01高光谱遥感第一讲

研究生选修课：《高光谱遥感》2009-2010学年第二学期

高光谱遥感

Lecture 1：An Overview of Hyperspectral Remote

Sensing

主讲：张显峰

北京大学地球与空间科学学院

遥感与GIS研究所

2010年3月1日

研究生选修课：《高光谱遥感》2009-2010学年第二学期

Who am I?

?张显峰，副教授，北京大学遥感与地理信息系统研究所

?1993～2000，中国科学院遥感应用研究所工作

?1997～2000，获中国科学院遥感所地图学与地理信息系统专业博士学位

?2001～2005，获加拿大西安大略大学遥感信息科学专业博士学位

?Contact Information(联系方式):

Email: xfzhang@,

Tel:62759123 RM: 遥感楼427

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课程说明

课程名称（中文）：高光谱遥感

课程名称（英文）：Hyperspectral Remote Sensing

学分/学时：2 / 34

课程类型：专业选修

星期一:7、8节（14:40 -15:30）；理教116

/persons/zhangxianfeng/HyperRS

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课程目标

为“摄影测量与遥感”专业研究生开设的专业选修课程，重点介绍高光谱遥感的基本理论与概念、高光谱数据处理、专题信息提取与应用；

作为遥感技术的重要研究前沿，本课程将重点介绍数据处理方法与前沿研究领域与问题；

以高光谱数据在岩性矿物信息提取和生态遥感研究中的应用为实例，揭示高光谱遥感的应用特点与前景。

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选课要求与考试方式

?选修要求：选修本课学生应该具有一定的地学与遥感背景。

?授课方式：主要采用授课、实验与专题研讨的方式。

?成绩计算：以100分为满分，计算如下：

上课与讨论考勤：8 %

课程讨论与PPT报告(1次)：12 %

实习课作业（2次）：20 %

期末考试：60 %

其中，考勤计算如下：≥90%: 8分；≥80%: 5分；≥67%:3分;

< 67%: 0分；

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教学内容目录

第一章高光谱遥感概述

（第1讲）

1. 高光谱的概念

2. 高光谱起源、发展过程

3. 高光谱遥感系统及主要传感器

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1. 高光谱遥感的物理基础（Lecture 2）

2. 典型地物光谱特征及其成因

（植被、土壤、水、矿物、城市等）（Lecture 3）

3. 高光谱遥感的成像机理

第二章高光谱遥感的理论与技术基础

（第2-3讲）

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教学内容目录

1.高光谱图像辐射定标

2. 高光谱图像大气纠正

3. 高光谱图像几何纠正

第三章高光谱图像辐射定标、大气纠正与几何纠正

（第4-5讲）

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教学内容目录

第四章光谱特征分析

（第6-8讲）

1.光谱特征选择与特征提取

2. 光谱数据库与光谱分析

3. 混合光谱理论与光谱分解

4. 端元光谱提取与小目标探测

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教学内容目录

第五章高光谱图像分类与地物识别

（第8-9讲）

1.高光谱图像特点

2. 高光谱图像分类算法

3. 高光谱图像地物识别

4. 多源数据辅助高光谱图像分类

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教学内容目录

第六章高光谱遥感应用

（第10讲）

1.高光谱遥感在植被研究中的应用

2. 高光谱遥感在地质研究中的应用

3. 高光谱遥感在大气、水文、灾害、城市环境

调查及军事等领域的应用

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教学内容目录

上机实习

（第11-12讲）

1.大气辐射校正实验

2. 使用ENVI高光谱工具进行矿物提取实验

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教学内容目录

课堂讨论

给定几个具体题目，每人选择一个，

进行研究，最后到课堂介绍你的工作。

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本课程教学的方法

1 上课总学时36 学时

2 讲课学时20 学时（10次）

3 课堂讨论学时 6 学时（课堂1次）

4 实习课8 学时（2次）

5 期末考试 2 学时

Total=36 学时/2学分

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参考书

1.《高光谱遥感》，童庆禧, 张兵, 郑兰芬编著，高等教育出版社，2006年

2.《高光谱遥感的多学科应用》，童庆禧, 张兵, 郑兰芬编著，电子工业出版社

2006

3.《高光谱遥感及其应用》浦瑞良, 宫鹏著，高等教育出版社2000年

4.《遥感岩矿信息提取基础与技术方法研究》甘甫平, 王润生著主编，北京地质

出版社，2004年。

5. Quantitative remote sensing of land surfaces/Liang,

Shunlin, Hoboken, N.J. : Wiley-Inter-science, c2004、c2008

6. Remote sensing geology/ Ravi P. Gupta. Berlin ; New York :

Springer, c2003.

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第一讲高光谱遥感概述

高光谱的概念

高光谱起源、发展过程

高光谱遥感系统及主要传感器

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高光谱的概念

光谱分辨率

高光谱

为什么用高光谱?

