(完整版)1_高光谱遥感_发展综述
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1991年科罗拉多大学的CSES研究中心采用交互式 语言（IDL），研制成了基于UNIX工作站的成像光 谱处理系统SIPS
JPL和USGS开发的SIS、ENVI软 件
加拿大的PCI软件中 的高光谱分析模块
中科院遥感应用研究所开发的高光谱图 像处理系统HIPAS
地矿部航空物探遥感中心开发的成像光谱数据 处理分析系统ISDPS
中国科学院遥感应用研究所
4
讲课提纲：
高光谱遥感发展概述
1. 高光谱遥感的理论基础 1.1 遥感电磁波理论基础 1.2 电磁波与物质的相互作用 1.3 典型地物的光谱特性 1.4 地面光谱测量
2. 高光谱遥感成像机理与成像光谱仪 2.1 基本概念 2.2 高光谱遥感成像特点 2.3 高光谱遥感成像关键技术 2.4 高光谱遥感图像数据表达 2.5 成像光谱仪的空间成像技术 2.6 成像光谱仪的光谱成像技术 2.7 成像光谱仪系统介绍
中国科学院遥感应用研究所
12
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
高光谱遥感的直观特点： 波段窄：/100，在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳
米(nm)数量级 波段多： 数十甚至数百个以上 波段连续： 可提取连续的光谱曲线 可成像： 非点测量；每个像元可提取一个光谱曲线；且
遥感探测谱段：可见光与近红外
电磁波与物质的相互作用形式
中国科学院遥感应用研究所
10
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
百度文库
全色 Panchromatic
光学遥感技术的发展—— 光谱分辨率的不断提高
高光谱 Hyperspectral
多光谱 Multispectral
中国科学院遥感应用研究所
8
高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
9
遥感（Remote Sensing）：通过电磁波与地物的相互作 用，以波谱和空 间两维成像方式来探测地物特性的技术。
紫 蓝 青 绿 黄橙 红
5.1 混合光谱模型
5.2 线性光谱解混
5.3 遥感图像分类概述
5.4 高光谱图像分类算法
5.5 高光谱图像地物识别与目标探测
中国科学院遥感应用研究所
6
讲课提纲：
6. 高光谱数据综合分析与系统构建 6.1 高空间分辨率与高光谱数据融合 6.2 空间信息辅助下的高光谱数据分析 6.3 时间信息辅助下的高光谱数据分析 6.4 高光谱数据处理与分析系统
机载成像光谱仪MAIS (Modular Airborne Imaging Spectrometer)； 航空成像光谱仪OMIS (Operational Modular Imaging Spectrometer) 系列； 星载高光谱成像光谱仪 C-HRIS (China High Resolution Imaging Spectrometer)等
中国科学院遥感应用研究所
22
三、高光谱遥感发展历程（国际）
20世纪70年代末期，成像光谱概念形成初期（美国GER的航空光谱研究，
美国喷气推进实验室JPL的航天飞机多光谱红外辐射计SMIRR ）
GER的航空光 谱仪成功地检
1983年，第一台高分辨力航空成像光谱仪 （Airborne Imaging Spectrometer，AIS-1） ，JPL
具有空间可识别性
中国科学院遥感应用研究所
13
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
波段窄： 高光谱的首要特点（与通过门缝看遍人不同）
波段多： 波段之间具有一定的相关性，出现数据冗余问 题，还需进行波段选择及合并（光谱特征分析）
波段连续： 某些应用中仅需几个特征波段即可识别地物， 并非必须获取连续的光谱曲线（光谱特征提取）
19
高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
20
三、高光谱遥感发展历程（国际）
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, 并在美国宇航局 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 的支 持下, 相继推出了系列成像光谱仪产品(叶荣华,2001), 如
高光谱图像结构
中国科学院遥感应用研究所
15
高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
16
二、高光谱遥感的主要特点
塑料膜
1. 图谱合一
一个数据立方体包含百 万条的地物光谱曲线
干燥植被
高岭石
白云石
HIPS
Hyperspectral Image Processing System
