高光谱成像

课堂汇报：高光谱成像成像技术的发展2实例34一、高光谱成像的基本概念二、成像光谱仪的空间成像方式三、成像光谱仪的光谱成像方式51.光谱仪、成像仪、辐射计之间的关系一、高光谱成像的基本概念光谱仪成像仪辐射计光谱维信息空间维信息辐射能信息光谱分辨能力二维成像能力辐射分辨能力6大理石在不同观测天顶角发射率的变化情况0.20.30.40.50.60.70.80.9189101112波长(um)发射率75604530150一、高光谱成像的基本概念光谱仪（光谱信息）成像仪（空间信息）辐射计（辐射信息）成像光谱仪光谱辐射仪成像辐射仪72.光谱分辨率一、高光谱成像的基本概念•光谱分辨率（SpectralResolution）指探测器在波长方向上的记录宽度，又称波段宽度（Bandwidth）。8下图所示，纵坐标（Y轴）为探测器的光谱响应，它是横坐标（X轴）所代表的波长的函数。光谱分辨率被严格定义为仪器在达到50%光谱响应时的波长宽度。一、高光谱成像的基本概念2.光谱分辨率9一、高光谱成像的基本概念•空间分辨率(SpatialResolution)成像光谱仪的空间分辨率是由仪器的角分辨力（AngularResolvingPower）,即仪器的瞬时视场角（InstantaneousFieldofView,IFOV）决定的。3.空间分辨率10地面扫描幅宽__仪器的视场角（FieldofView，FOV）仪器的视场角是仪器扫描镜在空中扫过的角度，它与系统平台高度决定了地面扫描幅宽（GroundSwath，GS）一、高光谱成像的基本概念4.仪器的视场角11HGroundSwathlineGS=2.tg(FOV/2).H4.仪器的视场角12•瞬时视场角(IFOV)较小，可以获得较高的空间分辨率。•仪器的视场角(FOV)较大，可以获得较宽的地面扫描幅宽。因此，在仪器设计时，FOV和IFOV是必须考虑的重要参数。4.仪器的视场角135.调制传递函数高光谱成像仪光学成像中既有普通意义上的光学系统，如望远镜系统、光谱仪系统。也有如线列光纤狭缝和面阵探测器一类的离散采样系统。还存在系统之间的耦合等因素。146.信噪比•信噪比（SignalNoiseRatio,SNR）是传感器所采集到的信号和噪声之比，是传感器的一个极其重要的性能参数。•信噪比的高低直接影响图像的分类和图像目标的识别等处理效果。•信噪比与空间分辨率、光谱分辨率是相互制约的，提高空间分辨率或者光谱分辨率都会降低信噪比，须综合取舍。157.探测器凝视时间•探测器的瞬时视场角扫过地面分辨单元的时间称为凝视时间（dwelltime）。探测器的凝视时间在数值上等于行扫描时间除以每行的像元个数。探测器的凝视时间长短对成像质量有哪些影响？凝视时间越长，进入探测器的能量越多，光谱响应越强，图像信噪比越高。16一、高光谱成像的基本概念二、成像光谱仪的空间成像方式三、成像光谱仪的光谱成像方式高光谱技术17三、成像光谱仪的空间成像方式•空间成像方式与光谱成像方式•空间成像方式是指从影像二维空间形成的角度考察成像光谱仪的工作方式。•光谱成像方式是指从光谱维数据形成的角度考察成像光谱仪的工作方式。181.摆扫型成像光谱仪二、成像光谱仪的空间成像方式摆扫型(Whiskbroom)成像光谱仪由光机左右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像，其线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维获取。19原理二、成像光谱仪的空间成像方式•45斜面的扫描镜（RotatingScanMirror）•电机(ElectricMotor)进行360旋转•旋转水平轴与遥感平台前进方向平行•扫描镜扫描运动方向与遥感平台运动方向垂直1.摆扫型成像光谱仪20二、成像光谱仪的空间成像方式•光学分光系统形成色散光源再汇集到探测器(Detectors)上。这样成像光谱仪所获取的图像就具有了两方面的特性：光谱分辨率与空间分辨率。1.摆扫型成像光谱仪原理21可以达到很大的视场角(FOV可达90度)二、成像光谱仪的空间成像方式像元配准好，不同波段在任何时刻都凝视同一像元。