现代光学导论第八次.ppt

1、内容回顾-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,内容回顾成像光谱仪,成像光谱仪参

2、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。,空间分辨率,光谱分辨率,一、遥感的技术系统,1、遥感平台,2、传感器,3、遥感数据接收、记录与处理系统,8,

3、1.地面平台（050m） 概念：放在地面或水上装载传感器的固定或可移动的装置。 举例：汽车、轮船、高塔等。 装载的传感器：地物波谱测量仪器、摄影机、雷达等。 功能和特点：地面遥感，为航空和航天遥感作校准和辅助工作。 2.航空平台： （100m至十余公里） 概念：悬浮在海拔80km以下的大气层（对流层、平流层）中的遥感平台。 功能和特点：飞行高度低，地面分辨力较好，机动灵活，不受地面条件限 制，周期短，资料回收方便。 举例： 飞机：专门设计或普通飞机改装。 低空飞机：高度在地面上空2km以下，直升飞机最低可在10m左右。 中空飞机：高度在2km6km。 高空飞机：高度在12km30km 气球：低

4、空气球（对流层）、高空气球（平流层，12km40km） 装载的传感器：摄影机、摄象机等多种传感器。,装载传感器进行遥感的装置,3.航天平台： （150km以上） 如静止卫星（位于赤道上空36000km）、地球观测卫星（约700900km）、航天飞机（高300km左右）； 4.宇航平台：主要是利用星际飞船，对地月之外的目标进行探测.,*在遥感平台中，航天遥感平台目前发展最快，应用最广。 根据航天遥感平台的服务内容，可以将其分为： 气象卫星系列 陆地卫星系列 海洋卫星系列,航天平台,气象卫星主要用于天气分析、气象预报、气候研究、气候变迁以及其他资源环境研究。 气象卫星分极地太阳同步轨道和地球同步轨

5、道两种。前者每天由南向北绕地球运转，对整个地球进行观测；后者则对某一固定地区观测。 气象卫星具有短周期重复观测、成像面积大、连续、实时性强和成本低等特点。 全球气象卫星主要有： 静止卫星：日本（GMS）、美国（SMS/GOES）、欧洲空间局（Meteosat）、俄罗斯（COMS）、中国（风云1号，1988、1990年） 极地卫星：美国（NOAA系列）、俄罗斯（Meteop系列）、中国（风云2号，1997年）,航天平台,FY-1D 图像,FY-1D 图像,FY-1D 图像,FY-1D 图像,航天遥感中应用最广、最深入的就是陆地卫星，其应用几乎涉及地学和国民经济的各个领域。 主要的陆地卫星包括：

6、美国的陆地卫星系列（Landsat） 法国的SPOT卫星 中国的资源一号卫星 其他陆地卫星,航天平台,1972年7月23日美国发射第一颗地球资源卫星ERTS-1； 1975年发射ERTS-2，改名Landsat-2； 1978年发射Landsat-3； 1982年在Landsat1-3的基础上改进设计并发射Landsat-4； 1984年发射Landsat-5； 1993年发射Landsat-6卫星，上天后由于故障陨落； 1999年发射Landsat-7。 Landsat系列卫星的运行特点是近圆形、近极地、与太阳同步、可重复轨道等。目前，只有Landsat-5和Landsat-7仍在运转工作。

7、,Landsat系列卫星,Landsat卫星外观,由瑞典、比利时等国参加，由法国国家空间研究中心设计制造。 1986年发射第一颗SPOT-1； 1989年发射SPOT-2； 1993年发射SPOT-3； 1996年发射SPOT-4； SPOT系列卫星的轨道是太阳同步圆形近极地轨道，轨道高度832km、运行周期101.4min、轨道倾角98.7、重复周期26天(369圈)。,SPOT系列卫星,SPOT卫星外观,主要用于观察海况，研究海面形态、海面温度、风场、海冰、大气含水量等。1978年6月26日美国发射了世界上第一颗海洋卫星Seasat 1。虽然这颗卫星因为电源故障只工作了105天，但却开创了

8、海洋遥感和微波遥感的新阶段。 由于海洋具有面积大、反射强、海水透明差异明显、海面特殊等特点，使得海洋遥感需要高空和空间平台、以微波为主，同时结合激光、声波等。主要的海洋卫星包括： 美国的Seasat 1、 “雨云”7号（Nimbus-7） 日本的海洋观测卫星MOS1 欧洲空间局的ERS系列 加拿大的雷达卫星RADARSAT,海洋卫星,传感器, 收集系统：收集来自目标的辐射，送往检测系统。在紫外线、可见光、 红外波段中，收集系统的主要元件是透镜或反射镜，在微波 中是微波天线。 检测系统（探测系统）：将波谱转化为其它形成的能电流、电压、化 学能等。其核心是感光胶片或光电敏感元件、固体敏感元件、 微