SIPS
The Spectral Image Processing System –University of Colorado
HYDICE
The HYDICE Starter Kit-Naval Research Lab
SEBASS
美国：MODIS、EO-1（ALI、
加拿大：FLI/PML、Hyperion、LAC）、Might-
CASI、SASI、TABI Sat
澳大利亚：Geosan 美日合作：ASTER
MarkII、HyMap 欧空局：CHRIS、ENVISAT
德国：ROSIS
（MERIS）、
法国：IMS
澳大利亚：ARIES
测到了植物光 1.2~2.4
20世纪80年代末到21世纪初，成像光谱蓬勃发
谱红边“蓝移 微米，
展
效应”
128个波
SMIRR则首次 段，3.7
从空间轨道上 度视场
直接鉴别了粘
土矿物和碳酸
盐矿物
机载成像光谱仪器：
美国：AIS-2、GERIS、
AVIRIS、MIVIS、
DAIS-7915、HYDICE、
Probe、TEEMS、 星载成像光谱仪器：
中国科学院遥感应用研究所
5
讲课提纲：
3. 高光谱遥感图像辐射与几何校正
3.1 成像光谱仪定标
3.2 大气辐射传输理论
3.3 高光谱遥感图像大气辐射校正
3.4 高光谱遥感图像几何纠正
4. 光谱特征分析模型与方法
4.1 光谱特征选择
4.2 光谱特征提取
4.3 地物类型序列光谱分析
5. 光谱分解与图像分类
中国科学院遥感应用研究所
绿色植被 方解石
17
二、高光谱遥感的主要特点
2. 光谱分辨率高
多光谱
高光谱
中国科学院遥感应用研究所
18
二、高光谱遥感的主要特点
光谱分辨率高
中国科学院遥感应用研究所
不同分辨率的 水铝矿的光谱反射曲线
光谱吸收带 4nm——300个数据 8nm——150个数据 16nm——75个数据 32nm——38个数据 64nm——19个数据 128nm——10个数据 256nm——6个数据 512nm——3个数据 通道宽，反映不灵敏
10-1
10-2
10-3
高光谱分辨率遥感（Hyperspectral Remote Sensing）： 用很窄（/100或10-2 ）而连续的光谱通道对地物持续遥感 成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳 米(nm)数量级，通常具有波段多的特点，光谱通道数多达数 十甚至数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的，因此 高光谱遥感又通常被称为成像光谱（Imaging Spectrometry） 遥感。
Genisis
General Imaging Spectrometry Interpretation System-WTJ systems
新型模块化航空
“九五之后”
成像光谱仪
MAIS
技物所：PHI、OMIS（I、II）、
WHI
西安光机所：多种类型傅立叶变
换光谱仪（嫦娥、环境星）
北京理工大学：傅立叶变换光谱
仪研究
中国科学院遥感应用研究所
24
三、高光谱遥感发展历程
JPL实验室1988年开发了第一个专门处理成像光谱仪图像的 软件包SPAM
➢机载航空成像光谱仪(Airborne Imaging Spectrometer, AIS)系列, ➢航空可见光 / 红外成像光谱仪(Airborne visible/Infrared Imaging Spectrometer, AVIRISh); ➢星载中分辨率成像光谱仪 (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS), ➢高分辨率成像光谱仪(High Resolution Imaging Spectrometer, HIRIS), 等等。
加强型的颜 色感知
主要通过形状（空间信 息）识别地物
彩色color photography
主要通过光谱信 息识别地物
增加了颜色的感知
中国科学院遥感应用研究所
11
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
光学遥感技术的发展：
全色（黑白）－－彩色摄影－－多光谱扫描成像－－高光谱遥感－超光谱。
可成像： 成像的方式多种多样，并不一定必须同时成像， 可通过点测量后的扫描成像，比如摆扫式成像 光谱仪、激光雷达等。（空间分布展示）
更接近于成像光谱的概念，高光谱的含义应 该更宽广，只要光谱分辨率高，即可认为是 高光谱。（超光谱）
中国科学院遥感应用研究所
14
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
日本：ADEOS-2（GLI）
中国科学院遥感应用研究所
23
三、高光谱遥感发展历程（国内）
20世纪80年代中后期，发展高光谱成像系统 “七五期间”
“八五期间”
