感
多光谱(Multi-Spectral)是指包含可见光和不可见光的光谱,光谱分辨率在0.1数量级。
和多光谱相比,高光谱的波段更多,更细,高光谱的光谱分辨率在0.01数量级。
多光谱图像是指由电磁波谱中所包含的所有波段电磁波所形成的图像,包括可见光、红外线、紫外线、X射线、γ射线等所形成的影像,广义地说,卫星遥感图像、声波图像以及医学核磁共振图像亦在其中。
多光谱遥感:
将地物辐射电磁波分割成若干个较窄的光谱段,以摄影或扫描的方式,在同一时间获得同一目标不同波段信息的遥感技术。
多光谱遥感不仅可以根据影像的形态和结构的差异判别地物,还可以根据光谱特性的差异判别地物,扩大了遥感的信息量。
航空用的多光谱与陆地卫星所用的多光谱扫描均能得到不同谱段的遥感资料,分谱段的图像或数据可以通过彩色合成或计算机图像处理,获得比常规方法更为丰富的图像,也为地物影像计算机识别与分类提供了可能。
多光谱扫描仪
机载多光谱扫描仪
原理:
不同地物有不同的光谱特性,同一地物则具有相同的光谱特性。
同一地物在不同波段的辐射能量有差别,取得的不同波段图像上有差别。
多光谱扫描仪原理图
陆地卫星的多光谱扫描仪由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器和探测器等组成。
多光谱扫描仪机载原理图
多光谱扫描仪
多波段显示
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