高光谱遥感技术与应用讲座

高光谱遥感技术与应用田庆久（025-83597317;[e-mail]）南京大学国际地球系统科学研究所2010年1月15日---高光谱遥感讲座---引言基本概念优势与局限遥感器发展遥感成像方式处理与分析技术应用领域应用示例展望目录一、引言遥感对地观测技术已从可见光发展到红外、微波，从单波段延伸到多波段、高光谱、多极化、多角度，从空间维拓宽到光谱维；从定性发展到定位、定量，从分散发展到集成，一个多层、立体、多角度、全方位和全天候的对地观测网正在形成。近10年中，高、中、低轨道结合；大、中、小卫星协同；粗、中、细、精分辨率互补的全球综合信息网络系统已具雏形。空间遥感器系统也变得日趋复杂，向具有更高空间分辨率、光谱分辨率、高时间分辨率和辐射分辨率，以及具有偏振（极化）信息提取能力和多时相、多用途的方向发展。遥感技术已成为一种满足持续发展过程中连续、动态、不同尺度、不同精度和不同层次的信息需求的必要手段。应用愈加广泛和深入。资源、环境、生态、矿产、农业、城镇、全球变化以及军事等。★Landsat类资源卫星探测器为多波段扫描辐射计，可见光和近红外波段分辨率为5～30米。包括美国的陆地卫星系列、法国的SPOT卫星系列、印度的IRS卫星系列、日本的ALOS系列以及俄罗斯的RESURS01系列等。★高分辨率类资源卫星卫星较小，遥感探测器单一，成像空间分辨率高，其全色波段分辨率为1～5米，有的还优于1米。该类卫星主要有美国的EarlyBird系列、QuickBird系列、Orbview系列、Ikonos系列以及以色列的EROS系列等。★高光谱类资源卫星采用高光谱分辨率成像光谱仪，波段数为36～256个，光谱分辨率5～10nm，空间分辨率为30～1000米。该类卫星有美国的EO-1、Lewis、ASTER、EOS-AM/PM等。★雷达卫星类遥感探测器采用合成孔径雷达，可用于海洋和陆地探测，目前民用星载雷达的空间分辨率为10～30米。该类卫星有加拿大的Radarsat系列、欧空局的ERS系列、ENVISAT系列以及日本的JERS-1卫星等。中国资源调查对资源卫星的重大需求分析★基础地质调查★土地资源调查和管理◆1:25万区域地质调查◆土地利用动态遥感监测◆1:5万专题调查◆土地利用基础图件与数据更新◆水文地质与环境地质调查◆生态环境遥感监测★矿产资源勘查评价★数字国土工程◆油气和固体矿产资源勘查评价◆基础地学数据库建设◆地下水资源勘查评价◆西部生态环境动态监测系统建设◆矿山开发环境监测◆省级国土资源遥感综合调查★地质灾害监测与预警◆县市地质灾害调查与防治区划◆三峡地质环境综合评价与监测预警系统建设◆重点地区缓变性地质灾害的预测预警◆全国重大地质灾害监测网站和预警分析系统建设★基础测绘光谱学（spectroscopy）：是专门研究高精度光谱数据的一门科学。经典光谱学源于IsascNewton（1642-1727）的棱镜分光实验，在这一实验中，通过棱镜把可见光分成了单色光的光谱。后来，另一位名叫WilliamWollaston（1766-1828）的英国物理学家注意到了，当光投影到一个狭缝时产生的暗线。德国的JosephFraunhofer（1787-1826）在太阳和其它星体的光谱中也观察到了明显的线特征。发现暗线是辐射穿过低温气体时形成的吸收光谱；亮线是热气体（例如，太阳大气）的发射辐射形成的发射光谱。这些线，不管是暗线还是亮线，都源于气体中的化学元素。这一发现被天文学家用来研究分析不同星体在化学元素上的差异。丹麦物理学家NeilsBohr（1885-1962）指出，Fraunhofer线的特征最终是由气体中原子的结构所决定的。分为原子光谱、分子光谱、固体（晶格结构）光谱。成像光谱学（imagingspectroscopy）：是在八十年代开始建立的，在传统光谱学基础上，将传统的光谱学和成像技术结合起来，在电磁波的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。