第2章-高光谱遥感数据获取与分析.ppt
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第二章：
高光谱数据的获取与分析高光谱数据的获取与分析l一、原理：
电磁波及电磁辐射l二、光谱测量仪器l三、地物光谱特征1遥感是根据收集到的电磁波来判断目标地物和自然现象（物体种类、特征和环境不同，具完全不同的电磁波反射或发射特征），遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波原理上的。
l电磁波:
根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场能够在它的周围引起变化的磁场,这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场,并在更远的区域内引起新的变化磁场.这种变化的电场和磁场交替产生,以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波.2.1电磁波及电磁辐射电磁波及电磁辐射2lX射线，紫外线，可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。
电磁波是一种横波。
电磁波3电磁波谱l不同的电磁波由不同的波源产生如果按照电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减的顺序排列，就能得到电磁波谱图。
习惯上，划分如下：
45l共性：
传播速度相同；遵守相同的反射、折射、透射、吸收和散射定律；一些电磁波的用途wavelengthuseWavelengthusegrayMineral1.55-1.75（近红外）WatercontentinplantorsoilXrayMedical2.04-2.34（近红外）Mineral,rocktypesultraviolet（uV）（紫外）Detectingoil；spill10.5-12.5（热红外）Surfacetemperature0.4-0.45um（蓝波段）Waterdepthturbidity3cm-15cm（短波）Surfacerelief（地势起伏）,soilmoisture0.7-1.1m（近红外）Vegetation20cm-1m（短波）woodybiomass（木头水分）6太阳辐射l地球上的电磁波主要来自于太阳，太阳可以认为是一个很好的黑体辐射源。
l黑体辐射：
既是完全的吸收体，又是完全色辐射体。
l好的吸收体也是好的辐射体这一定律。
说明凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。
7太阳辐照度分布曲线8从图中可以得出结论：
l太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与黑体的辐射特性基本一致。
l太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而且相对稳定。
在x射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。
l海平面处的太阳辐射照度曲线与大气层外的曲线有很大的不同。
主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射造成的。
l就遥感而言，被动遥感主要是利用可见光、红外等稳定辐射，因而太阳的活动对遥感没有太大的影响，可以忽略。
9地球大气会影响太阳辐射的衰减地球大气会影响太阳辐射的衰减大气组成：
l不变成分（在80km以下的相对比例保持不变）：
惰性气体。
l可变成分（气体含量随高度、温度、位置而变）：
甲烷、臭氧、水蒸汽、液态和固态水、盐粒、尘烟。
l垂直分布：
可划分为4层，对流层、平流层、电离层和外大气层1011大气对太阳辐射的影响主要分为：
散射和吸收，大气对太阳辐射的影响主要分为：
散射和吸收，在可见光波段，在可见光波段，引起电引起电磁波衰减的主要原因是分子散射磁波衰减的主要原因是分子散射12l紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。
l引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳等。
l氧气：
小于0.2m；0.155为峰值。
l臭氧：
数量极少，但吸收很强。
两个吸收带；对航空遥感影响不大。
l水：
吸收太阳辐射能量最强的介质。
到处都是吸收带。
主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。
因此，水对红外遥感有极大的影响。
l二氧化碳：
量少；吸收作用主要在红外区内。
可以忽略不计。
13有些波段的电磁波通过大气后，衰减的很少，透过率很高，我们称为大气窗口142.2光谱测量仪器光谱测量仪器l一、野外光谱仪（以ASD野外光谱分析仪为例）ASD野外光谱分析仪FieldSpecPro是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具。
它能快速扫描地物，光纤探头能在毫秒内得到地物单一光谱。
