遥感地质学课件:专题-高光谱遥感及其应用.ppt
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- 遥感 地质学 课件 专题 光谱 及其 应用
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1、1高光谱遥感数据处理技术2主要内容n1 概述 n2 高光谱遥感数据定标模型n3 高光谱遥感数据分析方法n4 软件实习31 概述n1.1 高光谱遥感发展历史n1.2 高光谱遥感概念n1.3 常见的成像光谱仪n1.4 成像光谱仪成像机理和性能41.1 高光谱遥感发展历史n70年代末80年代初,在研究归纳各种地物光谱特征的基础上,形成这样一个概念:如果能实现连续的窄波段成像,那么就有可能实现地面矿物的直接识别,由此产生了光谱和图象结合为一体的成像光谱技术。n1983 年美国喷气推进实验室研制出第一台航空成像光谱仪(AIS-1),随后包括中国在内的许多国家都研制成功了一系列成像光谱仪。n高光谱分辨率成
2、像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究,逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。 51.2 高光谱遥感概念n使用很多的窄波段(一般 200),),具有高的辐射分辨率;n涉及光谱学 分析光谱数据的细节n经常使用光谱库n预处理进行图象辐射信息到光谱反射率的校正61.2高光谱遥感概念71.2高光谱遥感概念81.3 常见成像光谱仪1.3.1 Airborne Imaging Spectrometer (AIS) (机载成像光谱仪) q 128 bandsq 10 nm bandwidth (vs. 100 200 nm for TM)q Operated in early 1980
3、sq 最早的高光谱遥感器之一91.3 常用的成像光谱仪1.3.2 Airborne Visible InfraRed Imaging Spectroradiometer (AVIRIS) (机载可见光红外成像光谱仪)n1980年代早期由 JPL (NASA)研制,1989投入工作;n224 波段,光谱区间 380 2500 nm(与TM类似);n每个波段的光谱宽度10 nm (光谱分辨率);n高空平台空间分辨率 20 m,低空平台为 4 m;n图象一景大小:11 km 列 x 10 km 长 ,(存储空间140M)n一般飞行高度海拔 20 km,664PIXELS,飞机平台为NASA ER-2
4、 (U2飞机的改进版)n航速约 730 km/hr。101.3.2 Airborne Visible InfraRed Imaging Spectroradiometer (AVIRIS) (机载可见光红外成像光谱仪)11AVIRIS: Death Valley http:/www.gis.uiuc.edu/mojave/avirs.htm121.3 常用的成像光谱仪1.3.3 Hyperion (EO-1)卫星高光谱遥感器n220 波段,光谱区间:400 nm 2500 nmn空间分辨率:30 m;n图象大小: 7.5 km x 100 kmn2000年11月由“德尔它”2运载火箭成功发射,
5、并把它送入与“陆地卫星”7( 1999年4月发射)相同的运行轨道。131.3.3 Hyperion (EO-1)卫星高光谱遥感器n随同EO-1一起发射的还有阿根廷的SAC-C环境研究卫星和瑞典空间物理研究所的Munin纳米卫星。 nSAC-C卫星也在“陆地卫星”7的轨道上,尾随EO-1卫星飞行。在该轨道上运行的还有NASA去年12月发射的Terra地球观测卫星。NASA将利用在同一轨道上的4颗卫星进行高级编队飞行。编队飞行的顺序是:“陆地卫星”7在前,依次尾随的是EO-1、SAC-C和Terra卫星。这种飞行将依靠模糊逻辑算法的星载导航软件控制,以解决可能出现的导航和使用冲突问题。2001年,
6、NASA还将发射Aqua、Aura两颗卫星参加“陆地卫星”7的编队飞行。 14Hyperion Relative cholorophyll content of vegetation, Fairfax, VA151.3 常用的成像光谱仪1.3.4 OrbView-4n由商业公司(轨道科学公司 )运营的卫星,载有高光谱遥感器n200 波段,光谱区间: 450 2500 nmn8 m 空间分辨率 (政府)n20 m 空间分辨率 (公开的)n卫星周期 3 天。n2001年9月21日由美国金牛星火箭发射,发射失败。161.3 常用的成像光谱仪1.3.5 NASA Terra Moderate Reso
