第2章-高光谱遥感数据获取与分析

Bandwidth
(NM)
10
10 10 10 10 10
10
7.5
10
7.5 3.75 15 20 10 10
Potential Applications
Yellow substance and detrital pigments Chlorophyll absorption maximum Chlorophyll and other pigments Suspended sediment, red tides Chlorophyll absorption minimum Suspended sediment Chlorophyll absorption and fluorescence Chlorophyll fluorescence peak Fluo. Reference, atmospheric corrections Vegetation, cloud Oxygen absorption R-branch Atmosphere corrections Vegetation, water vapour reference Atmosphere corrections Water vapour, land
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（3）整理工作。
测量完成后，可将有关光谱拷贝到U盘中待用，或留在原机保 存；
依次关闭计算机电源及光谱仪电源； 取下镜头及其他附件，装好白板，并将光纤探测头整理好，收
回到仪器包中（注意光纤不可过硬弯折）。
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其它野外的测量仪器
（1）LAI-2000植物树冠分析仪。 （2）LI-6400便携式光合仪。 （3）LI-6262分析仪 （4）辐射传感器。
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Байду номын сангаас
光谱分辨率、空间分辨率、时间分辨率
光谱分辨率：遥感器各波段光谱带宽，表示传感 器对地物光谱的探测能力，它包括遥感器总的探 测波谱的宽度、波段数、各波段的波长范围和间 隔。若遥感器所探测的波段越多，每个波段的波 长范围越小，波段间隔越小，则他的光谱分辨率 越高。遥感器的光谱分辨率高，它取得的图像能 很好地反映出地物光谱性质，不同地物间的差别 在图像上能很好地体现出来，遥感器探测地物的 能力就强。
MODIS从可见光到热红外有36个波段，波长覆盖 范围从0.4μm到14.4μm。
MODIS的两个通道空间分辨率可达250 m，5个通 道为500 m，29个通道为1000 m，可同时获取地 球大气、海洋、陆地、冰川雪盖等多种环境信息， 有助于建立有关大气、海洋和陆地的动态模型， 以及建立预测全球变化的模型。
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FieldSpec 分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪 式把手，光纤光学探头及连接数据线组成。 FieldSpec 重量只有8kg，非常便于携带；0.35-2.5的光谱 范围以及10nm的光谱分辨率,它能在手提电脑上实时持续 显示测量光谱，使测量者在测量过程中依据即时反馈的光 谱图像获取需要的测量数据。
写需要存储数据的路径、名称和其他内容。
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（2）测量过程。 镜头对准白板，点击OPT进行优化。为了光谱测量的准
确性，在测量过程中，特别是刚开始测量的前半个小时 内，需要每隔一定时间进行一次优化； 反射率测量： 镜头对准白板，点击WR采集参比（白板应充满镜头， 并且没有阴影）； 镜头对准目标（目标与镜头之间的距离应大致等同于采 集参比时白板与镜头的距离）； 点击空格键存储目标光谱（或选择自动存储）； 为了提高光谱数据的质量，在测量开始后的一个小时内 应当经常采集参比以提高光谱数据质量；
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EO-1中的三台主载荷分别为先进陆地成像仪 （Advanced Land Imager，ALI），高光谱成像仪 （Hyperion）以及高光谱大气校正仪（Linear etalon imaging spectrometer array Atmospheric Corrector，LAC）。
其中Hyperion用于地物波谱测量和成像、海洋水 色要素测量以及大气水汽/气溶胶/云参数测量等， 其性能比EOS Terra卫星上的MODIS要好的多。
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地球大气会影响太阳辐射的衰减
大气组成：
不变成分（在80km以下的相对比例保持不 变）：惰性气体。
可变成分（气体含量随高度、温度、位置而 变）：甲烷、臭氧、水蒸汽、液态和固态水、 盐粒、尘烟。
垂直分布：可划分为4层，对流层、平流层、 电离层和外大气层
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大气对太阳辐射的影响主要分为：散射和吸收，在可见光波段，引起 电磁波衰减的主要原因是分子散射
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（1）准备工作。 （2）测量过程。 （3）整理工作。
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（1）准备工作。
光谱仪、计算机充电：光谱仪电量不足时红灯闪亮，充满电后 绿灯亮；如果黄灯闪亮则说明过热，需要等待一段时间；
安装适当的镜头或其他附件（如GPS、余弦接受器等），并准 备好白板；
依次打开光谱仪电源及计算机电源，并启动相应RS3软件； 依据所选择镜头以及测量情况，在软件上选择相应镜头，并填
6、 PHI
推扫式光谱成像仪PHI。 推扫式光谱成像仪PHI是中国863-308主题 机载对地观测系统的一部分，光谱范围 400-850nm，波段数244，光谱采样1.9nm， 光谱分辨率小于5nm，信噪比大于500。
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PHI和OMIS成像光谱仪的技术指标
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2.3 地物的光谱特征
一、名词定义 二、数据表达方式 三、成像方式 四、反射率概念 五、典型地物的反射率 六、简单光谱分析方法
下图显示了欧洲“环境卫星”ENVISAT携带的传感器。
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MERIS的15个波段的技术指标与应用目的
Band centre (NM)
1 412.5
2 442.5 3 490 4 510 5 560 6 620
7 665
8 681.25
9 708.75
10 753.75 11 760.625 12 778.75 13 865 14 885 15 900
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电磁波
X射线，紫外线，可见光、红外线、微波、无线 电波等都是电磁波。电磁波是一种横波。
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电磁波谱
不同的电磁波由不同的波源产生．如果按照电磁 波在真空中传播的波长或频率递增或递减的顺序 排列，就能得到电磁波谱图。习惯上，划分如下：
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一些电磁波的用途
共性：传播速度相同；遵守相同的反射、折射、透射、吸收 和散射定律；
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三、成像光谱仪
星载： 1）MODIS成像光谱仪 2） MERIS成像光谱仪 3） Hyperion成像仪
