高光谱遥感的发展.ppt

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1、成像技术： 全色（黑白）-彩色摄影多光谱扫描成像高光谱遥感 l1960年人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料时，成像就成为 研究地球的有利工具。 l在传统的成像技术中，黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异 因而可用于辨别不同的材料。 l对地球成像时，选择一些颜色的滤波片成像对于提高对特殊农作物 、研究大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早 的多光谱成像（Multispectral imaging）。 l1980年高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）诞生了，它最早 是机载的成像光谱仪（Airborne Imaging Spectrometer），如今已

2、拓展到先进的可见和红外成像光谱仪（AVIRIS），这两种最早都 诞生在NASA的JPL中心（NASA：美国国家航天航空管理局）。 第一章 高光谱遥感概论 烽 执 裂 瑚 况 屏 牺 黎 惕 管 味 球 哑 氓 冤 摘 倪 有 腊 恃 裤 势 娇 案 鹅 侗 钮 符 藩 郡 倍 凹 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 1 l仪器发展：从多光谱到高光谱遥感技术需要仪器的同步发展。使 用200个连续的波段，每个波段的光谱分辨率在10nm左右，这就 是高光谱的成像技术。 l现在光谱成像技术已经发展到超光谱时代（Ultraspectral Imaging ），比如，它使用的是

3、空间发射光谱仪（Atmospheric Emission Spectrometer， AES）， 这个超光谱成像仪在红外波段就能产 生数千个波带，分辨率高达1/cm。 望 孟 隋 料 奖 暑 纫 屎 懒 烃 绚 侄 缎 囱 至 腊 锐 卧 臃 啦 邦 关 泼 背 呆 俊 旁 菱 赘 桨 洒 宁 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 2 铅 讲 干 郝 利 墩 募 咎 玖 咖 伞 粘 霉 侩 骤 同 荷 辈 棵 斗 粹 孤 祭 邪 蠕 太 姓 素 串 铁 彼 枯 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 3 工 花 共 猖 樊 著 巫 盈 碌 斗

4、槽 尖 嗡 哺 食 愤 钾 祷 卞 允 抒 赃 如 杏 涸 妙 化 勤 藤 缄 错 浸 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 4 只 刹 沦 村 煎 橇 梯 场 梢 撰 棠 慨 紫 粕 拉 金 亏 炭 摧 侈 篱 脑 歉 渊 木 蹲 写 蛔 晕 辐 贬 及 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 5 挎 株 砧 誉 晾 锁 杨 奇 任 冤 足 氨 森 儡 怜 孺 谅 讹 滑 电 腊 滴 拿 通 运 贾 味 份 涕 鹅 礁 呕 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 6 闲 歌 维 堪 沼 住 信 熟 瞒 括 掌 骚 困

5、欺 远 屁 挤 笑 逗 例 枚 猖 剖 淤 且 蒜 氖 材 噎 锯 畦 轰 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 7 概念： l基本概念：高光谱分辨率遥感是利用成像光谱仪获得感兴趣的物体 很窄的（通常波段宽度100nm l波段在光谱上不连续，不能覆盖整个可见光 至红外光(0.42.4nm)光谱范围。 矩 献 低 赡 泊 俄 资 奠 在 樟 蔚 煤 剃 肠 迢 昨 哆 洪 谷 姥 戈 转 绩 擂 钝 雀 鲤 虱 匆 伊 孔 石 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 19 父 士 嘎 莆 啡 谍 姑 折 旧 萤 诲 木 赚 输 纽 帝 搭 莹 哩

6、 令 铂 昌 酸 渝 歉 柞 俗 蚁 土 僵 损 窄 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 20 高光谱遥感具有不同于传统遥感的新特点，主要 表现在： l（1）波段多可以为每个像元提供几十、数百甚至上千个 波段； l（2）光谱范围窄波段范围一般小于10nm； l（3）波段连续有些传感器可以在3502500nm的太阳光 谱范围内提供几乎连续的地物光谱； l（4）数据量大随着波段数的增加，数据量成指数增加； l（5）信息冗余增加由于相邻波段高度相关，冗余信息也 相对增加。 因此，一些针对传统遥感数据的图像处理算法和技术， 如：特征选择与提取、图像分类等技术面临挑战。如用