7、lution Imaging Spectrometer (MODIS)http:/modis.gsfc.nasa.gov/about/design.html n12-bit sensorsn36 spectral bandsn0.4 to 14.4 mn250, 500, 1000 meter GRnAtmospheric studiesnGlobal environmental studies171.3.5 MODIS中分辨率成像光谱仪(MODIS)是美国宇航局研制大型空间遥感仪器。它在36个相互配准的光谱波段、以中等分辨率水平(0.25Km1Km)、每12天观测地球表面一次。获取陆地和海洋
8、温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、汽溶胶、水汽和火情等目标的图像。MODIS测量的基本目标可概述如下:1) 陆地和海洋表面的温度和地面火情。2) 海洋彩色,水中沉积物和叶绿素。3) 全球植被测绘和变化探测。4) 云层表征。5) 汽溶胶的浓度和特性。6) 大气温度和湿度的探测,雪的覆盖和表征。7) 海洋流。 181.3.5 MODIS 整个仪器重量274Kg,电源功率平均163W,峰值时169W。数据率平均6.2Mbps,白天10.8Mbps,夜间2.55Mbps。MODIS仪器操作,在轨日夜连续操作。正常的获取科学数据,在白天,所有波段均操作运行。在轨道的夜间时段,只有热红外波段收集数据。
9、空间分辨率: 250 m (波段12);500 m(波段 37);1000m(波段836) MODIS在辐射度灵敏度、光谱带宽和几何配准的精密度、和定标的准确度和精密度等技术条件上都达到较高水平。191.3.5 MODIS技术指标技术指标波段 1 19的单位是nm;波段20 36 是m;分谱辐射率值的单位为 W/m2 m sr)201.3.5 MODIS 技术指标(续)技术指标(续)211.3.5 MODIS 产品产品22July 29, 2002 Hurricane Elida23July 31, 2002 Fires in Oregon241.3 常用的成像光谱仪1.3.6 其他Canad
10、ian Compact Airborne Spectrographic Imager-2 (CASI-2)NASA Terra Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS)NASA Earth Observer Advanced Land Imager (ALI)MAIS, 20世纪90年代初,中国科学院上海技术物理研究所,71波段;推扫式超光谱成像仪(PHI), 1995年,244波段 详细参考浦瑞良,宫鹏高光谱遥感及其应用2327.251.4 成像光谱仪工作原理和性能n有以线阵探测器为基础的光机扫描型,n有以面阵探测器为基础的固态推扫型,
11、n也有以面阵探测器加光机的并扫型。261.4 成像光谱仪工作原理和性能成像光谱仪主要性能参数是:噪声等效反射率差(NEp ),体现为信噪比(SNR);瞬时视场角(IFOV),体现为地面分辨率;光谱分辨率,直观地表现为波段多少和波段谱宽。噪声等效反射比差噪声等效反射比差:地物对太阳辐射为朗伯体,遥感器输出的峰值信号和均方根噪声比为1时,相邻两个像元之间的反射率差。 NE/(Vs/Vn) :产生信号电压Vs所要求的地物辐射反射率变化,Vn噪声电压。271.5 高分辨率图象的主要分析技术超多维光谱图象信息的显示,如图象立方体的生成;光谱重建,即高光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法,依此实现成
12、像光谱信息的图象-光谱转换;光谱编码,尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法;基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法;混合光谱分解模型;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。281.6 高光谱遥感主要应用领域大气大气: 水蒸气, 云的特性, 气溶胶 生态生态: 叶绿素, 叶子中的水分, 纤维素, 色素,木质素 和营养成分地质地质: 岩石、矿物类型、土壤类型、烃探测 海岸带水环境海岸带水环境: 叶绿素, 浮游植物, 溶解的有机质, 悬浮泥沙 雪雪/冰冰: 雪被snow cover fraction, 颗粒, 融解 植被燃烧植被燃烧: 亚像元的温度, 烟雾 商业商业