多波段扫描仪IR/UV 双波段， VIR/MIR/IR三波段， 6波段细分红外光谱 扫描仪（FIMS）， 热红外多光谱扫描仪 （ATIMS），DGS 8 波段多光谱扫描仪， AMS 19波段多光谱 扫描仪，
《高光谱遥感》
李希灿 2011-02
中国科学院遥感应用研究所
1
课程性质：专业选修课 学时学分：45学时，2.5学分（实验16学时） 主要内容：原理、方法、应用。
中国科学院遥感应用研究所
2
课程地位----专业选修课
一级学科
二级学科（学位授予点） 对应本科专业
大地测量学与测量工程
测绘科学与技术 （Geomatics） （2010年,硕士点）
7. 高光谱遥感应用 7.1 高光谱遥感应用——精准农业 7.2 高光谱遥感应用——植被生态 7.3 高光谱遥感应用——内陆水质 7.4 高光谱遥感应用——地质矿产 7.5 高光谱遥感应用——大气环境
中国科学院遥感应用研究所
7
高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
25
三、高光谱遥感发展历程
现有高光谱图像处理系统列表
高光谱图像处理系统名称 研发机构
HIPAS
中科院遥感所
ISDPS
地矿部航空物探遥感中心
SPAM
The Spectral Analysis Manager-JPL
ISIS
Integrated Software for Imaging Spectrometers-USGS Flagstaff
摄影测量与遥感
地图制图与地理信息工程 （2007年，硕士点）
测绘工程 ( 代码：080901)
2003年
遥感科学与技术 （代码：080902）
2008年
地理信息系统 （代码：080903） （2002年，资环）
中国科学院遥感应用研究所
3
主要参考教材：
[1] 张良培，张立福. 高光谱遥感，武汉大学出版社，2005. [2] 浦瑞良，宫 鹏. 高光谱遥感及其应用，高等教育出版社，2000.
中国科学院遥感应用研究所
21
三、高光谱遥感发展历程（国内）
它是指在特定光谱域以高光谱分辨率同时获得连续的地物 光谱图像, 使得遥感应用可以在光谱维上进行空间展开, 定量分 析地球表层生物物理化学过程与参数。
之后, 成像光谱技术的研究进入了一个高速发展期, 各国纷 纷投入资金加大成像光谱仪的研究己加拿大、日本、澳大利亚 等国, 相继研制出了不同应用目的的成像光谱仪。 我国在成像 光谱仪的研究开发方面也取得了引人瞩目的成绩, 相继成功研制 出
JPL和USGS开发的SIS、ENVI软 件
加拿大的PCI软件中 的高光谱分析模块
中科院遥感应用研究所开发的高光谱图 像处理系统HIPAS
地矿部航空物探遥感中心开发的成像光谱数据 处理分析系统ISDPS
中国科学院遥感应用研究所
4
讲课提纲：
高光谱遥感发展概述
1. 高光谱遥感的理论基础 1.1 遥感电磁波理论基础 1.2 电磁波与物质的相互作用 1.3 典型地物的光谱特性 1.4 地面光谱测量
2. 高光谱遥感成像机理与成像光谱仪 2.1 基本概念 2.2 高光谱遥感成像特点 2.3 高光谱遥感成像关键技术 2.4 高光谱遥感图像数据表达 2.5 成像光谱仪的空间成像技术 2.6 成像光谱仪的光谱成像技术 2.7 成像光谱仪系统介绍
中国科学院遥感应用研究所
12
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
高光谱遥感的直观特点： 波段窄：/100，在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳
米(nm)数量级 波段多： 数十甚至数百个以上 波段连续： 可提取连续的光谱曲线 可成像： 非点测量；每个像元可提取一个光谱曲线；且
遥感探测谱段：可见光与近红外
电磁波与物质的相互作用形式
中国科学院遥感应用研究所
10
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
百度文库
全色 Panchromatic
光学遥感技术的发展—— 光谱分辨率的不断提高
高光谱 Hyperspectral
多光谱 Multispectral
中国科学院遥感应用研究所
8
高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
9
遥感（Remote Sensing）：通过电磁波与地物的相互作 用，以波谱和空 间两维成像方式来探测地物特性的技术。
紫 蓝 青 绿 黄橙 红
5.1 混合光谱模型
5.2 线性光谱解混
5.3 遥感图像分类概述
5.4 高光谱图像分类算法
5.5 高光谱图像地物识别与目标探测
中国科学院遥感应用研究所
6
讲课提纲：
6. 高光谱数据综合分析与系统构建 6.1 高空间分辨率与高光谱数据融合 6.2 空间信息辅助下的高光谱数据分析 6.3 时间信息辅助下的高光谱数据分析 6.4 高光谱数据处理与分析系统
