高光谱遥感成像原理ppt课件.pptx

1、高光谱遥感,武汉大学龚龑,高光谱遥感成像原理教学,高光谱遥感,2,武汉大学龚龑,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感成像关键技术三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式,高光谱遥感,3,武汉大学龚龑,1.光谱仪、成像仪、辐射计之间的关系,一、高光谱遥感成像的基本概念,成像仪,辐射计,光谱仪光谱维信息,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,高光谱遥感,4,波长(um),武汉大学龚龑,大理石在不同观测天顶角发射率的变化情况,0.7,10.90.8,8,9,10,11,12,射 0.6发 0.50.40.30.2,

2、率,75604530150,一、高光谱遥感成像的基本概念,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,高光谱遥感,5,武汉大学龚龑,一、高光谱遥感成像的基本概念,2.光谱分辨率光谱分辨率（Spectral Resolution）指探测器在波长方向上的记录宽度，又称波 段宽度（Bandwidth）。,高光谱遥感,6,武汉大学龚龑,一、高光谱遥感成像的基本概念,2.光谱分辨率下图所示，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。,高光谱遥感,7,武汉大学龚

3、龑,一、高光谱遥感成像的基本概念,空间分辨率空间分辨率(Spatial Resolution)成像光谱仪的空间分辨率是由仪器的角分辨 力（Angular Resolving Power）,即仪器的瞬时 视场角（Instantaneous Field of View,IFOV）决定的。,高光谱遥感,8,GRC,武汉大学龚龑,IFOV,一、高光谱遥感成像的基本概念,瞬时视场角IFOV 以毫弧度（m rad）为计 量单位。IFOV所对应的地面大小被称为地面分辨 单元（Ground Resolution Cell）。pixel,GRC=2.tg(IFOV/2).HH,高光谱遥感,9,武汉大学龚龑,一、

4、高光谱遥感成像的基本概念,4.仪器的视场角地面扫描幅宽 仪器的视场角（Field of View，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（Ground Swath，GS）,高光谱遥感,武汉大学龚龑,10,一、高光谱遥感成像的基本概念,H,Ground Swath,line,GS=2.tg(FOV/2).H,4.仪器的视场角,高光谱遥感,武汉大学龚龑,11,一、高光谱遥感成像的基本概念,HIFOV,GRCGround Swath,仪器的视场角(FOV)与瞬时视场角(IFOV)的关系？linepixel,高光谱遥感,12,武汉大学龚龑,一、高光谱遥感

5、成像的基本概念,仪器的视场角因此，在仪器设计时，FOV和IFOV是必须 考虑的重要参数。仪器的视场角(FOV)较大，可以获得较宽的 地面扫描幅宽。瞬时视场角(IFOV)较小，可以获得较高的空 间分辨率。,高光谱遥感,13,武汉大学龚龑,一、高光谱遥感成像的基本概念,5.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。如何评价遥感成像环节对遥感图像的影响?,高光谱遥感,14,武汉大学龚龑,一、高光谱遥感成像的基本概念,5.调制传递函数调制传递函数(MTF)是从谐波分析的角度研

6、究 光学系统的成像性质，能够定量描述系统对正弦 信号输入的振幅响应，被广泛用于遥感器的成像 过程研究。实际的遥感成像链路系统一般比较复杂，但 是，可以认为是由若干个独立成像的分系统组成 的复合成像链路系统。（满足相乘律条件）,高光谱遥感,15,武汉大学龚龑,一、高光谱遥感成像的基本概念,（李宏升，2005）,5.调制传递函数若干个独立成像 的分系统组成的复 合成像链路系统满 足相乘律条件。,高光谱遥感,16,武汉大学龚龑,6.信噪比信噪比（Signal Noise Ratio,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。,一、高光谱遥感成像的基本概念,信噪比

7、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。,高光谱遥感,17,武汉大学龚龑,一、高光谱遥感成像的基本概念,7.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（dwell time）。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。,高光谱遥感,18,武汉大学龚龑,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感

8、成像关键技术三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式,高光谱遥感,19,武汉大学龚龑,高光谱成像的关键技术包括图像的获取传输和 处理等技术。成像光谱仪是集探测器技术、精密 光学机械、微弱信号探测、计算机技术、信息处 理等技术为一体的综合性技术。,二、高光谱遥感成像关键技术,探测器焦平面技术各种新型的光谱仪技术和精密光学技术高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术成像光谱仪的光谱与辐射定标技术,高光谱遥感,20,武汉大学龚龑,二、高光谱遥感成像关键技术,1.探测器焦平面技术成像光谱仪的发展首先依赖于焦平面技术的发展。焦平面是指经过焦点与主光轴垂直的平面目前世界上硅焦平面探测技