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传感器的主要指标－分辨率 空间分辨率：遥感图像上能够详细区分的最小单

元的尺寸大小。

9像元（pixel）：将地面信息离散化的格网单元，单位

为米。

9瞬时视场角（IFOV）:指传感器到地面最小面积间构成

的空间立体张角及瞬时视域，又称角分辨率。通常用毫

弧度mrad表示。

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摆扫式

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推扫式

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光谱分辨率：传感器记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围值。波长范围越宽，光谱分辨率越低。研究生选修课：《高光谱遥感》2009-2010学年第二学期

波段宽度

Wavelength, band width, central wavelength

FWH Ｍ：Full Width

at Half Maximum, 半峰波宽

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时间分辨率：对同一目标进行重复探测时，相邻两次

探测的时间间隔，可以提供地物动态变化的信息。可

分为三类：

9超短周期：一天内的变化。

9中周期：一年内的变化

9长周期：以年为单位的变化

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高光谱遥感

（hyperspectral remote sensing）

利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据

具有比较高的光谱分辨率，通常达到10-2λ数量级

高光谱遥感具有波段多的特点，光谱通道数多达数十甚至数百个以上 各光谱通道间往往是连续的，因此又通常被称为成像光谱（Imaging Spectrometry）遥感

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高光谱分辨率（简称为高光谱）遥感或成像光谱遥感

技术的发展是过去二十年中人类在对地观测方面所取

得的重大技术突破之一，是当前遥感的前沿技术。

它是指利用很多很窄的电磁波波段获取许多非常窄且

光谱连续的图像数据的技术，融合了成像技术和光谱

技术，准实时地获取研究对象的影像和每个像元的光

谱分布。

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多光谱传感器的光谱分辨率

Landsat TM/ETM Bands Wavelength 光谱分辨率

ETM+ band 1 blue 0.45 -0.515 65nm (478)

ETM+ band 2 green 0.525 -0.605 80nm(565)

ETM+ band 3 red 0.63 -0.690 60nm (660)

ETM+ band 4 near infrared 0.75 -0.90 150nm (825)

ETM+ band 5 shortwave IR 1.55 -1.75 200nm(1650)

ETM+ band 6 thermal IR 10.40 -12.5 2100nm (11.45)

ETM+ band 7 shortwave IR 2.09 -2.35 260nm (2220)

ETM+ band 8 panchromatic 0.52 -0.90 10-1λ

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国际遥感界认为光谱分辨率在10-1λ数量级范围内的为多光谱(Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱

区只有几个波段，如美陆地卫星TM和法国SPOT卫星等;

光谱分辨率在10-2λ的遥感信息称之为高光谱

(Hyperspectral)遥感。由于其光谱分辨率高达纳米(nm)数

量级，往往具有波段多的特点，即在可见到近红外光谱区其光谱通道多达数十甚至超过100以上。

随着遥感光谱分辨率的进一步提高，在达到10-3λ时，遥感即进入了超高光谱(Ultraspectral)阶段

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光谱区域（nm ）： 400 700 1100 2500 5500 14000

VIS PIR MIR VNIR

Sunlight IRT

光谱分辨率

波段数 Δλ/λ VNIR MIR IRT 多光谱

5-10 0.1 50-100 100-200 1000-2000 高光谱 100-200 0.015-2010-50100-500 研究生选修课：《高光谱遥感》2009-2010学年第二学期

?Panchromatic , Multispectral , Hyperspectral

Panchromatic &

color photography Hyperspectral

Multispectral

>10-2λ

10-1λ

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z 光谱分辨率高(λ×10-2)z 波段多?数十到数百z 谱?像合一的特点z 信息量大，一次数据获取达千兆(GB)级

z 数据速率高，数十?数百兆比特/秒

z 能获取地物目标的精细光谱特征

z 综合地面目标的空间维、时间维、光谱维特征

z 探测各种目标的成分属性及动态目标的状态属性

z 有利于利用光谱特征分析来研究地物

z 有利于采用各种光谱匹配模型

z 有利于地物的精细分类与识别

z 各种需识别地面目标的领域

z 农业、地质、城市、环境、军事特

点能力优点应用

（伪装与反伪装）（侦察与反侦察）研究生选修课：《高光谱遥感》2009-2010学年第二学期

高光谱图象立方体（HSIC）

成像光谱仪在空间成像的同时，以相同的空间分辨率记录下几十或者成百的光谱通道数据，它们叠合在一起，就构成了高光谱图像立方体，从高光谱图像立方体的每个像元均可提取一条连续的光谱曲线。

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扫描方向波段方向航向单个像元的光谱曲线

不同地物的光谱曲线研究生选修课：《高光谱遥感》2009-2010学年第二学期

影像立方体：image cube

光谱曲线：Spectral curve

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为什么用高光谱?

地物的波谱识别，使很

多在宽波段遥感中不可

探测的物质的探测成为可能

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明矾矿在高光谱与多光谱上的波谱差别

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光谱曲线

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高光谱起源、发展过程

1970s年代开始有了雏形

1983年第一个航空成像光谱仪（AIS-1）面世，推扫二维面阵成像，0.4-0.9 μm

1987年第二代高光谱成像仪问世（AVIRIS）, 扫描式阵

列成像，首次获得了0.4-2.5μm波段数据(224)

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最初应用于地质研究

应用于植被监测

应用于水质监测