机载成像光谱仪MAIS (Modular Airborne Imaging Spectrometer)； 航空成像光谱仪OMIS (Operational Modular Imaging Spectrometer) 系列； 星载高光谱成像光谱仪 C-HRIS (China High Resolution Imaging Spectrometer)等
中国科学院遥感应用研究所
22
三、高光谱遥感发展历程（国际）
20世纪70年代末期，成像光谱概念形成初期（美国GER的航空光谱研究，
美国喷气推进实验室JPL的航天飞机多光谱红外辐射计SMIRR ）
GER的航空光 谱仪成功地检
1983年，第一台高分辨力航空成像光谱仪 （Airborne Imaging Spectrometer，AIS-1） ，JPL
具有空间可识别性
中国科学院遥感应用研究所
13
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
波段窄： 高光谱的首要特点（与通过门缝看遍人不同）
波段多： 波段之间具有一定的相关性，出现数据冗余问 题，还需进行波段选择及合并（光谱特征分析）
波段连续： 某些应用中仅需几个特征波段即可识别地物， 并非必须获取连续的光谱曲线（光谱特征提取）
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高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
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三、高光谱遥感发展历程（国际）
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, 并在美国宇航局 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 的支 持下, 相继推出了系列成像光谱仪产品(叶荣华,2001), 如
高光谱图像结构
中国科学院遥感应用研究所
15
高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
16
二、高光谱遥感的主要特点
塑料膜
1. 图谱合一
一个数据立方体包含百 万条的地物光谱曲线
干燥植被
高岭石
白云石
HIPS
Hyperspectral Image Processing System
SIPS
The Spectral Image Processing System –University of Colorado
HYDICE
The HYDICE Starter Kit-Naval Research Lab
SEBASS
美国：MODIS、EO-1（ALI、
加拿大：FLI/PML、Hyperion、LAC）、Might-
CASI、SASI、TABI Sat
澳大利亚：Geosan 美日合作：ASTER
MarkII、HyMap 欧空局：CHRIS、ENVISAT
德国：ROSIS
（MERIS）、
法国：IMS
澳大利亚：ARIES
测到了植物光 1.2~2.4
20世纪80年代末到21世纪初，成像光谱蓬勃发
谱红边“蓝移 微米，
展
效应”
128个波
SMIRR则首次 段，3.7
从空间轨道上 度视场
直接鉴别了粘
土矿物和碳酸
盐矿物
机载成像光谱仪器：
美国：AIS-2、GERIS、
AVIRIS、MIVIS、
DAIS-7915、HYDICE、
Probe、TEEMS、 星载成像光谱仪器：
中国科学院遥感应用研究所
5
讲课提纲：
3. 高光谱遥感图像辐射与几何校正
3.1 成像光谱仪定标
3.2 大气辐射传输理论
3.3 高光谱遥感图像大气辐射校正
3.4 高光谱遥感图像几何纠正
4. 光谱特征分析模型与方法
4.1 光谱特征选择
4.2 光谱特征提取
4.3 地物类型序列光谱分析
5. 光谱分解与图像分类
中国科学院遥感应用研究所
绿色植被 方解石
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二、高光谱遥感的主要特点
2. 光谱分辨率高
多光谱
高光谱
中国科学院遥感应用研究所
18
二、高光谱遥感的主要特点
光谱分辨率高
中国科学院遥感应用研究所
不同分辨率的 水铝矿的光谱反射曲线
光谱吸收带 4nm——300个数据 8nm——150个数据 16nm——75个数据 32nm——38个数据 64nm——19个数据 128nm——10个数据 256nm——6个数据 512nm——3个数据 通道宽，反映不灵敏
10-1
10-2
10-3
高光谱分辨率遥感（Hyperspectral Remote Sensing）： 用很窄（/100或10-2 ）而连续的光谱通道对地物持续遥感 成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳 米(nm)数量级，通常具有波段多的特点，光谱通道数多达数 十甚至数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的，因此 高光谱遥感又通常被称为成像光谱（Imaging Spectrometry） 遥感。