7、于特征提取的主分量分析方法，用于分类的最大似然 法、用于求植被指数的NDVI算法等等，不能简单地直接 应用于高光谱数据。 灰 忧 抿 芳 爪 北 擞 冉 郭 到 巢 找 酌 僵 吐 档 拂 税 形 广 贬 舟 凄 胁 蹋 溢 塑 豹 锹 俩 墨 跑 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 21 数据处理的问题？ l高光谱遥感影像数据的一个重要特征是超多波段和大数据量 ，对它的处理也就成为其成功应用的关键问题之一 。 l尽管遥感信息处理技术在全数字化、可视化、智能化和网络 化等方面有了很大的发展，但就目前遥感技术的发展状况来 看，硬件技术的发展远远超前于遥感信息的处理，海

8、量光谱 遥感信息远没有被充分挖掘和处理，信息处理还远不能满足 现实需要。 l据估计，空间遥感获取的遥感数据，经过计算机处理的还不 足5%。因此，遥感信息处理方法与技术有待于深入研究和开 发。 供 敬 诬 碧 迟 士 髓 柿 趴 枉 肘 嘘 安 皑 机 似 抑 倾 尾 锅 殉 髓 孩 努 突 晒 碱 庞 回 纷 声 懂 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 22 如何解决： l高光谱分辨率遥感信息的分析与处理，侧重于从光谱维角度对 遥感图像信息进行展开和定量分析，其图像处理模式的关键技术 有： (1) 超多维光谱图像信息的显示，如：图像立方体的生成； (2) 光谱重建，

9、即：成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模 型与算法，依此实现成像光谱信息的图像光谱转换； (3) 光谱编码，尤其指：光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特 征参数的算法； (4) 基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法； (5) 混合光谱分解模型； (6) 基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演 算法 愿 卢 氟 锹 踌 宠 抓 宁 婶 健 既 肠 哎 腊 综 减 罢 选 粕 针 思 堆 完 鸥 渤 真 劝 盐 菲 抄 派 臼 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 23 所采用的分析技术： 国内外关于成像光谱仪的遥感应用研究中，所采用 的分析方法可归纳为两大

10、类： 一、 基于纯像元的分析方法 （1）。 （2）。 二、基于混合像元的分析方法 帽 蜕 秆 恋 衷 饥 褐 挤 陌 畴 陶 获 吐 寻 届 汗 斟 爸 豹 痹 毋 夕 秧 冠 瞅 饶 街 贴 郁 甜 撕 盈 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 24 一、基于纯像元的分析方法 （1）基于成因分析的光谱分析方法 基于成因分析的方法主要从地物光谱特征上发现表征地物的特 征光谱区间和参数，最常用的是各种各样的植被指数。 成像光谱仪问世以后，许多研究人员沿用了这种方法，用成像 光谱仪数据的高光谱分辨率，选取影像的波段，发展了许多更为精 细的植被指数。 沪 骋 喷 非 丛 雹

11、 味 蚌 吹 蔡 敷 月 皑 水 砍 椅 熊 侮 豌 擦 实 弘 陪 遁 屿 屯 溉 秩 靛 耐 播 镑 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 25 （2）基于统计分析的图像分类和分析 基于统计分析的图像分类和分析视每一波段的图像为随 机变量，然后利用概率统计理论进行多维随机向量的分类。 成像光谱仪图像波段多，分类很大程度上受限于数据的 维数。面对数百个波段的数据，如果全部用于分类研究， 在时间上往往是无法接受的。因此在图像分类之前必须压 缩波段，即进行“降维”的研究。 苏 翻 碌 非 跺 宵 拳 呀 预 贺 屡 黄 事 伞 肛 慧 防 袋 膜 愤 煽 纪 绳 小 猿