9、波检波器等。 感光胶片：电磁辐射化学能 其 它：电磁辐射电流、电压等 信号转化系统：将电流、电压信号放大，再转化为： 可见光，信号显示在屏幕上，即电光转化； 磁信号，信号记录在磁带上，即电磁转化。 记录系统：记录前级送来的信号。 直接记录：将前一级的输出信号直接记录在胶片或荧光屏上。 间接记录：将信号记录在磁带上，以后用时将磁带回放，产生电信号， 再通过电光转化，显示图象。,传感器分类, 摄影成像：得到的象片信息量大，分辨率高；但由于受感光乳剂的限制， 工作波段为0.29m1.40m，即近紫外、可见光、近红外短波段，而且只 能在晴朗的白天工作。 分幅式摄影机：一次曝光得到目标物一幅象片； 航空

10、摄影焦距一般在150mm左右，航天摄影机一般大于300mm。 全景摄影机（扫描摄影机）：依结构和工作方式分为： 缝隙式摄影机（航带摄影机）：通过焦平面前方设置的与飞行方向垂直 的狭缝快门获取横向的狭带影像； 镜头转动式：镜头的物镜转动，或棱镜镜头转动。 全景摄影机焦距可超过600mm，主要用于军事侦察。 多光谱摄影：同时获得可见光和近红外范围内多个波段的影像。分为： 多相机组合型：每架相机配置不同的胶片和滤光片； 多镜头组合型：同一架相机上配置多个镜头，配以不同波长的滤光片； 光束分离型：用一个镜头，通过二向反射镜或光栅分光，将不同波段在 各焦平面上记录影像； 数码摄影机：记录介质是光敏电子器

11、件，如CCD（charge coupled device）,单镜头分幅式摄影机构造示意图,分幅式摄影成像示意图,缝隙式摄影机构造示意图,镜头转动式摄影机示意图,多光谱摄影成像示意图,成像方式, 对目标面扫描： 收集系统直接对目标面扫描，如光学/机械扫描成像、成像雷达等。 光学/机械扫描成像：在扫描仪的前方安装光学镜头，依靠机械传动装置使 镜头摆动，形成对目标物的逐点逐行扫描。分为单波段和多波段两种。 基本原理：反射镜在机械驱动下，随平台的前进运动（航向扫描）而摆动 或旋转（舷向扫描），依次对地面进行扫描，地面物体的辐射 波束经反射镜反射，并经透镜聚焦和分光分别将不同波长的电 磁波分开，再聚焦到

12、感受不同波长的探测元件上。 对影像面扫描： 收集系统不直接对地面扫描，而是先用光学系统将目标的辐射信息聚 集在机内检测系统的一个靶面或光敏面上，形成一幅影像，然后利用摄像 管中的电子束对靶面扫描来收集其信息，或依靠CCD组成的阵列进行电子自 扫描来获取信息。如：固体扫描仪。,多光谱扫描仪扫描图解示意图,传感器性能,地面分辨率：是用来表征传感器获得的影像反映地表景物细节能力的指标，也称空间分辨率，定义为影像上能够详细区分的最小单元所代表的地面距离的大小。,灰度分辨率：是表征传感器所能探测到的最小辐射功率的指标，指影像记录的灰度值得最小差值。 在不同波段，用不同传感器获得的影像灰度分辨率很不相同；

13、 摄影胶片的灵敏度很高，原则上认为摄影成像的灰度是连续的。,波谱分辨率：指传感器所用波段数、波长及波段宽度，也就是选择的通道数、每个通道的波长和带宽。 波段越多，濒带宽度越窄，所包含的信息量越大，针对性越强。 目前传感器少则3个，多的上百个通道； 传感器种类很多，但最基本的有三种典型类型：可见光遥感的摄影机、热红外遥感的扫描器、微波遥感的合成孔径雷达。,32,高光谱技术所获取的图像包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息，因而在地质、农业、植被、环境、城市、军事、水文、大气等方面都有巨大的应用前景。 我国在中科院遥感所和上海技物所等单位的协作下，发展的OMIS，MAIS，PHI等航空高光谱成像仪也