Genisis
General Imaging Spectrometry Interpretation System-WTJ systems
新型模块化航空
“九五之后”
成像光谱仪
MAIS
技物所：PHI、OMIS（I、II）、
WHI
西安光机所：多种类型傅立叶变
换光谱仪（嫦娥、环境星）
北京理工大学：傅立叶变换光谱
仪研究
中国科学院遥感应用研究所
24
三、高光谱遥感发展历程
JPL实验室1988年开发了第一个专门处理成像光谱仪图像的 软件包SPAM
➢机载航空成像光谱仪(Airborne Imaging Spectrometer, AIS)系列, ➢航空可见光 / 红外成像光谱仪(Airborne visible/Infrared Imaging Spectrometer, AVIRISh); ➢星载中分辨率成像光谱仪 (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS), ➢高分辨率成像光谱仪(High Resolution Imaging Spectrometer, HIRIS), 等等。
加强型的颜 色感知
主要通过形状（空间信 息）识别地物
彩色color photography
主要通过光谱信 息识别地物
增加了颜色的感知
中国科学院遥感应用研究所
11
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
光学遥感技术的发展：
全色（黑白）－－彩色摄影－－多光谱扫描成像－－高光谱遥感－超光谱。
可成像： 成像的方式多种多样，并不一定必须同时成像， 可通过点测量后的扫描成像，比如摆扫式成像 光谱仪、激光雷达等。（空间分布展示）
更接近于成像光谱的概念，高光谱的含义应 该更宽广，只要光谱分辨率高，即可认为是 高光谱。（超光谱）
中国科学院遥感应用研究所
14
一、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）基本概念
日本：ADEOS-2（GLI）
中国科学院遥感应用研究所
23
三、高光谱遥感发展历程（国内）
20世纪80年代中后期，发展高光谱成像系统 “七五期间”
“八五期间”
多波段扫描仪IR/UV 双波段， VIR/MIR/IR三波段， 6波段细分红外光谱 扫描仪（FIMS）， 热红外多光谱扫描仪 （ATIMS），DGS 8 波段多光谱扫描仪， AMS 19波段多光谱 扫描仪，
《高光谱遥感》
李希灿 2011-02
中国科学院遥感应用研究所
1
课程性质：专业选修课 学时学分：45学时，2.5学分（实验16学时） 主要内容：原理、方法、应用。
中国科学院遥感应用研究所
2
课程地位----专业选修课
一级学科
二级学科（学位授予点） 对应本科专业
大地测量学与测量工程
测绘科学与技术 （Geomatics） （2010年,硕士点）
7. 高光谱遥感应用 7.1 高光谱遥感应用——精准农业 7.2 高光谱遥感应用——植被生态 7.3 高光谱遥感应用——内陆水质 7.4 高光谱遥感应用——地质矿产 7.5 高光谱遥感应用——大气环境
中国科学院遥感应用研究所
7
高光谱遥感发展综述
一、高光谱遥感的基本概念 二、高光谱遥感的主要特点 三、高光谱遥感发展历程 四、高光谱遥感的典型应用简介
中国科学院遥感应用研究所
25
三、高光谱遥感发展历程
现有高光谱图像处理系统列表
高光谱图像处理系统名称 研发机构
HIPAS
中科院遥感所
ISDPS
地矿部航空物探遥感中心
SPAM
The Spectral Analysis Manager-JPL
ISIS
Integrated Software for Imaging Spectrometers-USGS Flagstaff
摄影测量与遥感
地图制图与地理信息工程 （2007年，硕士点）
测绘工程 ( 代码：080901)
2003年
遥感科学与技术 （代码：080902）
2008年
地理信息系统 （代码：080903） （2002年，资环）
中国科学院遥感应用研究所
3
主要参考教材：
[1] 张良培，张立福. 高光谱遥感，武汉大学出版社，2005. [2] 浦瑞良，宫 鹏. 高光谱遥感及其应用，高等教育出版社，2000.
中国科学院遥感应用研究所
21
三、高光谱遥感发展历程（国内）
它是指在特定光谱域以高光谱分辨率同时获得连续的地物 光谱图像, 使得遥感应用可以在光谱维上进行空间展开, 定量分 析地球表层生物物理化学过程与参数。
之后, 成像光谱技术的研究进入了一个高速发展期, 各国纷 纷投入资金加大成像光谱仪的研究己加拿大、日本、澳大利亚 等国, 相继研制出了不同应用目的的成像光谱仪。 我国在成像 光谱仪的研究开发方面也取得了引人瞩目的成绩, 相继成功研制 出