高光谱遥感原理与应用01
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辐射量度分辨率：8bit 12bit 更高
时间分辨率：要求愈来愈高。 采用小卫星群技术
对于数据存储、传输和处理来说，同时提高光谱分辨 率和空间分辨率将面临巨大挑战和技术瓶颈。
超光谱，2151通道
反射率％
60
绿叶女贞 沥青路面 水泥路面 红地砖 鹅卵石 运河浊水体 鱼塘清水体
50
40
30
20
10
0 350
美国SOC公司
光谱分辨率： 5nm 波段数：128 行像素数：696
主 要 研 究 内 容 及 成 果
数据 预处 理子 系统 数据 输入
10 0 350 850 1350 1850
波长nm
2350
CZ 042
广场地面材料(花岗岩类)反射光谱曲线
反射率％
60
广场材料（花岗岩类）汇总
HG01_ave HG041_ave HG042_ave HG043_ave HG044_ave HG045_ave HG046_ave HG04A_ave
2. 技术和数据
HySpex VNIR地面或机载应用高光谱成像系 （挪威）
植被与沥青的辐射亮度值曲线
2. 技术和数据
美国Headwall Photonics 公司
光谱分辨率： 2-3nm 波段数：675 行像素数：1004
2. 技术和数据
美国Headwall Photonics 公司
2. 技术和数据
TX4（程度4）
TX0（正常）
TX1（程度1）
TX2（程度2）
TX3（程度3）
（二）遥感平台 太空平台
20KM
航空平台
车载 或 手持平台
100M
（三）遥感图像的分辨率及发展趋势 空间分辨率 光谱分辨率 辐射量度分辨率 时间分辨率
1. 空间分辨率
空间分辨率
传感器单元大小 焦距长度 飞行高度
传感器
运行中的PHI（左） 及其参数（右上）， 80波段PHI图像立 方体（右下，中国 常州）
2. 技术和数据
HySpex VNIR地面或机载应用高光谱成像系 （挪威）
光谱范围：400-1000 nm 光谱分辨率： 4 nm 波段数：160 行像素数：1600
2. 技术和数据
HySpex VNIR地面或机载应用高光谱成像系 （挪威）
350 550 750 950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350
波长
W6 94.04
样
点
W1 92.79
W2 89.22
W3 92.35
W4 92.96
W5 94.93
叶相对含水量
叶片含水量
表土含水量
76.67
0.87
78.23
2.03
79.40
0.86
79.92
1350
1850
波长nm
2350
SU 4
SU 42
SU 41
SU 7
SU 6
SU 5
植被（绿化草地）反射光谱曲线
反射率％
60
植被（绿化草地）汇总
CD01_ave CD02_ave CD03_ave CD041_ave
50
40
30
CD 01
20
10
0 350
850
1350
1850
波长nm
2350
CD 02
MAIS：云南腾冲火山群
2. 技术和数据
OMIS系统（Operational Modular Imaging Spectrometer）
128 波段
波段 64 (64,32,16) 16 (8,1) 32 (32,1) 8 (8,1) 8 (8,1) 波长 (0.4~1.1um) (1.1~2.0um) (2.0~2.5um) (3.0~5.0um) (8.0~12.5um) 光谱分辨率 10nm 60nm 15nm 250nm 500nm
IFOV: 3mrad or 1.5mrad FOV: >70 degree
2. 技术和数据
¤÷ ¬½ «Ê ½ PHI（Push-broom Hyperspectral Imager) ¸ FOV IFOV S/N ¨Î ² ¶ Ê ý â Æ ¸ ¬¶ «Î § â Æ ¸ ¬Ö «ª æ Â Ê ñ Ô Ï ª Ê ý â Æ ¸ ¬É ² Ñ ù × Á Ö ¿ ¡ Æ Ö µ ý ¾ Ê Ý Ë Ø Â Ê Ã Õ æ ó CCDÍ Æ É ¨ 0.36rad(21O) 1.0mrad 300 244bands VIS-NIR(400nm--850nm) <5nm 367pixels/line 1.86nm 9Kg 60Fr/sec 7.2Mb/Sec.