12、 脾 先 录 浑 芦 票 钢 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 26 二、基于混合像元的分析方法 l由于传感器空间分辨率的限制以及地物的复杂多样性，混合 像元普遍存在于遥感图像中，地面地物分布比较复杂的区域 尤其如此。如果将该像元归为一类，势必会带来分类误差， 导致分类精度下降，不能反映地物的真实覆盖状况。 l概括起来，混合模型主要有两类，即线性光谱混合模型和非 线性光谱混合模型。线性混合模型是迄今为止最受欢迎且使 用最多的一种模型，其突出优点是简单。 敛 魏 榜 象 邑 汁 踌 梧 戚 楚 肮 验 禹 虽 屁 乘 存 笔 挂 抓 泪 冻 驴 竿 彪 气 炒 挪

13、峻 看 定 缄 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 27 高光谱的应用 （1）海洋遥感方面。 l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。 眯 袄 峡 粒 圣 抢 耻 荚 鹊 碎 陌 况 佛 扯 甸 涌 颗 塌 俭 算 疽 海 却 冲 损 腮 坑 豪 但 爹 勾 贼 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 28 （2）植被研究方面。 l植被中的非光合作用组分用传统宽带光

14、谱无法测 量，而用高光谱对植被组分中的非光合作用组分 进行测量和分离则较易实现。因此，可以通过高 光谱遥感定量分析植冠的化学成分，监测由于大 气和环境变化引起的植物功能的变化。植被应用 方面还有许多成功的实例，如作物类型识别（ Collins等，1978），森林树种识别（宫鹏等， 1998），植被荒漠化研究（叶荣华等，2001）， 等等。 豆 咒 章 瑰 劈 俐 勇 积 蚊 藕 儿 震 得 写 顽 卯 饶 衣 姑 峡 润 廊 垂 陵 挟 否 售 潭 浆 钦 扭 族 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 29 （3）精细农业方面。 l土壤的水分含量、有机质含量、土壤粗糙

15、度等特性是精细农 业中重要的信息，而传统遥感技术无法提供这些信息。高光 谱遥感凭借其极高的光谱分辨率为精细农业的发展提供了技 术保障和数据来源。 l高光谱遥感应用于精细农业已经有许多成功的例子，例如， 刘卫东（2002）利用高光谱提取了土壤信息。利用高光谱遥 感技术，可以快速精确地获取作物生长状态以及环境胁迫下 的各种信息，从而相应调整投入物资的施入量，达到减少浪 费、增加产量，保护农业资源和环境质量的目的。高光谱遥 感是未来精准农业和农业可持续发展的重要手段。 没 垦 鸣 团 堑 式 难 舔 榨 控 芹 漫 售 碍 隙 献 愚 燥 喻 惑 离 凰 智 添 夸 上 善 敷 心 羊 在 攘 高

16、光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 30 （4）在地质调查方面。 l地质是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。如 利用航空高光谱数据进行地质填图和岩石鉴别， 可以识别出地表不同矿物质的诊断性特性。因为 一般矿物质的光谱吸收峰宽度为30nm左右，只有 利用光谱分辨率小于30nm的传感器才能够识别出 来。 l高光谱遥感已经在地质领域扮演了重用角色。王 青华等人仔细分析了国产MAIS光谱仪对河北省张 家口地区的高光谱遥感数据，指出可以借助高光 谱丰富的光谱信息，依据实测的岩石矿物波谱特 征，对不同岩石类型进行直接识别，达到直接提 取岩性的目的。 扩 莉 囚 注 窝 冯 舰 惫

17、源 挺 冉 瘴 楼 靶 睬 朱 儿 彬 嘴 感 挖 铜 盖 澎 截 咒 艺 同 而 涝 椅 樟 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 31 （5）在大气和环境遥感方面。 l大气中的分子和粒子成分在太阳反射光谱 中有强烈反应，常规宽波段遥感方法无法 识别出由于大气成分的变化而引起的光谱 差异，高光谱由于波段很窄，能够识别出 光谱曲线的细微差异。 颇 绕 庄 骇 椎 件 齐 亥 亩 段 路 遮 个 苔 拎 晒 誓 秋 袭 胁 紧 洼 规 泼 拭 陛 教 泳 漫 乏 麓 山 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 32 （6）在军事侦察、识别伪装方面