这种技术设计出的新型遥感仪器，叫成像光谱仪（imagingspectrometer）。成像光谱仪通常以上百个光谱通道连续记录影像数据。高光谱分辨率成像光谱遥感（HyperspectralRemoteSensing）:将成像光谱技术应用于遥感，对于一个给定的观察区域中的像素，足以从这些探测的数据中获取所对应地物的精细光谱特性，通过分析处理，实现对地物的鉴别及其环境的分析。围绕成像光谱仪所获取数据及其分析处理方法和应用的研究，已形成为遥感中的一个独特领域。由于与常规的多光谱遥感（multispectralremotesensing）相比，成像光谱数据具有通道数量多、光谱分辨率高的显著特点，所以，人们把由此产生的遥感领域称作为高光谱遥感(hyperspectralremotesensing)。与此相对应，有时称常规遥感为宽波段遥感（broad-bandremotesensing），以示区别。特点：光谱分辨率高(×10-2)波段多数十到数百（800），波谱范围大（从紫外到热红外）谱像合一的特点信息量大，一次数据获取达千兆(GB)级数据传输速率高，数十数百兆比特/秒能力：能获取地物目标的精细光谱特征综合地面目标的空间维、时间维、光谱维特征探测各种目标的成分属性及有机目标的状态属性优势：有利于利用光谱特征分析来研究地物有利于采用各种光谱匹配模型有利于地物的精细分类与识别应用领域：各种需识别地面目标的领域地质、农业、城市、环境、军事、太空与行星探测•高光谱遥感主要特点许多地物在可见光至热红外波段内都具有与它们组分有关的光谱吸收特征，而且许多地物的光谱吸收特征具有专一性。矿物中的OH―、CO3=、SO4=及H2O等离子成分在可见至热红外波谱范围内具有强烈吸收特征；植被在0.7μm处的红边存在10—40nm的位移变化而指示一定的环境效应；土质中含较高浓度Cu、Zn等重金属元素可引起植被红边向短波方向移动。而这些精细的光谱特征只有传感器光谱分辨率具有高于10nm灵敏度时才能测到。•遥感信息产生机理400800120016002000240001020304050607080canopyrockwatersoilreflectance(%)wavelenth(nm)图典型地物波谱特性应用高光谱遥感技术对地面物体进行探测，是以各种物体的电磁辐射的反射、透射、吸收和发射特征为基础的。地球表面物体由于其电子，离子、分子以及晶体的振动和转动等物理过程而具有光谱特性。不同的地物由于其组成成分、内部结构和表面状态以及时间、空间环境的不同，它们辐射、反射、吸收和透射电磁波的性能也不同。太阳大气层遥感器吸收角散射天空漫射辐照地气耦合环境反射辐射路径辐射散射目标辐射目标反射透射辐射1.大气-遥感器2.太阳-大气-目标-大气-遥感器3.大气-目标-遥感器4.环境-大气-遥感器5.环境-大气-目标-大气-遥感器目标环境•遥感信息传输过程入瞳辐射扫描系统成象光学探测器电子系统A/D转换DN输出传感器系统滤波或色散元件平台姿态与运动高光谱遥感器接收到入瞳辐射后通过探测器产生电信号，在经过增益和模数转换（A/D）产生遥感影像数值（DN）。遥感器的空间响应、光谱响应和辐射响应决定了输出图像的信息特征。进入传感器的辐射量通过光学系统后，由分光器件分成不同的光谱段后到达探测器焦平面转换为测量值。该测量值的大小直接与探测器的光谱响应率相关，从而又与光学系统的透过率和探测器的光谱灵敏度相关联。dESEs)()(21bEGEss*')),,((bdxdydyxEGINTDN•遥感信息成像机理WIS（WedgeImagingSpectrometer）:光锲型成像光谱仪,分光系统由一块或数快锲型虑光片直接覆盖在面阵探测器上形成.光谱范围400-2500，正常使用有170，如果使用全部锲型虑光片，可以达到800多个波段。