15FieldSpec分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光纤光学探头及连接数据线组成。
FieldSpec重量只有8kg，非常便于携带；0.35-2.5的光谱范围以及10nm的光谱分辨率,它能在手提电脑上实时持续显示测量光谱，使测量者在测量过程中依据即时反馈的光谱图像获取需要的测量数据。
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（1）准备工作。
（2）测量过程。
（3）整理工作。
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（1）准备工作。
l光谱仪、计算机充电：
光谱仪电量不足时红灯闪亮，充满电后绿灯亮；如果黄灯闪亮则说明过热，需要等待一段时间；l安装适当的镜头或其他附件（如GPS、余弦接受器等），并准备好白板；l依次打开光谱仪电源及计算机电源，并启动相应RS3软件；l依据所选择镜头以及测量情况，在软件上选择相应镜头，并填写需要存储数据的路径、名称和其他内容。
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（2）测量过程。
l镜头对准白板，点击OPT进行优化。
为了光谱测量的准确性，在测量过程中，特别是刚开始测量的前半个小时内，需要每隔一定时间进行一次优化；l反射率测量：
l镜头对准白板，点击WR采集参比（白板应充满镜头，并且没有阴影）；l镜头对准目标（目标与镜头之间的距离应大致等同于采集参比时白板与镜头的距离）；l点击空格键存储目标光谱（或选择自动存储）；l为了提高光谱数据的质量，在测量开始后的一个小时内应当经常采集参比以提高光谱数据质量；19（3）整理工作。
l测量完成后，可将有关光谱拷贝到U盘中待用，或留在原机保存；l依次关闭计算机电源及光谱仪电源；l取下镜头及其他附件，装好白板，并将光纤探测头整理好，收回到仪器包中（注意光纤不可过硬弯折）。
20其它野外的测量仪器
（1）LAI-2000植物树冠分析仪。
（2）LI-6400便携式光合仪。
（3）LI-6262分析仪（4）辐射传感器。
21三、成像光谱仪星载：
1）MODIS成像光谱仪2）MERIS成像光谱仪3）Hyperion成像仪221、MODISl中等分辨率成像光谱仪MODIS（moderateresolutionImagingSpectro-radiometer）是美国宇航局发射的EOS-TERRA和EOS-AQUA卫星上最重要的星载仪器。
lMODIS从可见光到热红外有36个波段，波长覆盖范围从0.4m到14.4m。
lMODIS的两个通道空间分辨率可达250m，5个通道为500m，29个通道为1000m，可同时获取地球大气、海洋、陆地、冰川雪盖等多种环境信息，有助于建立有关大气、海洋和陆地的动态模型，以及建立预测全球变化的模型。
23MODIS技术指标表：
24MODIS波段分布和主要应用：
25262、MERISl作为“欧洲遥感卫星”ERS-1和ERS-2的接替者，欧洲“环境卫星”ENVISAT于2002年3月由欧空局发射升空，并于2003年5月正式投入运行。
l中等分辨率成像光谱辐射计MERIS（MediumResolutionImagingSpectrometerInstrument）l下图下图显示了欧洲“环境卫星”ENVISAT携带的传感器。
2728MERIS的15个波段的技术指标与应用目的Bandcentre（NM）Bandwidth（NM）PotentialApplications1412.510Yellowsubstanceanddetritalpigments2442.510Chlorophyllabsorptionmaximum349010Chlorophyllandotherpigments451010Suspendedsediment,redtides556010Chlorophyllabsorptionminimum662010Suspendedsediment766510Chlorophyllabsorptionandfluorescence8681.257.5Chlorophyllfluorescencepeak9708.7510Fluo.Reference,atmosphericcorrections10753.757.5Vegetation,cloud11760.6253.75OxygenabsorptionR-branch12778.7515Atmospherecorrections1386520Vegetation,watervapourreference1488510Atmospherecorrections1590010Watervapour,land293、Hyperionl地球观测1号（EarthObserving-1）卫星系统在2000年发射。
l地球观测1号卫星将与LandSat-7覆盖相同的地面轨道，两颗卫星对同一地物目标以几乎相同的时间进行观测，从而可以对LandSat-7中的ETM及EO-1中的三台主载荷获取的数据进行对比。