18、。 l根据目标光谱与伪装材料光谱特性的不同，利用 高光谱技术可以从伪装的物体中自动发现目标。 在调查武器生产方面，超光谱成像光谱仪不但可 探测目标的光谱特性、存在状况，甚至可分析其 物质成分。根据工厂产生烟雾的光谱特性，直接 识别其物质成分，从而可以判定工厂生产武器的 种类，特别是攻击性武器。 殖 迄 呢 宵 庚 枯 裳 昂 陋 吊 究 肆 否 绞 菠 奎 摩 蹈 钉 斜 魂 喧 娱 着 锈 饿 苞 拒 牡 娃 沽 园 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 33 应用实例 丈 垂 甘 篷 澄 买 促 押 滁 滩 跌 捌 兴 滑 坤 怀 蔗 疗 醉 颂 韵 拎 坡 辖

19、雌 梆 缀 舰 零 灵 度 力 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 34 壕 呼 确 捎 些 菲 礁 兜 袒 橱 深 肪 矾 恋 订 啃 垦 哀 魁 水 命 呸 涉 弗 秽 刨 针 匀 殆 颂 星 垮 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 35 枕 卒 阉 苗 耸 浩 附 纸 前 句 门 脑 邑 铺 悲 幅 悼 随 衰 胶 弄 补 哭 蛹 凯 穆 皖 翟 妓 痈 樱 逃 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 36 Mineral spectral absorption index s2 2 1 s1 m 21m 矿

20、物光谱吸收指数 (SAI)： 石灰岩 白云岩 石灰岩(CaCO3): SAI 2.315m SAI 2.330 m 新 疆 柯 坪 地 区 岩 性 填 图 提 组 躬 彦 腮 肋 辉 怂 张 瘴 齐 期 蓉 账 淮 僵 庆 怔 推 谐 鸯 住 痉 底 悍 湃 迈 拂 蹬 忿 得 僚 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 37 矿物成图 瞧 地 鹃 慈 机 蓉 溺 寥 御 陕 游 种 萄 网 话 争 逸 鞠 膳 饱 擎 颧 介 佃 卫 谓 陶 华 抡 羽 安 惮 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 38 税 砍 挡 缝 苦 尼 臭 脸 苑 放

21、 止 见 愉 筋 锨 券 是 暴 兵 聋 扰 肯 尧 软 赞 蔬 儿 律 疑 既 涯 褒 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 39 预测矿物分布图 裁 边 蚜 洱 蟹 握 禹 丑 匆 原 旺 揍 遮 官 娶 锤 科 列 佐 终 冕 淫 扶 匹 缴 伎 麦 公 拷 头 凑 倦 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 40 精细农业 囱 吠 孔 硬 屏 搔 偿 牛 膊 翰 屉 舷 犊 瘁 稿 六 溅 羞 艇 疏 片 潍 贡 傲 吴 拂 话 忱 歪 鸡 鲁 钻 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 41 高相似 低相似 H

22、yperspectral spatial vector analysis and applications 日本大白菜 光谱向量: T(t1,t2,.tn), R =(r1,r2,.rn) 瓤 参 清 逃 擎 社 显 鼓 旅 弗 索 茹 桑 辛 腐 蓖 举 昆 忿 紫 宁 彦 荷 醋 额 逢 镀 提 搪 抑 悦 缴 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 42 遭 亭 贵 箭 男 少 斑 糊 奸 匝 乓 莎 姿 预 钨 宦 爹 赣 咙 呆 砍 离 盼 姬 晾 吴 禾 荒 仓 茬 止 各 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 43 武香4 香粳8

23、016 99-15系列 武育5021 武香8313 香雪糯 Legends 水 水泥地 水稻茬 红薯 白菜 Fine discrimination of rice species 80 band airborne hyperspectral image Discrimination precision of rice samples : 94.9% Rice discrimination from hyperspectral images 富 搂 落 爬 胜 戳 答 尚 娥 壬 邑 赤 曙 皿 章 原 治 歉 备 蠕 先 倍 进 旱 赵 谦 呻 槽 烽 累 罐 澜 高 光 谱 遥 感 的 发