850
1350
1850
波长（nm） 2350
遥感分辨率与应用系统
资源 高光谱 农业 森林 国防 环境 光谱分辨率 多光谱
城市 交通 全色
地形图测图
100 m
10 m
1m
空间分辨率
源自文库
0.1 m
0.01 m
（四）高光谱遥感概述
1. 高光谱简介
特 点
光谱分辨率高(×10-2) 波段多数十到数百 谱像合一的特点 信息量大，一次数据获取达千兆(GB)级 数据速率高，数十数百兆比特/秒 能获取地物目标的精细光谱特征 综合地面目标的空间维、时间维、光谱维特征 探测各种目标的成分属性及有机目标的状态属性 有利于利用光谱特征分析研究地物 有利于采用各种光谱匹配模型 有利于地物的精细分类与识别 各种需识别地面目标的领域 农业、地质、城市、环境、军事（侦察与反侦察、伪装与反伪装）
CD 041
CD 03
路面材料(水泥)反射光谱曲线
反射率％
60
路面材料（水泥）汇总
50
SN 01
40
30 SN01_ave SN02_ave SN041_ave SN042_ave SN043_ave SN044_ave SN045_ave SN0451_ave 850 1350 1850 波长nm 2350
4-level
3. 时间分辨率
影像获取的时间间隔 卫星: Landsat – 16 days SPOT – 26 days IKONOS – 1-3 days 飞机: 可以起飞的任何时间
4. 光谱分辨率
波段数 & 波段宽度 一般的航空影像: 1-3 波段, 波段较宽 卫星影像: Landsat-7波段, >60 nm SPOT-3波段, >70 nm IKONOS-4波段, >60 nm QuickBird-4波段, >60 nm 高光谱遥感图像: 32-1024波段, 窄至 1 nm
40
30
20
10 土壤 0 350
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
2150
2350 波长
不同叶片水分含量情况下的光谱特征
60
反射率
叶片含水量(%) 80.3 79.5 79.9 79.4 78.2 76.7
W1_76.6 7 W2_78.2 3
50
40 W3_79.4 0 30 W4_79.9 2 20 W5_79.4 5 10 W6_80.3 4 0
Reflectance
Band width
Wavelength Reflectance
Band width
Wavelength
5. 现代遥感的发展趋势
空间分辨率：愈来愈高。 30m, 20m, 10m, 5m, 2.5m, 1m, 0.6m, 0.5m, 0.2m, 0.15m
光谱分辨率：愈来愈高。 小于10nm高光谱，小于1nm超光谱
焦距
飞行高度 成像CCD阵列
像元尺寸:
卫星平台: 30,20,10, 4,1,0.6m 航空平台: <0.1-5 m
像元 尺寸
瞬间视场
2. 辐射亮度分辨率
辐射亮度范围 数字化级别数:
卫星传感器: 8-bit = 256 11-bit = 2048 航空传感器: 8-bit = 256 10-bit = 1024 12-bit = 4096 16-bit = 65536 2-level
20
N20504
10
N20513
0 350
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
2150
2350 波长
不同叶面积指数情况下的光谱特征
反射率
60
叶面积指数 2.49 1.88 1.43 1.18 0.85 0.54 裸土
50
LAI 2.4907 LAI 1.8809 LAI 1.4293 LAI 1.1841 LAI 0.8503 LAI 0.543
SN 02
20
10
0 350
SN 041
SN 045
SN 044
SN 043
SN 042
路面材料(柏油)反射光谱曲线
路面材料（柏油）汇总
60
LQ01
50
40
LQ01_ave lQ_XBD_ave LQ02_ave LQ03_ave LQ04_ave LQ05_ave LQ06_ave LQ041_ave
HG01
50
40
HG041
30
20
HG 042
10
0 350