30lEO-1中的三台主载荷分别为先进陆地成像仪（AdvancedLandImager，ALI），高光谱成像仪（Hyperion）以及高光谱大气校正仪（LinearetalonimagingspectrometerarrayAtmosphericCorrector，LAC）。
l其中Hyperion用于地物波谱测量和成像、海洋水色要素测量以及大气水汽/气溶胶/云参数测量等，其性能比EOSTerra卫星上的MODIS要好的多。
313233机载：
1）AVIRIS可见光/红外成像光谱仪2）OMIS系统3）推扫式PHI34l航空可见光/红外成像光谱仪AVIRIS。
80年代后期，美国喷气推进研究室（JPL）制成机载可见红外成像光谱仪（AVIRIS）的完整样机。
该成像光谱仪可在0.4m2.45m的波长范围获取224个连续的光谱波段图像。
波段宽度10nm。
当飞机在20km高空飞行时，图像地面分辨率可达20m。
4、AVIRIS35l实用型模块化成像光谱仪OMIS。
是由中科院上海技术物理研究所航空遥感研究室研制的，具有当前国际先进水平的新型航空遥感仪器。
它在可见/近红外/短波红外/热红，0.46mm至12.5mm的所有大气窗口上设置了128个光谱波段，是一套先进的机载高光谱遥感数据获取系统。
5、OMIS36l推扫式光谱成像仪PHI。
推扫式光谱成像仪PHI是中国863-308主题机载对地观测系统的一部分，光谱范围400-850nm，波段数244，光谱采样1.9nm，光谱分辨率小于5nm，信噪比大于500。
6、PHI37PHI和和OMIS成像光谱仪的技术指标成像光谱仪的技术指标382.3地物的光谱特征一、名词定义二、数据表达方式三、成像方式四、反射率概念五、典型地物的反射率六、简单光谱分析方法39光谱分辨率：
遥感器各波段光谱带宽，表示传感器对地物光谱的探测能力，它包括遥感器总的探测波谱的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。
若遥感器所探测的波段越多，每个波段的波长范围越小，波段间隔越小，则他的光谱分辨率越高。
遥感器的光谱分辨率高，它取得的图像能很好地反映出地物光谱性质，不同地物间的差别在图像上能很好地体现出来，遥感器探测地物的能力就强。
光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率40探测器在波长方向上的记录宽度，又称为波段宽度。
严格定义为：
仪器达到光谱响应最大值的50%时的波长宽度。
41l空间分辨率：
成像光谱仪的一个瞬间视场，即在一瞬间遥感系统探测单元所对应的瞬间视场（IFOV）l时间分辨率：
对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样时间的频率。
l视场角：
仪器在空中所扫描的角度，它决定了地面的扫描幅宽。
l凝视时间：
仪器视场角扫过地面单元所持续的时间。
凝视的时间越长，进入探测器的能量越多。
光谱响应和图像的信噪比越高。
42l信噪比（SNR）：
signaltonoiseratio,遥感器采集的信号和噪声之比。
信噪比的高低直接影响了图像分类和图像识别等处理效果。
l在实际应用中，空间分辨率和光谱分辨率以及信噪比是相互制约的，两种分辨率的提高都会降低信噪比，那么必须综合考虑这三个方面的指标，进行取舍。
43数据的表达方式数据的表达方式1）图谱合一：
高光谱遥感数据包含了空间，辐射，光谱三方面信息。
44图像立方体形式：
在二维图像信息的基础上再添加光谱维，形成三维的坐标空间。
如图：
空间平面是OXY平面45l图像立方体的显示：
各个波段的切面是一个单色的平面，切面数据只是表示了一个辐射能量，并不是光谱。
l首先采用密度分割的方法，把0-255的灰度图DN值按照彩色查找表转化为彩色图像。
为了更好的显示吸收特征，也可以将DN值先转化为反射率值，最后把反射率进行拉伸，得到假彩色合成图。
462）光谱曲线来表达对于高光谱数据中的每一个点，最直观的表达方式是二维的光谱曲线，波长作为横坐标，反射率作为纵坐标，通过对不同波长离散点的插值，获取到光滑的曲线。
47成像方式成像方式主要介绍空间的成像方式，分为两种：
1）摆扫式成像：
成像光谱仪由探测器360度摇摆，飞机向前运动，形成二维空间成像。
如：
OMISAVIRIS等482）推扫式成像：
成像光谱仪的扫描方向就是遥感平台运动的方向如：
PHI，CASI等49光谱成像方式光谱成像方式主要是由棱镜，光栅进行色散型成像，探测器将反射光收集到物镜后，再进行分光，所有光谱分布同时进行输出。
摆扫式：
是利用线阵式扫描推扫式：
是利用面阵式扫描，一次性扫描多个排成一行的像元。
另外的光谱成像形式包括：
干涉型，滤光型等5051到达地面的太阳辐射能量反射能量吸收能量透射能量但是，在反射、透射、吸收物理性质中，使用最普遍最常用的仍然是反射这一性质。
反射分为：
镜面反射（入射平面比较光滑）和漫反射（向四周反射能量，又称为郎伯反射）反射量反射量52地物反射率地物反射率在可见光、近红外波段，主要反射太阳的辐射，遥感信息所反映的主要是地物的反射率。
反射率是物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比53地物反射光谱地物反射光谱反射波谱是某物体的反射率（或反射辐射能）随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得的曲线即称为该物体的反射波谱特性曲线。