在每个波段只有一个探测器元件需要定标，增强了数据的稳定性。进入物镜后再分光，波段范围可以做得很宽。•视场角•像元配准•定标•波段范围1.摆扫型成像光谱仪优点22由于采用光机扫描，每个像元的凝视时间很短，要进一步提高光谱分辨率和信噪比比较困难。二、成像光谱仪的空间成像方式1.摆扫型成像光谱仪不足232.推扫型成像光谱仪•推扫型成像光谱仪采用一个面阵探测器，其垂直于运动方向在飞行平台向前运动中完成二维空间扫描；平行于平台运动方向，通过光栅和棱镜分光，完成光谱维扫描。它的空间扫描方向就是遥感平台运动方向（Along-trackScanning）。二、成像光谱仪的空间成像方式24二、成像光谱仪的空间成像方式•垂直于运动方向完成空间维扫描。2.推扫型成像光谱仪原理25二、成像光谱仪的空间成像方式•平行于运动方向完成光谱维扫描。原理2.推扫型成像光谱仪26二、成像光谱仪的空间成像方式2.推扫型成像光谱仪27二、成像光谱仪的空间成像方式•凝视时间•空间分辨率和光谱分辨率•仪器体积像元凝视时间仅仅取决于平台运动的地速，因而凝视时间大大增强。相对于摆扫型成像光谱仪，凝视时间可提高近千倍。由于像元凝视时间增强，空间分辨率和光谱分辨率也得到提高。由于没有光机扫描运动设备，仪器的体积较小。2.推扫型成像光谱仪优点28二、成像光谱仪的空间成像方式•视场角•定标由于探测器件尺寸和光学设计的困难，总视场角不可能很大，一般只能达到30度左右。一次需要对上万个探测器元件进行定标，增加了处理负荷和不稳定因素。2.推扫型成像光谱仪不足29高光谱技术一、高光谱成像的基本概念二、成像光谱仪的空间成像方式三、成像光谱仪的光谱成像方式30三、成像光谱仪的光谱成像方式将进入探测器的能量分解为不同波长的电磁波。•光谱成像方式要解决的问题是什么？主要的光谱成像方式：•色散型（简单）•干涉型（难点）•其它类型311.棱镜、光栅色散型成像光谱仪三、成像光谱仪的光谱成像方式•色散型成像光谱技术出现较早，技术比较成熟。•入射的辐射能经过光学系统准直后，经棱镜和光栅狭缝色散，由成像系统将色散后的光能按照波长顺序成像在探测器的不同位置上。32三、成像光谱仪的光谱成像方式•摆扫条件下光谱色散原理二维影像空间上一个点色散为一条线一维灰度集合1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪33三、成像光谱仪的光谱成像方式•推扫条件下光谱色散原理二维影像空间上一条线色散为多条线二维灰度集合附图ZKYP52-21.棱镜、光栅色散型成像光谱仪34•色散型光谱成像方式的特点•原理直接，结构简单（折射率不同）•光谱维信息易于确定（色散像按波长线性分布在像面上）三、成像光谱仪的光谱成像方式1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪352.干涉成像光谱仪四、成像光谱仪的光谱成像方式干涉成像光谱仪并不直接分光，而是生成各种光程差条件下的干涉图，再根据干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，得到光谱图。已知什么？不同光程差条件下的干涉图要得到什么？不同波长对应的光谱图36时间调制与空间调制•基本原理—干涉与光谱的转换•获得干涉影像的方法不同三、成像光谱仪的光谱成像方式时间调制动态生成干涉影像空间调制静态生成干涉影像2.干涉成像光谱仪37•迈克尔逊型干涉成像光谱仪结构三、成像光谱仪的光谱成像方式附图ZKYP53二光束是从同一入射光束分割出来的二光束在探测器上相遇时，必然会产生干涉图样。固定镜动镜2.干涉成像光谱仪382.干涉成像光谱仪三、成像光谱仪的光谱成像方式39•滤光片型成像光谱仪三、成像光谱仪的光谱成像方式图zkyp573.其它类型成像光谱仪40•二元光学成像光谱技术三、成像光谱仪的光谱成像方式二元光学元件既是成像元件又是色散元件，与棱镜垂直于光轴色散不同，二元光学元件沿轴向色散，利用面阵CCD沿光轴对所须波段进行探测，不同位置对应于不同波长的成像区。焦平面不同不同波长色散位置不同3.其它类型成像光谱仪高光谱技术应用：41