高光谱遥感

(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
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高光谱影像分析技术：
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
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PHI和OMIS成像光谱仪的技术指标
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• 2002年3月在我国载人航天计划中发射的第三艘试验飞船“神 舟三号”中，搭载了一台我国自行研制的中分辨率成像光谱 仪。这是继美国EOS计划MODIS之后，几乎与欧洲环境卫星 （ENVISAT）上的MERIS同时进入地球轨道的同类仪器。它 在可见光到热红外波长范围（0.4-12.5μm）具有34个波段。 • 2007年10月24日我国发射的“嫦娥-1”探月卫星上，成像光谱 仪也作为一种主要载荷进入月球轨道。这是我国的第一台基 于富里叶变换的航天干涉成像光谱仪，它具有光谱分辨率高 的特点。 • 2008年发射的环境与减灾小卫星（HJ-1）星座中，也搭载一 台工作在可见光—近红外光谱区（0.45—0.95μm）、具有128 个波段、光谱分辨率优于5nm的高光谱成像仪。它将对广大 陆地及海洋环境和灾害进行不间断的业务性观测。 • “风云-3”气象卫星也将中分辨率光谱成像仪作为基本观测仪 器，纳入大气、海洋、陆地观测体系，为对地球的全面观测 和监测提供服务。
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我国高光谱发展：
• 80年代，研制和发展了新型模块化航空成像光谱仪 （MAIS）。这一成像光谱系统在可见—近红外—短波红 外具有64波段，并可与6-8波段的热红外多光谱扫描仪集 成使用，从而使其总波段达到70—72个。
• 高光谱仪器的研制成功，为中国遥感科学家提供了新的技 术手段。通过在我国西部干旱环境下的地质找矿试验，证 明这一技术对各种矿物的识别以及矿化蚀变带的制图十分 有利，成为地质研究和填图的有效工具。
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常规遥感的局限
• • • • 波段太少 光谱分辨率太低 波段宽一般>100nm 波段在光谱上不连续，不能覆盖整个可 见光至红外光(0.4~2.4nm)光谱范围。
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• 高光谱遥感具有不同于传统遥感的新特点，主要表现 在： • （1）波段多——可以为每个像元提供几十、数百甚至 上千个波段； • （2）光谱范围窄——波段范围一般小于10nm； • （3）波段连续——有些传感器可以在350~2500nm的 太阳光谱范围内提供几乎连续的地物光谱； • （4）数据量大——随着波段数的增加，数据量成指数 增加； • （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 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。
第四章 高光谱遥感概论
成像技术：
• • • • 全色（黑白）--彩色摄影—多光谱扫描成像—高光谱遥感 1960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。 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。 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）。 1980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）。
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数据处理：
• 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 。 • 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。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。
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• （2）植被研究方面。 • 植被中的非光合作用组分用传统宽带光谱无法 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。
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• （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，同时 又要尽可能地保留研制了更为先进的推帚式成像光谱仪 （PHI）和实用型模块化成像光谱仪（OMIS）等。
• PHI成像光谱仪在可见到近红外光谱区具有244个波段，其 光谱分辨率优于5nm； • OMIS则具有更宽泛的光谱范围，具有128波段，其中可 见—近红外光谱区（0.46—1.1μm）32波段，短波红外区 （1.06—1.70μm及2.0—2.5μm）48波段，中波红外区 （3.0—5.0μm）8波段，热红外区（8.0—12.5μm）6—8波 段。 • 新的成像光谱系统不仅继续在地质和固体地球领域研究中 发挥作用，而且在生物地球化学效应研究、农作物和植被 的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面都 有很好的结果。
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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，利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。与此相对的方法，是地物光谱重 建和重建的光谱与数据库光谱的匹配识别。
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高光谱的应用
• 由于高光谱图像具有很高的光谱分辨率，因而能够提 供更为丰富的地物细节，有利于地物物理化学特性的 反演。 （1）海洋遥感方面。 • 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。
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• （3）精细农业方面。 • 土壤的水分含量、有机质含量、土壤粗糙度等特性是 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。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。
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• 成像光谱技术则把遥感波段从几个、几十 个推向数百个、上千个。高光谱遥感数据 每个像元可以提供几乎连续的地物光谱曲 线，使我们利用高光谱反演陆地细节成为 可能。 • 高光谱遥感技术已经成为当前遥感领域的 前沿技术。
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高光谱遥感的特点
• 一般认为，光谱分辨率在10-1λ数量级范 围内的遥感称为多光谱(Multi-spectral)遥 感，光谱分辨率在10-2λ数量级范围内的 遥感称为高光谱(Hyper-spectral)遥感，光 谱分辨率在10-3λ数量级范围内的遥感称 为超光谱(Ultra-spectral)遥感。
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• 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。 • 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。
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历史：
• 20世纪80年代兴起的新型对地观测技术——高光谱遥感技 术，始于成像光谱仪(Imaging Spectrometer)的研究计划。 该计划最早由美国加州理工学院喷气推进实验室（Jet Propulsion Lab，JPL）的一些学者提出。 • 1983年，世界第一台成像光谱仪AIS－1在美国研制成功， 并在矿物填图、植被生化特征等研究方面取得了成功，初 显了高光谱遥感的魅力。 • 在美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的支持下，相继推出了系列成像 光谱仪产品。如：机载航空成像光谱仪（AIS）系列；航 空可见光/红外成像光谱仪（AVIRIS）；星载中分辨率成 像光谱仪（MODIS）；高分辨率成像光谱仪（HIRIS）等。 • 在此后，许多国家先后研制了多种类型的航空成像光谱仪。 如美国的AVIRIS、DAIS，加拿大的FLI、CASI，德国的 ROSIS，澳大利亚的HyMap等。 16
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概念：
• 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<10nm）、完整而连续的光谱 数据。 • 高光谱遥感技术，始于成像光谱仪(Imaging Spectrometer)的 研究计划，它的发展得益于卫星技术、传感器技术以及计算 机技术的高速发展。 成像光谱仪为每个像元提供数十个至数百个窄波段的光谱信 息，每个像元都能产生一条完整而连续的光谱曲线。这就是 高光谱遥感与常规遥感的主要区别。 如一个TM波段内只记录一个数据点，而航空可见光/红外光 成像光谱仪(AVIRIS)记录这一波段范围内的光谱信息用10个 以上数据点。