850
1350
1850
波长nm
2350
HG043
HG04A
HG046
HG045
HG044
小麦生长过程中不同生育期的光谱特征
反射率
60
观测日期 4月4日 4月14日 4月21日 5月4日 5月13日
N20404
50
40
N20414
30
N20421
水体汇总光谱曲线图
SH044_ave SH045_ave SH046_ave SH047_ave SH048_ave SH041_ave SH042_ave SH042BG_ave
SH044
SH046
SH045
850
1350
1850
波长nm
2350
SH047
SH042
SH042 背光
SH048
SH041
高光谱遥感原理与应用
杨敏华
一、遥感的物理学基础及高光谱遥感概述
（一）遥感的定义与原理
定义：一门综合运用物理原理、数学方法和地学规律，在远处（高空）
以非接触方式探测物体形状、性质和变化动态的新兴科学技术。
原理：遥感的理论基础是物理学，其核心是电磁波理论。
遥感波谱范围示意图
伽马 、 X-射线 <0.3 µ m 紫外线 0.3-0.4 µ m 可见光 蓝 0.4-0.5 µ m 绿 0.5-0.6 µ m 红 0.6-0.7 µ m 红外 近红外 0.7-1.3 µ m 中红外 1.3-5.0 µ m 远红外（热红外）5.0-15.0 µ m 微波 0.3-30 cm 无线电波 >30 cm
遥感用到的电磁波谱范围
大气对电磁波的选择吸收以及对应的遥感通道
大气对电磁波的选择吸收以及对应的遥感通道
遥感的物理学基础：
遥感的理论基础是物理学，依据是物体的电磁波谱。
植物 反射光谱 土壤
反射率
水体
波长
不同水质水体的反射光谱曲线
反射率％
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 350
1.75
79.45
2.28
80.34
4.20
叶面积指数
1.1994
1.124
0.944
0.956
0.884
1.146
小麦蚜虫发生状况及其光谱特征
反射率
100 90 80 70 60 50 40 30
成群中等蚜虫
正常叶片 成群小虫 密集大虫
成群较大蚜虫
成群蚜 虫
成群较 小蚜虫
成群较 大蚜虫
成群中 等蚜虫
反射率％
LQ01XBD
30
20
LQ02
10
0 350
850
1350
1850
波长nm
2350
LQ03
LQ041
LQ06
LQ05
LQ04
人行道材料(地面砖)反射光谱曲线
反射率％
60
人行道（地面转）材料汇总 CZ01_ave CZ041_ave CZ042_ave
50 40
CZ 01
30 20
CZ 041
20 10 0 350 正常叶 片
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
2150
2350 波长
小麦条锈发生状况及其光谱特征
60
反射率（％）
TX6
50
TX5
TX6（程度6）
40
TX4 TX3 TX2 TX1
30
20
TX5（程度5）
10
TX0
0 350 850 1350 1850 2350 波长（nm）
能 力 优 点
应 用
高光谱遥感:几十，甚至数百个成像波段
称之为“谱像合一”的遥感技术
2. 技术和数据
MAIS系统（Modular Airborne Imaging Spectrometer）
VNIR: 32 波段 (0.44~1.08μm) 光谱分辨率: 20nm SWIR: 32 波段 (1.5~2.45 μ m) 光谱分辨率: 25nm TIR: 7 波段 (8.0~11.6) 光谱分辨率: 0.45 μ m IFOV: 3.0mrad FOV: 90 degree scanning : 10-20(line/second) digitizer: 12bit
植被（绿化灌木）反射光谱曲线
SU 43 SU 1
60
植被(绿化灌木）汇总 SU1_ave SU2_ave SU3_ave SU4_ave SU5_ave SU6_ave SU7_ave SU41_ave SU42_ave SU43_ave
SU 3
反射率％
50
SU 2
40
30
20
10
0 350