9、术十分成熟。大面阵和长线阵的硅电感耦合器件(chargecoupled device)已经商品化。从CCD 的角度来讲，在可见光、近红外光谱的间隔可以细分为1-2nm.,高光谱遥感,21,武汉大学龚龑,2.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术,二、高光谱遥感成像关键技术,光栅器件 色散器件 滤光片技术精准机械动力技术,狭缝、光纤,空间扫描,光谱技术,高光谱遥感,22,武汉大学龚龑,二、高光谱遥感成像关键技术,高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术巨大的数据量引起的采集速率问题（星载情况）大数据量的记录、存储问题（采集值-输出值）数据的实时压缩、处理技术（FT）,高光谱遥感,23,武汉大学龚龑

10、,二、高光谱遥感成像关键技术,成像光谱仪的光谱与辐射定标技术目的：建立影响相应值与辐射值之间的关系定标是定量分析和反演的基础整机的实验室光谱定标实验室辐射定标机上光谱校正机上辐射量校正光谱定标光谱响应函数辐射定标各波段对辐射量的响应能力,高光谱遥感,24,武汉大学龚龑,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感成像关键技术三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式,高光谱遥感,25,武汉大学龚龑,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

11、据形成 的角度考察成像光谱仪的工作方式。,高光谱遥感,26,武汉大学龚龑,1.摆扫型成像光谱仪,三、成像光谱仪的空间成像方式,摆扫型(Whisk broom)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。,高光谱遥感,27,武汉大学龚龑,原理,三、成像光谱仪的空间成像方式,45斜面的扫描镜（Rotating Scan Mirror）电机(Electric Motor)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,高光谱遥感,28,武汉大学龚龑,三、成像光谱仪的

12、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,高光谱遥感,29,武汉大学龚龑,可以达到很大的视场角(FOV可达90度),三、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,高光谱遥感,30,武汉大学龚龑,由于采用光机扫描，每 个像元的凝视时间很短，要 进一步提

13、高光谱分辨率和信 噪比比较困难。,三、成像光谱仪的空间成像方式,1.摆扫型成像光谱仪,不足,高光谱遥感,31,武汉大学龚龑,三、成像光谱仪的空间成像方式,2.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-track Scanning）。为什么用面阵探测器？（HRV）,高光谱遥感,32,武汉大学龚龑,三、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,高光谱遥感,33,武汉大学龚龑,三

14、、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,高光谱遥感,34,武汉大学龚龑,三、成像光谱仪的空间成像方式,2.推扫型成像光谱仪,原理(指向镜),高光谱遥感,35,武汉大学龚龑,三、成像光谱仪的空间成像方式,凝视时间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。空间分辨率和光谱分辨率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。仪器体积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,高光谱遥感,36,武汉大学龚龑,三、成像光谱仪的空间成像方式,视场角由

15、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。定标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,高光谱遥感,PHI（推扫）,OMIS（摆扫）,37,武汉大学龚龑,三、成像光谱仪的空间成像方式,摆扫型与推扫型成像光谱仪实例对比,高光谱遥感,38,武汉大学龚龑,三、成像光谱仪的空间成像方式,摆扫型与推扫型成像光谱仪实例对比,高光谱遥感,39,武汉大学龚龑,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感成像关键技术三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式,高光谱遥感,40

16、,武汉大学龚龑,四、成像光谱仪的光谱成像方式,光谱成像方式要解决的问题是什么？将进入探测器的能量分解为不同 波长的电磁波。主要的光谱成像方式：色散型（简单）干涉型（难点）其它类型,高光谱遥感,41,武汉大学龚龑,1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪,四、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。,高光谱遥感,42,武汉大学龚龑,四、成像光谱仪的光谱成像方式,棱镜、光栅色散型成像光谱仪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,高光谱遥感,43,武汉大学龚龑,四、成像光谱仪的光谱成像方式,色散为多条线,二维灰度集合,附图ZKY P52-2,棱镜、光栅色散型成像光谱仪推扫条件下光谱色散原理二维影像空间上一条线,高光谱遥感,44,武汉大学龚龑,四、成像光谱仪的光谱成像方式,棱镜、光栅色散型成像光谱仪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）,高光谱遥感,45,武汉大