高光谱技术原理及应用(朱黎明)

高光谱技术原理及应用朱黎明从嫦娥一号说起MoonObserving嫦娥一号的高光谱干涉成像光谱仪高光谱技术什么是高光谱（Hyperspectrum）高光谱技术的原理（高光谱成像光谱仪、图像处理）高光谱技术的应用遥感遥远的感知广义：在不直接接触的情况下，对目标或各种现象进行远距离定量探测的技术。狭义：在航天或航空平台上，运用传感器（可见光、红外、微波等）对地球观测，接收并记录电磁波信号，根据电磁波与地表物体的作用机理及对探测目标的电磁特性进行分析，进而获取物体特征性质及其变化信息的技术。

什么是高光谱高光谱遥感是指具有高光谱分辨率的遥感科学和技术，借助成像光谱仪，能在紫外、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，为每个像元提供数十至数百个窄波段（通常波段宽度<10nm）光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。20世纪80年代产生。Hyperspectralimage高光谱与传统光谱比较传统光谱高光谱波段数少非常多分辨率>100nm一般10~20nm个别达2.5nm图谱分离合一通道是否连续不连续连续高光谱与传统光谱比较高光谱遥感示意图高光谱的原理物理机理基尔霍夫定律普朗克辐射定律斯特藩-玻尔兹曼定律维恩定律基本原理太阳辐射与大气和地表物质相互作用太阳辐射与大气和地表物质相互作用太阳辐射穿过大气时，会受到大气对其产生的散射、折射、吸收。散射：对遥感来说为杂散光，应滤除。吸收：产生大气窗口。电磁辐射到达地表时，会发生反射、透射和吸收三种基本作用。反射：得到光谱反射率曲线。吸收：改变地表温度，进而形成地表自身的热辐射（地球辐射的长波部分）探测地物的红外及微波辐射，并与相同温度条件下的辐射率曲线比较是遥感识别地物的重要方法。最终接收=地表反射+大气散射+地表发射成像光谱仪示意图成像光谱仪参数光谱分辨率，是指探测器在波长方向上的记录宽度，被定义为仪器在达到50%光谱响应时的波长宽度。空间分辨率，由仪器的角分辨力，即仪器的瞬时视场角决定。遥感器的瞬时视场角是指遥感系统在某一瞬间，探测单元对应的瞬时视场。决定了地面像元大小。仪器的视场角，与系统平台高度决定了地面扫描幅宽。调制传递函数，决定清晰度。信噪比，信号与噪声的比。探测器的凝视时间，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，其大小为行扫描时间与每行像元数的比值，凝视时间越长，进入探测器的能量越多。成像光谱仪分类按成像原理：棱镜/光栅色散型、干涉型、滤光片型、计算机层析、二元光学元件、三维成像按成像手段：线列探测器加光机扫描型、面阵探测器加空间扫描型、光谱扫描型、光谱与空间交叉扫描型按空间成像方式：摆扫型、推扫型按工作平台：航空、航天摆扫型推扫型图像立方体在通常显示的二维图像的基础上添加光谱维，就可以形成三维的坐标空间

xyλ二维的光谱曲线为了表达图像上某一像元的光谱特征，引入二维的光谱曲线，对于一列像元可进一步形成光谱曲面。高光谱图像的预处理成像光谱仪的标定，要建立成像光谱仪每个探测元件输出的数字量化值与它所对应像元内的实际地物的辐射亮度值之间的定量关系（实验室标定、机上或星上标定、场地标定）标定大气辐射校正几何校正高光谱图像的预处理高光谱图像的大气辐射校正，遥感器接收到的辐射是太阳辐射与大气、地物复杂作用的结果（统计学模型、大气辐射传输理论模型）标定大气辐射校正几何校正高光谱图像的预处理高光谱图像的几何校正，置于各种平台的遥感器在对地观测的过程中，受大气环境、地球自传、地球曲率、地表起伏、传感器工作模式、平台状况等多种因素的影响，使获取的遥感影像存在一定的几何畸变（基于地面控制点的几何精纠正、基于平台姿态参数的几何精纠正）标定大气辐射校正几何校正高光谱图像的光谱分析技术数据量过大！与高光谱遥感的硬件发展相比,高光谱数据的处理技术显得相对滞后！特征选择和特征提取光谱特征的选择与提取

光谱特征参量化高光谱图像分类与目标识别分类是把相同的聚在一起把不同的分开，识别是图像与地物类型的映射。高光谱遥感科学技术最大的优点体现在对地物的识别能力上。目标识别中两个最重要的环节：一是目标标准光谱数据库的建立，二是高光谱图像的定量化处理。混合像元问题？依靠算法，高光谱在混合像元分解方面有优势。红葡萄李子桔子草莓红苹果樱桃梨青葡萄高光谱的应用

EveninmedicinesecurityweatherreportGISAndmanyotherareasAgriculturePrecisionagricuture依靠参数反演来获取作物长势、水肥亏缺状况、营养组分含量、品质产量、病虫害Agriculture不同成熟度的水稻和不同深浅的水域Mineralexploration蚀变带是找矿的重要依据，蚀变带在2.2微米处具有光谱吸收特征，其吸收光谱的半带宽在10纳米到50纳米之间，因此，具有10纳米光谱分辨率的成像光谱仪就有能力直接通过遥感发现蚀变带，以确定找矿的靶区。同时，通过对植被光谱特征的分析也是找矿的依据，由于矿物中金属离子对植被的侵蚀，会引起植被的病变，使得植被近红外高反射峰就会向短波方向移动5-20纳米，成为“红边蓝移”现象。高光谱遥感就有能力发现这种现象。Mineralexploration黄铁矿黄钾铁矾矿针铁矿和黄钾铁矾针铁矿赤铁矿Otherusages水质监测水质生态状况、水温分布、叶绿素分布、悬浮物浓度、有色溶解性有机物浓度等大气监测气溶胶、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、风速