850
时间分辨率：要求愈来愈高。 采用小卫星群技术
对于数据存储、传输和处理来说，同时提高光谱分辨 率和空间分辨率将面临巨大挑战和技术瓶颈。
超光谱，2151通道
反射率％
60
绿叶女贞 沥青路面 水泥路面 红地砖 鹅卵石 运河浊水体 鱼塘清水体
50
40
30
20
10
0 350
美国SOC公司
光谱分辨率： 5nm 波段数：128 行像素数：696
主 要 研 究 内 容 及 成 果
数据 预处 理子 系统 数据 输入
10 0 350 850 1350 1850
波长nm
2350
CZ 042
广场地面材料(花岗岩类)反射光谱曲线
反射率％
60
广场材料（花岗岩类）汇总
HG01_ave HG041_ave HG042_ave HG043_ave HG044_ave HG045_ave HG046_ave HG04A_ave
2. 技术和数据
HySpex VNIR地面或机载应用高光谱成像系 （挪威）
植被与沥青的辐射亮度值曲线
2. 技术和数据
美国Headwall Photonics 公司
光谱分辨率： 2-3nm 波段数：675 行像素数：1004
2. 技术和数据
美国Headwall Photonics 公司
2. 技术和数据
TX4（程度4）
TX0（正常）
TX1（程度1）
TX2（程度2）
TX3（程度3）
（二）遥感平台 太空平台
20KM
航空平台
车载 或 手持平台
100M
（三）遥感图像的分辨率及发展趋势 空间分辨率 光谱分辨率 辐射量度分辨率 时间分辨率
1. 空间分辨率
空间分辨率
传感器单元大小 焦距长度 飞行高度
传感器
运行中的PHI（左） 及其参数（右上）， 80波段PHI图像立 方体（右下，中国 常州）
2. 技术和数据
HySpex VNIR地面或机载应用高光谱成像系 （挪威）
光谱范围：400-1000 nm 光谱分辨率： 4 nm 波段数：160 行像素数：1600
2. 技术和数据
HySpex VNIR地面或机载应用高光谱成像系 （挪威）
350 550 750 950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350
波长
W6 94.04
样
点
W1 92.79
W2 89.22
W3 92.35
W4 92.96
W5 94.93
叶相对含水量
叶片含水量
表土含水量
76.67
0.87
78.23
2.03
79.40
0.86
79.92
1350
1850
波长nm
2350
SU 4
SU 42
SU 41
SU 7
SU 6
SU 5
植被（绿化草地）反射光谱曲线
反射率％
60
植被（绿化草地）汇总
CD01_ave CD02_ave CD03_ave CD041_ave
50
40
30
CD 01
20
10
0 350
850
1350
1850
波长nm
2350
CD 02
MAIS：云南腾冲火山群
2. 技术和数据
OMIS系统（Operational Modular Imaging Spectrometer）
128 波段
波段 64 (64,32,16) 16 (8,1) 32 (32,1) 8 (8,1) 8 (8,1) 波长 (0.4~1.1um) (1.1~2.0um) (2.0~2.5um) (3.0~5.0um) (8.0~12.5um) 光谱分辨率 10nm 60nm 15nm 250nm 500nm
IFOV: 3mrad or 1.5mrad FOV: >70 degree
2. 技术和数据
¤÷ ¬½ «Ê ½ PHI（Push-broom Hyperspectral Imager) ¸ FOV IFOV S/N ¨Î ² ¶ Ê ý â Æ ¸ ¬¶ «Î § â Æ ¸ ¬Ö «ª æ Â Ê ñ Ô Ï ª Ê ý â Æ ¸ ¬É ² Ñ ù × Á Ö ¿ ¡ Æ Ö µ ý ¾ Ê Ý Ë Ø Â Ê Ã Õ æ ó CCDÍ Æ É ¨ 0.36rad(21O) 1.0mrad 300 244bands VIS-NIR(400nm--850nm) <5nm 367pixels/line 1.86nm 9Kg 60Fr/sec 7.2Mb/Sec.