高光谱遥感：即高光谱分辨率成像光谱遥感，是基于高光谱分辨率超多波段遥感图像与光谱合一的特点，利用地表物质与电磁波的相互作用及其所形成的光谱辐射、反射、透射、吸收及发射等特征研究地表物体（包括大气），识别地物类型，鉴别物质成分，分析地物存在状态及动态变化的新型光学遥感技术。多光谱遥感（MultirspectralRemoteSensing），光谱分辨率为波长的1/10数量级范围（几十个至几百个nm）；高光谱遥感（HyperspectralRemoteSensing）,光谱分辨率为波长的1/100数量级范围（几个nm）；超光谱遥感（UltraspectralRemoteSensing），光谱分辨率为波长的1/1000数量级范围（0.2-1nm）。二、高光谱遥感基本概念•不同遥感器波段对比00.20.40.60.810.40.91.41.92.4wavelength(um)波长序号123456中心波长（μm）0.5030.5940.6770.8001.7092.200半响应高度光谱范围（μm）0.452~0.5180.528~0.6090.626~0.6930.776~0.9041.567~1.7842.097~2.349TM通道参数TM通道响应函数•TM的多光谱波段特点2160-2220nm•矿物的精细光谱特征•高光谱遥感信息特征高光谱遥感影像包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息，即能表现地物空间展布的几何影像特征，又可以表现像元尺寸地物目标的辐射亮度和光谱信息。地物空间、辐射、光谱信息特征合一是高光谱遥感信息的最主要特点。（波段多；数据量大；图-谱合一）通过遥感信息反演技术可从连续光谱段高光谱遥感影像中任一像元或相临像元组合获得类似实验室测量的相应地物光谱曲线，通过与实验室光谱匹配技术实现地物的计算机自动识别，这是多光谱遥感信息所不能具备的特有能力。巨大的数据量和信息量是高光谱遥感信息的又一主要特点。假如一个有100个通道、地面分辨率为25米、图像幅宽100公里的高光谱遥感器作业，当卫星在地球轨道上以7.5公里/秒的速度运动时，每秒中采集的总像元数目为1.2×108个。如果每一像元的辐射量化为8bit，则一景影像信息为8×1.2×108bit,即每秒中约1Gbit。如此大的数据量为数据传输容量和信息处理技术速度提出更高的要求，推动者数据压缩技术的发展。高光谱遥感信息所表征的辐射量化一般为12bit，即4096个灰阶。为了能够测量到一定波长的辐射变化，辐射量化有时调整为8bit或者16bit。高光谱遥感连续窄波段影像信息间相关性强，因而大多数用户根据实际应用需要对遥感器记录的光谱信息进行重采样，同时减少数据量。高光谱分辨率遥感可探测到地物的精细光谱特征，光谱分辨率的确定面向众多用户，光谱分辨率高于10纳米的遥感器主要面向陆地应用，而低于10纳米的遥感器主要面向水体和大气应用。同时应注意到在多光谱遥感中可忽略的大气微量吸收带可能对窄谱段的高光谱遥感某一波段信息产生很大的不利影响。高光谱遥感信息的图像立方体表达形式是一种新型的数据存储格式，其正面图像是由沿飞行方向的扫描线合沿扫描方向的像元点组成的一景优选的三波段合成的二维空间彩色影像；其后面依次为各单波段的图象叠合，其数据量为所有波段图像的总和；位于图像立方体边缘的信息表达了各单波段图像最边缘各像元的地物辐射亮度的编码值或视反射率。优势1：充分利用地物波谱信息资源三、高光谱遥感技术优势与局限性图不同波谱分辨率对水铝反射光谱曲线优势2：利用波形/精细光谱特征进行分类与识别地物ParagoniteMuscovitePhengite三种类型的白云母精细光谱特征Al-OH岩石的光谱发射率特征优势3：利用图-谱实现自动识别地物并制图局限1：海量数据的传输、处理与存储128波段的OMIS:采集数据速率60Mb/s；400Mb/km2局限2：易受大气的影响局限3：波段间相关性强70年代末，美国加州理工学院喷气推进实验室（JPL）