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1、MODIS
中等分辨率成像光谱仪MODIS（moderate resolution Imaging Spectro-radiometer）是美国 宇航局发射的EOS-TERRA和EOS- AQUA卫星上 最重要的星载仪器。
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太阳辐照度分布曲线
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从图中可以得出结论： 太阳辐射的光谱是连续的，它的辐射特性与黑体的辐射
特性基本一致。 太阳辐射从近紫外到中红外这一波段区间能量最集中而
且相对稳定。在x射线、远紫外及微波波段，能量小但 变化大。 海平面处的太阳辐射照度曲线与大气层外的曲线有很大 的不同。主要是地球大气对太阳辐射的吸收和散射造成 的。 就遥感而言，被动遥感主要是利用可见光、红外等稳定 辐射，因而太阳的活动对遥感没有太大的影响，可以忽 略。
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3、Hyperion
地球观测1号（Earth Observing-1）卫星系统 在2000年发射。
地球观测1号卫星将与LandSat-7覆盖相同的地 面轨道，两颗卫星对同一地物目标以几乎相同 的时间进行观测，从而可以对LandSat-7中的 ETM＋及EO-1中的三台主载荷获取的数据进 行对比。
凝视时间：仪器视场角扫过地面单元所持续 的时间。凝视的时间越长，进入探测器的能 量越多。光谱响应和图像的信噪比越高。
第二章：高光谱数据的获取与分析
一、原理：电磁波及电磁辐射 二、光谱测量仪器 三、地物光谱特征
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2.1 电磁波及电磁辐射
遥感是根据收集到的电磁波来判断目标地物和自然 现象（物体种类、特征和环境不同，具完全不同的电磁 波反射或发射特征），遥感技术主要是建立在物体反射 或发射电磁波原理上的。 电磁波 :根据麦克斯韦电磁场理论,变化的电场能够在 它的周围引起变化的磁场,这个变化的磁场又在较远的 区域内引起新的变化电场,并在更远的区域内引起新的 变化磁场.这种变化的电场和磁场交替产生,以有限的速 度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波.
wavelength
use
Wavelength
use
g ray
Mineral
X ray
Medical
ultraviolet Detecting (uV)（紫外） oil；spill
0.4-0.45 um （蓝波段） 0.7-1.1 µm （近红外）
Water depth turbidity Vegetation
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探测器在波长方向上的记录宽度，又称为波段宽度。 严格定义为：仪器达到光谱响应最大值的50%时的波 长宽度。
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空间分辨率：成像光谱仪的一个瞬间视场， 即在一瞬间遥感系统探测单元所对应的瞬间 视场（IFOV）
时间分辨率：对同一地点进行遥感采样的时 间间隔，即采样时间的频率。
视场角：仪器在空中所扫描的角度，它决定 了地面的扫描幅宽。
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机载： 1）AVIRIS可见光/红外成像光谱仪 2）OMIS系统 3）推扫式PHI
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4、 AVIRIS
航空可见光/红外成像光谱仪AVIRIS。 80年代后期，美国喷气推进研究室（JPL） 制成机载可见红外成像光谱仪（AVIRIS） 的完整样机。该成像光谱仪可在0.4μm～ 2.45μm的波长范围获取224个连续的光谱 波段图像。波段宽度10nm。当飞机在20km 高空飞行 时，图像地面分辨率可达20m。
woody biomass（木头水分）
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太阳辐射
地球上的电磁波主要来自于太阳，太阳可以认为 是一个很好的黑体辐射源。
黑体辐射：既是完全的吸收体，又是完全色辐射 体。
好的吸收体也是好的辐射体这一定律。说明凡是 吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也 强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发 射能力也就弱。
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紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减的主要原因是大 气吸收。
引起大气吸收的主要成分是氧气、臭氧、水、二氧化碳 等。
氧气：小于0.2 μm；0.155为峰值。 臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥
感影响不大。 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。
主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水 对红外遥感有极大的影响。 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略 不计。
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5、 OMIS
实用型模块化成像光谱仪OMIS。 是由中科院上海技术物理研究所航空遥感 研究室研制的，具有当前国际先进水平的 新型航空遥感仪器。它在可见/近红外/短波 红外/热红，0.46mm至12.5mm 的所有大气 窗口上设置了128个光谱波段，是一套先进 的机载高光谱遥感数据获取系统。
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MODIS技术指标表：
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MODIS波段分布和主要应用：
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2、MERIS
作为“欧洲遥感卫星”ERS-1 和ERS-2的接替者，欧洲“环境卫 星”ENVISAT 于2002年3月由欧空局发射升空，并于2003年5月正 式投入运行。
中等分辨率成像光谱辐射计MERIS（Medium Resolution Imaging Spectrometer Instrument）
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有些波段的电磁波通过大气后，衰减的很少，透过率很高，我们称 为大气窗口
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2.2 光谱测量仪器
一、野外光谱仪（以ASD野外光谱分析仪为例）
ASD野外光谱分析仪FieldSpec Pro是一种测 量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具。它 能快速扫描地物，光纤探头能在毫秒内得到地物 单一光谱。
1.55-1.75 （近红外） 2.04-2.34 （近红外） 10.5-12.5 （热红外） 3cm-15cm （短波）
20cm-1m（短 波）
Water content in plant or soil
Mineral, rock types
Surface temperature
Surface relief（地势起伏）, soil moisture