850
1350
1850
波长（nm） 2350
遥感分辨率与应用系统
资源 高光谱 农业 森林 国防 环境 光谱分辨率 多光谱
城市 交通 全色
地形图测图
100 m
10 m
1m
空间分辨率
源自文库
0.1 m
0.01 m
（四）高光谱遥感概述
1. 高光谱简介
特 点
光谱分辨率高(×10-2) 波段多数十到数百 谱像合一的特点 信息量大，一次数据获取达千兆(GB)级 数据速率高，数十数百兆比特/秒 能获取地物目标的精细光谱特征 综合地面目标的空间维、时间维、光谱维特征 探测各种目标的成分属性及有机目标的状态属性 有利于利用光谱特征分析研究地物 有利于采用各种光谱匹配模型 有利于地物的精细分类与识别 各种需识别地面目标的领域 农业、地质、城市、环境、军事（侦察与反侦察、伪装与反伪装）
CD 041
CD 03
路面材料(水泥)反射光谱曲线
反射率％
60
路面材料（水泥）汇总
50
SN 01
40
30 SN01_ave SN02_ave SN041_ave SN042_ave SN043_ave SN044_ave SN045_ave SN0451_ave 850 1350 1850 波长nm 2350
4-level
3. 时间分辨率
影像获取的时间间隔 卫星: Landsat – 16 days SPOT – 26 days IKONOS – 1-3 days 飞机: 可以起飞的任何时间
4. 光谱分辨率
波段数 & 波段宽度 一般的航空影像: 1-3 波段, 波段较宽 卫星影像: Landsat-7波段, >60 nm SPOT-3波段, >70 nm IKONOS-4波段, >60 nm QuickBird-4波段, >60 nm 高光谱遥感图像: 32-1024波段, 窄至 1 nm
40
30
20
10 土壤 0 350
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
2150
2350 波长
不同叶片水分含量情况下的光谱特征
60
反射率
叶片含水量(%) 80.3 79.5 79.9 79.4 78.2 76.7
W1_76.6 7 W2_78.2 3
50
40 W3_79.4 0 30 W4_79.9 2 20 W5_79.4 5 10 W6_80.3 4 0
Reflectance
Band width
Wavelength Reflectance
Band width
Wavelength
5. 现代遥感的发展趋势
空间分辨率：愈来愈高。 30m, 20m, 10m, 5m, 2.5m, 1m, 0.6m, 0.5m, 0.2m, 0.15m
光谱分辨率：愈来愈高。 小于10nm高光谱，小于1nm超光谱
焦距
飞行高度 成像CCD阵列
像元尺寸:
卫星平台: 30,20,10, 4,1,0.6m 航空平台: <0.1-5 m
像元 尺寸
瞬间视场
2. 辐射亮度分辨率
辐射亮度范围 数字化级别数:
卫星传感器: 8-bit = 256 11-bit = 2048 航空传感器: 8-bit = 256 10-bit = 1024 12-bit = 4096 16-bit = 65536 2-level
20
N20504
10
N20513
0 350
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
2150
2350 波长
不同叶面积指数情况下的光谱特征
反射率
60
叶面积指数 2.49 1.88 1.43 1.18 0.85 0.54 裸土
50
LAI 2.4907 LAI 1.8809 LAI 1.4293 LAI 1.1841 LAI 0.8503 LAI 0.543
SN 02
20
10
0 350
SN 041
SN 045
SN 044
SN 043
SN 042
路面材料(柏油)反射光谱曲线
路面材料（柏油）汇总
60
LQ01
50
40
LQ01_ave lQ_XBD_ave LQ02_ave LQ03_ave LQ04_ave LQ05_ave LQ06_ave LQ041_ave
HG01
50
40
HG041
30
20
HG 042