13、: 矿产开发, 农业和森林产量,精准农业292 高光谱遥感数据定标模型q光谱曲线是高光谱数据应用的基础;q比较遥感得到的光谱曲线和光谱库中的光谱曲线;q成像光谱仪的定标包括光谱定标与辐射定标;q光谱定标的任务是确定各通道的光谱中心波长位置和通过特性 (等效通带宽度和通带函数 );q辐射定标的任务是在成像光谱仪探测器和数字化输出和地面光谱辐亮度之间建立定量关系 ,并在整个任务期间进行监视。30Why?n地球大气层中有7中气体在 0.4 - 2.5 UM之间有吸收特征,他们是: 水蒸气, 二氧化碳,臭氧, 一氧化氮,一氧化碳,甲烷,氧气。31Why?322 高光谱遥感数据定标模型2.1 基于图像本
14、身特征转换模型2.2 基于地面定标的经验线性模型 (EL)2.3 基于大气辐射理论的定标模型 (RT)2.4 基于光谱混合理论的定标模型2.5 其它定标模型332.1 基于图像本身特征转换模型基于图像本身特征转换模型2.1.1 FF(平面场模型)(平面场模型)2.1.2 IARR(内在平均相对反射率模型)(内在平均相对反射率模型)2.1.3 对数残差修正模型对数残差修正模型342.1.1 平面场定标模型 (FF)nFF模型已广泛地应用在成像光谱遥感数据处理中 。n这种模型要求在处理的图像数据中 ,存在具有非吸收特征的一定面积的地质单元 ,并求出该地质单元中像元的平均光谱 ,n然后 ,对图像中每
15、一像元的光谱都除以该地质单元平均光谱值 ,从而使整幅图像数据进行定标。352.1.2 内在平均相对反射率模型 (IARR)n该模型将每一波段图像的光谱值分别进行平均 ,得到整幅图像的平均参考光谱 ,对图像中每一像元的光谱都除以该平均参考光谱 ,便得到了定标后的成像光谱遥感图像.n缺点:人为噪声经定标后很容易当成光谱特征 ,一些实际的光谱特征却可能被压缩 ,甚至丢失 ,这取决于图像中对应的起主要作用的物质的光谱特性。362.1.3 对数残差修正模型n该模型是假设遥感器测到的辐射值 Di与在波长处的像元 i的反射率 Ri具有以下关系 :DNi= Ti Ri I式中 , Ti 是地形因子 ,表示对一
16、给定的像元 ,相对所有的光谱段它是一常数 ,由它可以说明辐射亮度的变化是由于探测角度及坡向的差异带来的。 I是照度因子 ,它描述了太阳的辐射亮度曲线 ,在给定的光谱段 ,对所有的像元它都保持恒定。372.1.3 对数残差修正模型对等上式两边取对数可得 log(Ri) =log(DNi) - log(Ti) - log(I) 式中 , log(DNi)是像元 i在光谱段 处遥感器接收到的信号值的对数 ; log(Ti)是对所有光谱段 (每像元一个值 )上 ,像元 i的对数平均 ; log(I)是对一给定的光谱段 (每一个通道一个值 )上 ,所有像元对数的平均。n优缺点:能较好地消除大气影响外 ,
17、 能较好地消除由地形因子带来的偏差 ,但在定标后的图像中也存在一些噪声和特征压缩问题。382.2 基于地面定标的经验线性模型 (EL)n该模型假定地面目标反射率与成像光谱仪探测器获得的信号之间具有线性关系 : DNb=() Ab+Bbn式中 , DNb表示在波段 b上,给定像元的信号值大小 ; ()为该像元所对应的地面目标在波段 b上的反射率值 ; Ab为影响 DNb值的倍增项如大气透过率与仪器因子 ; Bb代表加性因子,如大气程辐射和遥感器的零响应等。n优缺点:该模型计算简单 ,但需进行同步实地定标点的光谱测量 ,且对实地定标点要求比较严格。地形起伏等。392.3 基于大气辐射理论的定标模型
18、 (RT)nL owtran6计算一给定大气路径的大气透过率和辐射量。这种模式算法计算中包括气溶胶和分子的吸收与单次散射辐射。光谱分辨率为 2 0 cm- 1 ,这有利于进行波长校正 ,同时为飞行中的遥感器提供有效的光谱响应 ,目标高度向上和向下透射部分可分开计算。 nLow-tran7的基本改善使它能计算多次散射辐射并可用来计算地表物体的发射率。402.3 基于大气辐射理论的定标模型 (RT)n式中 , LAIS()是成像光谱遥感器测得的信号值 ; Lpath()是对 0 %反照率表面进行计算所得到的程辐射 ; Llambertian()是对 1 0 0%反照率的朗伯表面进行计算而得到的 ;
19、 ()为定标后的光谱反射率反演值。412.3 基于大气辐射理论的定标模型 (RT)nATREM 3.0 (Atmosphere Removal Program) 科罗拉多大学地球和空间科学研究中心 n针对AVIRIS or HYDICE 高光谱数据集, n将图象数据转换为放缩的表面反射率(scaled surface reflectance) nATREM 假设:表面水平,表面是朗伯反射n如果有地形数据的加入,可以将放缩的表面进一步转换反射率真实表面反射率。ncses.colorado.edu/pub/atrem422.4 基于光谱混合理论的定标模型n基于光谱混合理论的定标模型 是假定光谱的混
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