14、达到了很高的水平,航空高光谱仪 PHI,高光谱传感器,33,OMIS系统模型,OMIS系统实物,高光谱传感器,地面技术系统 严格地讲，地面系统有两大任务： 卫星在轨运行任务管理（也通俗地称为“测控”）； 卫星数据接收与处理 两类不同的地面系统以前通常是在物理上分开的，但现在有合并的趋势（如商业化卫星的运行管理） 大多数国际上的地面站，都只承担卫星数据接收与处理任务，具体分为： 数据接收：卫星实时下行数据 数据处理：辐射和几何标定 数据存档：存档管理与检索 数据分发：用户应用 地面技术系统是连接卫星、传感器技术与地面应用的 技术切换环节 数据接口（卫星数据的“用户”，应用用户的“数据源”） 是保

15、证对地观测技术体系有效运行不可或缺的一部分,数据的接收记录与处理系统, 直接回收：传感器将地物的反射或发射电磁波信号记录在胶卷或磁带上，待运载工具返回地面时回收。非实时，航空常用。 优点：回收方便，不经过转换，信号损失少，保密性较强。 缺点：非实时，数据容量小，成本高。 视频传输（无线电传输）：传感器将接收到的地物反射或发射的电磁波信号，经过光电转换，通过无线电将数据传送到地面接收站，包括实时和非实时传输。 优点：可以实时回收。 缺点：保密性差，有信息损失。 视频传输是卫星遥感常用的信号传输方式。,遥感信号的传输方式,接收范围： 目前接收范围可覆盖国土面积80%至95%； 南沙群岛接收不到；

16、通常卫星覆盖范围 80%，RADARSAT和SPOT可达95%。,37,二、高光谱遥感分类,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 ：挥扫型 、推扫型 按工作平台：航空、航天,38,（1）按分辨率分类,A、多光谱（Multispectral ）：覆盖光谱范围较宽，谱段选择在最能够反映目标辐射特性处，通常光谱分辨率为1020谱段，可用于地带分类和土地使用评估。 B、高光谱（Hyperspectral）：光谱范围较窄，光谱分辨率适中，一般在几百谱

17、段数（目前在100400范围），主要用于环境、农业、森林、矿产、土地等领域。 C、超光谱（Ultraspectral）：光谱范围最窄，但光谱分辨率极高，一般在几千谱段数，主要用于研究气体等化学物质成份。,39,（2）按分光类型分类,A、棱镜色散型（Prism）：依靠不同波长的光线在棱镜中有不同的折射率进行分光。 B、光栅衍射型（Grating）：依靠不同波长的光线在光栅上有不同的衍射角进行分光。 C、滤光片型（Filter）：在面阵探测器的不同行上，覆盖或耦合不同波长的带通滤光片，然后沿探测器列方向推扫。 D、干涉型（Interferometer）：不同波长的单色光经过干涉仪后形成不同频率的余

18、弦干涉图，二者互为傅里叶变换。复色光的干涉图是所有单色光成分对应的余弦干涉图的线性叠加，经过傅里叶变换可复原光谱。,40,（3）按扫描方式分类,A、挥扫方式（Whiskbroom）：采用单元或线阵探测器作为敏感元件，在飞行器运动的同时，一个扫描镜快速在垂直于飞行方向扫描，两种运动共同扫出一条带状轨迹。 B、推扫方式（Pushbroom）：采用线阵或面阵探测器作为敏感元件，线列探测器在光学焦面上垂直于飞行方向作横向排列，当飞行器运动时，横排的探测器好像刷子扫地一样扫出一条带状轨迹。,41,42,线性扫描方式： 使用单个探测元件扫描得到整景影象。 掸扫式扫描（线性探测器+光机扫描型）： 使用几个沿

19、航向排列的探测元件获取平行扫描线组，目前波段全，使用性强仪器多属此类，如AVIRIS、Deadalus系列，MAIS、OMIS以及 MSS、TM、AVHRR、 “风云”气象卫星等。 优点：空间扫描通过扫描镜摆动在物方面完成，总视场角大(可高达90度)，像元配准好，不同波段在任何时候都凝视同一像元，光谱覆盖范围宽(从可见光一直到热红外波段)，在10-20nm光谱分辨率的情况下，其辐射分辨率基本能够满足。 缺点：由于光机扫描，每个像元凝视时间短，进一步提高光谱分辨率和辐射灵敏度比较困难。,43,推扫式扫描（面阵探测器+空间扫描型）：二维面阵列探测器，一维可用作光谱仪，另一维则为一线性阵列，以推扫的