10
0 350
850
1350
1850
波长nm
2350
HG043
HG04A
HG046
HG045
HG044
小麦生长过程中不同生育期的光谱特征
反射率
60
观测日期 4月4日 4月14日 4月21日 5月4日 5月13日
N20404
50
40
N20414
30
N20421
水体汇总光谱曲线图
SH044_ave SH045_ave SH046_ave SH047_ave SH048_ave SH041_ave SH042_ave SH042BG_ave
SH044
SH046
SH045
850
1350
1850
波长nm
2350
SH047
SH042
SH042 背光
SH048
SH041
高光谱遥感原理与应用
杨敏华
一、遥感的物理学基础及高光谱遥感概述
（一）遥感的定义与原理
定义：一门综合运用物理原理、数学方法和地学规律，在远处（高空）
以非接触方式探测物体形状、性质和变化动态的新兴科学技术。
原理：遥感的理论基础是物理学，其核心是电磁波理论。
遥感波谱范围示意图
伽马 、 X-射线 <0.3 µ m 紫外线 0.3-0.4 µ m 可见光 蓝 0.4-0.5 µ m 绿 0.5-0.6 µ m 红 0.6-0.7 µ m 红外 近红外 0.7-1.3 µ m 中红外 1.3-5.0 µ m 远红外（热红外）5.0-15.0 µ m 微波 0.3-30 cm 无线电波 >30 cm
遥感用到的电磁波谱范围
大气对电磁波的选择吸收以及对应的遥感通道
大气对电磁波的选择吸收以及对应的遥感通道
遥感的物理学基础：
遥感的理论基础是物理学，依据是物体的电磁波谱。
植物 反射光谱 土壤
反射率
水体
波长
不同水质水体的反射光谱曲线
反射率％
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 350
1.75
79.45
2.28
80.34
4.20
叶面积指数
1.1994
1.124
0.944
0.956
0.884
1.146
小麦蚜虫发生状况及其光谱特征
反射率
100 90 80 70 60 50 40 30
成群中等蚜虫
正常叶片 成群小虫 密集大虫
成群较大蚜虫
成群蚜 虫
成群较 小蚜虫
成群较 大蚜虫
成群中 等蚜虫
反射率％
LQ01XBD
30
20
LQ02
10
0 350
850
1350
1850
波长nm
2350
LQ03
LQ041
LQ06
LQ05
LQ04
人行道材料(地面砖)反射光谱曲线
反射率％
60
人行道（地面转）材料汇总 CZ01_ave CZ041_ave CZ042_ave
50 40
CZ 01
30 20
CZ 041
20 10 0 350 正常叶 片
550
750
950
1150
1350
1550
1750
1950
2150
2350 波长
小麦条锈发生状况及其光谱特征
60
反射率（％）
TX6
50
TX5
TX6（程度6）
40
TX4 TX3 TX2 TX1
30
20
TX5（程度5）
10
TX0
0 350 850 1350 1850 2350 波长（nm）
能 力 优 点
应 用
高光谱遥感:几十，甚至数百个成像波段
称之为“谱像合一”的遥感技术
2. 技术和数据
MAIS系统（Modular Airborne Imaging Spectrometer）
VNIR: 32 波段 (0.44~1.08μm) 光谱分辨率: 20nm SWIR: 32 波段 (1.5~2.45 μ m) 光谱分辨率: 25nm TIR: 7 波段 (8.0~11.6) 光谱分辨率: 0.45 μ m IFOV: 3.0mrad FOV: 90 degree scanning : 10-20(line/second) digitizer: 12bit
植被（绿化灌木）反射光谱曲线
SU 43 SU 1
60
植被(绿化灌木）汇总 SU1_ave SU2_ave SU3_ave SU4_ave SU5_ave SU6_ave SU7_ave SU41_ave SU42_ave SU43_ave
SU 3
反射率％
50
SU 2
40
30
20
10
0 350
850