54影响地物光谱反射变化的因素l太阳位置：
主要指太阳高度角和方位角。
遥感卫星轨道大多设计在同一地方时间通过当地上空的原因。
（但由于季节的变化和当地经纬度的变化，此因素不可避免）。
l传感器位置：
传感器的观测角和方位角。
一般设计成垂直地面，影响较小。
（但由于卫星姿态引起的传感器指向偏离垂直，仍会影响）。
l不同的地理位置，太阳高度角和方位角，地理景观等都会引起反射变化，海拨高度不同，大气透明度不同也会造成反射率变化。
l地物本身的差异，土壤的含水量也直接影响。
l时间的推移、季节的变化。
同一地物的光谱反射率曲线也发生变化。
55根据不同的光谱特性，将地物分为五类：
（1）岩矿，
（2）植被，（3）水体，（4）土壤，（5）居民地典型地物的反射波谱曲线典型地物的反射波谱曲线561.岩矿岩矿矿物：
具有稳定化学组成份和物理结构，所以矿物的光谱主要取决于光谱吸收的特征，决定因素在于：
物质内电子与晶体场的相互作用，还有分子的振动。
5758岩石：
野外的岩石光谱是矿物光谱的混合而成，可见光和红外只有几厘米的穿透率，因此分析岩石表面情况很重要：
l
（1）风化，水化物的影响l
（2）岩石表面结构：
颗粒减小，反射率增大l（3）岩石表面颜色：
铁，碳的影响l（4）大气环境5960l2、植被传统款波段的研究仅限于判断红光的吸收，近红外的反射，中红外的水体吸收带。
植被自身生长状态极其环境变化导致组分含量的变化，进而影响植被光谱高光谱：
1.对不同植物的生物化学含量进行估算2.通过“红边”位移去估计植被生长状况6162影响植被光谱特征的因素：
（1）植被可见光和近红外（350-800nm）反射光谱差异来源于植被体内叶绿素和其他色素成份。
植物衰老。
植物病虫害。
63植被的病虫害64
（2）植被近红外（800-1000nm）反射光谱差异来源于植被细胞散射，红边现象，以及：
区别不同种类的植物单片叶子或多片叶子65不同植物光谱曲线比较6667（3）植被短波红外（1000-2500nm）光谱特性主要由植物细胞内水体吸收决定有两个强烈的吸收带：
1.4，1.9，还有一个水体吸收带在2.7吸收能量函数是叶子厚度和水分含量组成。
68693.土壤土壤标准土壤反射率光谱70影响土壤的几大因素包括：
矿物，含水，有机物，质地矿物主要包括：
石英，云母，长石，氧化物，因此通过分析相应的矿物含量就可以区别土壤的特征。
颜色的渐变：
灰绿，黄色，红色71含水：
土壤水分是土壤重要组成部分，当含水量增加时，土壤反射率下降，在水的各个吸收带处（1400，1900和2700），反射率下降非常明显。
72有机质：
生物或者动物腐烂后的物质，影响最大的在可见光到近红外质地：
土壤中颗粒的大小与比例，代表了两个方面情况：
颗粒本身大小与持水能力73744.水体水体在近红外和中红外波段，水几乎吸收了其全部的能量，纯净的水体在近红外波段更近似于一个“黑体”。
改变物理性质后，光谱也会发生变化，比如“雪”标准水体反射率光谱7576反应水体的反射光谱变化的三要素：
可溶性物质，叶绿素，悬浮物可溶性物质：
主要是黄色物质，如果是酸性，盐水，与普通的水体没有关系。
77787980815.城市目标城市目标人类活动使得城市下垫面的成分复杂多样，光谱性质也相当复杂，这里主要描述：
建筑物与道路建筑物：
从遥感图像上只能看到其顶部，所以，研究的是顶部的材料波谱特性。
8283道路主要分为：
水泥、柏油马路和土路三类水泥路的反射率最高柏油马路的反射率最低84858687基于典型地物的光谱分析技术基于典型地物的光谱分析技术1）光谱吸收特征参数2）光谱吸收指数3）包络线4）光谱微分5）光谱积分881）光谱吸收特征参数主要是用来识别各种矿物成分或空间分布，通过定义的光谱参数来提取各种定量信息。
主要包括：
吸收波段波长位置（P），深度（H），宽度（W），斜率（K），对称度（S），面积（A）。
89902）SAI一条光谱曲线的光谱吸收特征可以由光谱吸收谷点M与光谱吸收两个肩部的S1与S2组成91光谱吸收指数（SAI）可以表达为单散射反射率的函数，这对光谱识别和光谱混合分析具有重要的意义。
可以用SAI获取单散射反射率后，求取各个地物光谱混合成分的含量。
923）包络线测定光谱吸收特征参数利用定义手工逐点直线连接突出的“峰”值点，并使得折线在“峰”值点的外角180度，然后用实际光谱波段值去除连续统上相应的波段值，这样归一化后，峰值点均为1，非“峰”值点均小于1。
这样就很容易测定吸收特征参数。
93由包络线去除法调整的明矾石光谱曲线94954.光谱微分光谱微分可以增加光谱曲线在坡度上的细微变化，也可以部分消除大气效应的影响。
96光谱微分技术用于减弱大气散射和吸收目标特征的影响，水质参数提取，植被研究，地质遥感等，用于分解重叠的吸收波段，提取吸收波段的位置。
研究表明，光谱的低阶微分处理对噪声影响的敏感性很低，可以用一阶微分处理去除背景光谱或噪声光谱对目标的影响。
975.光谱积分光谱曲线在某一波长范围内的下覆盖面积98思考题思考题l1任选两种成像光谱仪系统进行介绍。
l2任选两种典型地物，描述其光谱特性，并画出其光谱反射率曲线。
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