24、展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 44 未来高光谱的发展 一、目前，成像光谱仪和成像雷达成为遥感 技术与应用领域内的两大热点。但迄今为止 ，国内外常用的成像光谱仪还是以航空机载 的为主，要进入实用阶段，需要由航空遥感 转向卫星遥感。所以，未来携带更高的光谱 分辨率和空间分辨率成像光谱仪的卫星会陆 续发射。 泛 帐 妒 坏 还 卉 每 淹 数 阿 彼 皋 缴 只 厉 枷 材 眉 懒 滇 搓 佩 般 弄 饮 窗 廊 辨 不 存 谩 夏 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 45 二、硬件上的进步仅仅是成像光谱仪遥感的前提条 件，按照目前的数据处理手段，成像光谱仪遥感 数

25、据的使用仍然受到很大的限制，主要原因： 1、数据的压缩和信息提取方法不成熟； 2、缺乏比较通用的成像光谱仪图像处理系统， 进行成像光谱数据的存储、显示和分析。 这两方面问题是目前乃至未来成像光谱仪遥感 的主要研究方向。 贞 仟 延 本 芽 愿 韵 绍 玉 捞 挟 齿 剧 巩 蛊 釜 装 隙 瞪 嚎 噪 绩 年 颜 商 眼 壤 旗 锁 桐 祸 彩 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 46 三、遥感信息定量化。 l遥感技术的发展，最终目标是解决实际应用问题。遥感信息 定量化使高光谱遥感信息的定量分析与应用成为现实。高光 谱遥感器的光谱分辨率已达数纳米，对应图像任一像元反

26、演 的地物光谱，可与地面实测值相比拟，这将便于实验室地物 光谱分析模型直接应用到高光谱遥感的处理和分析研究，以 及利用计算机自动进行地物的光谱分类和匹配识别研究。 l通过遥感信息的定量化，将定量反演的地物光谱与实测值相 比较，可对空中遥感器性能进行校验，如波长漂移、增益、 信噪比等性能，以及对遥感数据的精度进行全面的评价。 l通过遥感信息的定量化，使遥感定量分析专题应用模型（如 农作物估产、土壤湿度和干旱监测、初级生产力的计算等模 型）具有高质量的定量遥感数据为输入参数而加以广泛地推 广和应用。 挫 哄 倘 奶 迁 泞 选 抵 葬 年 曝 妮 赛 挪 吮 薄 万 帚 莫 业 峙 毖 显 邹 斜

27、 囤 炕 佑 慧 垫 涌 稳 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 47 四、“定性”、“定位”一体化快速遥感技术。 l现在的遥感系统，主要还是单台遥感器为主，仍没有“定性”、“定 位”一体化的组合遥感器。超多波段、超光谱分辨率的成像光谱仪 在目标识别方面具有更强的能力，但目标图像的“定位”问题却留 给信息处理阶段。高光谱遥感应用的不断深入，在“动态监测”越 来越成为人们共识的情况下，发展提高效率的快速遥感技术就成 为必须考虑的问题。为此，利用高光谱成像仪目标识别能力很强 的同时，快速实现图像的同步“定位”，赋予三维坐标，形成“定性” 、“定位”一体化快速遥感技术。 庇 机 鼻 岔 鸭 驯 讫 姚 醉 啃 灼 人 浊 栗 肢 杰 融 霉 海 善 德 溪 龄 捉 唯 廷 蘸 累 灶 众 隘 唁 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 48 思考题 l1什么是高光谱遥感？它与其他遥感的区别 是什么？ 待 枯 耗 明 辊 缮 岂 芥 坪 漳 雾 帽 利 哺 瑶 卯 板 绰 袍 罩 侧 隅 遁 怖 吝 阐 停 沤 某 附 级 撤 高 光 谱 遥 感 的 发 展 高 光 谱 遥 感 的 发 展 49