20、形式，图象一次建立一行而不需要移动元件。目前可见光、近红外波段此类仪器较多。如：AIS-1，AIS-2，CASI，HYDICE （210个波段）、PHI以及SPOT/HRV。 优点：空间扫描由器件的自扫描完成，像元凝视时间长，可提高系统的灵敏度或者空间分辨率，可见光波段器件成熟，光谱分辨率可达到1-2nm；由于记录每行数据的探测元件间有固定关系，且它消除了因扫描过程中扫描镜速度变化所引起的几何误差；由于CCD是固态微电子装置，体积小、重量轻、能耗低。由于没有光机扫描仪的机械运动部件，线性系统稳定性好，结构的可靠性高，使用寿命长。 缺点：大量探测器之间灵敏度的差异，会产生带状噪声；CCD短波红外

21、灵敏度低，热红外暂时不可能感应；总视场一般不如光机扫描仪；由于光学设计上的困难，总视场只能达到30度左右。,44,（3）按分光类型分类,A、棱镜色散型（Prism）：依靠不同波长的光线在棱镜中有不同的折射率进行分光。 B、光栅衍射型（Grating）：依靠不同波长的光线在光栅上有不同的衍射角进行分光。 C、滤光片型（Filter）：在面阵探测器的不同行上，覆盖或耦合不同波长的带通滤光片，然后沿探测器列方向推扫。 D、干涉型（Interferometer）：不同波长的单色光经过干涉仪后形成不同频率的余弦干涉图，二者互为傅里叶变换。复色光的干涉图是所有单色光成分对应的余弦干涉图的线性叠加，经过傅里

22、叶变换可复原光谱。,45,（4）按重构方式分类,A、直接型：色散型、衍射型或滤光片分光的光谱图像，可以通过加减法获得。 B、傅里叶变换型（Fourier Transform）：干涉型分光获得的是干涉图，需要经过傅里叶变换才能间接得到光谱图像。 C、计算层析型（Holography）：将三维图像投影到两维探测器上，通过拉顿变换重构三维图像。在光谱成像仪中，三维图像就是数据立方体，通过分光元件将光谱维投影到探测器上，然后重构。,46,中国科学院遥感飞机一Cessna Citation S/II,遥感平台,47,航空平台,1: 运5，常州 2: GYRO 稳定平台 3: 空中国王，日本名古屋,遥感平

23、台,48,航天平台 (The EO-1 orbit is slightly to the east of Landsat-7, with an equatorial crossing time one minute later than that of Landsat-7. This results in EO-1 passing over the same ground-track as Landsat-7, one minute later. ),遥感平台,EO-1 launched on November 21, 2000,三、高光谱遥感器的发展,70年代末，美国加州理工学院喷气推进实验

24、室（JPL） 学者提出（Goetz）。 1983年，世界上第一台成像光谱仪问世，AIS-1（Airborne Imaging Spectrometer）问世，64波段。 1987年，航空可见光/红外成像光谱仪AVIRIS，224波段 1999,12,8，第一台星载中分辨率成像光谱仪MODIS升空； 2000年第一台星载高分辨率成像光谱仪 HYPERION升空。 1991年，中国第一台航空成像光谱仪（MAIS）运行; 2002年3月中国星载中分辨率成像光谱仪CMODIS升空；,第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪AIS(Airborne Imaging Spectrometer)，64个通道，光谱覆

25、盖范围从990-2400nm,光谱分辨率9.3nm。 第二代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪 AVIRIS(Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer)，224个通道，光谱范围410nm-2450nm，光谱分辨率10nm。 220波段的星载HYPERION（2000年E0-1卫星携带升空） 第三代成像光谱仪为傅立叶变换高光谱成像仪（美国2000年7月MiSat-II卫星携带升空） FTHSI( Fourier Transform Hyperspectral Imager) ，256个波段，光谱范围400nm-1050nm，光谱分辨率2-10nm。,美国：AIS，AVIRIS、 WIS（812波段）、PROBE、TEEMS、 MODIS 、 Hyperion、 FTHSI AHI（256个热波段）、SEBASS（ 242个热波段） 澳大利亚：Hymap、ARIES、TIPS（100个热波段） 加拿大： CASI 德国：ROSIS 法国：IMS 芬兰：AISA 欧空局：CHRIS （2000年10月22日PROBA小卫星） 日本：GLI 中国：MAIS、PHI、OMIS-1（10个热波段）、 CMODIS（神舟III号） 、HIS/HJ（环境减灾小卫星