04高光谱讲义遥感成像原理
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04高光谱遥感成像原理
第二章 第3节 高光谱遥感成像原理
《高光谱遥感》
一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感成像关键技术 三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式
2
武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
1.光谱仪、成像仪、辐射计之间的关系
光谱仪
光谱维信息
光谱分辨能力
成像仪
空间维信息
二维成像能力
辐射计
辐射能信息
辐射分辨能力
3
武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
成像仪
（空间信息）
成像光谱仪
成像辐射仪
光谱仪
（光谱信息）
武汉大学 龚龑
发射率
光谱辐射仪
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
8
大理石在不同观测天顶角发射率的变化情况
9
10
11
波长(um)
75 60 45 30 15 0
12
辐射计
（辐射信息）
4
一、高光谱遥感成像的基本概念
2.光谱分辨率
《高光谱遥感》
•光谱分辨率（Spectral Resolution）
指探测器在波长方向上的记录宽度，又称波 段宽度（Bandwidth）。
5
武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
2.光谱分辨率
下图所示，纵坐标（Y轴）为探测器的光谱 响应，它是横坐标（X轴）所代表的波长的函数。 光谱分辨率被严格定义为仪器在达到 50%光谱响 应时的波长宽度。
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
3.空间分辨率
《高光谱遥感》
• 空间分辨率(Spatial Resolution)
成像光谱仪的空间分辨率是由仪器的角分辨 力（Angular Resolving Power）,即仪器的瞬时 视场角（Instantaneous Field of View, IFOV） 决定的。
7
武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
瞬时视场角IFOV 以毫弧度（m rad）为计 量单位。IFOV所对应的地面大小被称为地面分辨 单元（Ground Resolution Cell）。
pixel
IFOV
武汉大学 龚龑
GRC = 2 . tg(IFOV/2) . H
H
8
GRC
一、高光谱遥感成像的基本概念
4.仪器的视场角
《高光谱遥感》
地面扫描幅宽__仪器的视场角（Field of View，FOV）
仪器的视场角是仪器扫描镜在空中扫过的 角度，它与系统平台高度决定了地面扫描幅宽
（Ground Swath，GS）
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
4.仪器的视场角
line
《高光谱遥感》
GS = 2 . tg(FOV/2) . H
H
10
Ground Swath
武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
• 仪器的视场角(FOV)与瞬时视场角(IFOV)的关系？
line
pixel
武汉大学 龚龑
H IFOV
GRC
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Ground Swath
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
4.仪器的视场角 因此，在仪器设计时，FOV和IFOV是必须
考虑的重要参数。
• 仪器的视场角(FOV)较大，可以获得较宽的 地面扫描幅宽。
• 瞬时视场角(IFOV)较小，可以获得较高的空 间分辨率。
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
5.调制传递函数
高光谱成像仪光学成像中既有普通意义上 的光学系统，如望远镜系统、光谱仪系统。也 有如线列光纤狭缝和面阵探测器一类的离散采 样系统。还存在系统之间的耦合等因素。
如何评价遥感成像环节对遥感图像的影响?
13
武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
5.调制传递函数
调制传递函数(MTF)是从谐波分析的角度研究 光学系统的成像性质，能够定量描述系统对正弦 信号输入的振幅响应，被广泛用于遥感器的成像 过程研究。
实际的遥感成像链路系统一般比较复杂，但 是，可以认为是由若干个独立成像的分系统组成 的复合成像链路系统。 （满足相乘律条件）
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
5.调制传递函数
若干个独立成像 的分系统组成的复 合成像链路系统满 足相乘律条件。
《高光谱遥感》
武汉大学 龚龑
（李宏升，2005）
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一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
6.信噪比
•
信噪比（Signal Noise Ratio,SNR）是传感
器所采集到的信号和噪声之比，是传感器的一个
极其重要的性能参数。
•
信噪比的高低直接影响图像的分类和图像目
标的识别等处理效果。
•
信噪比与空间分辨率、光谱分辨率是相互制
约的，提高空间分辨率或者光谱分辨率都会降低
信噪比，须综合取舍。
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
7.探测器凝视时间
•
探测器的瞬时视场角扫过地面分辨单元的时
间称为凝视时间（dwell time）。
探测器的凝视时间在数值上等于行扫描时间除 以每行的像元个数。
探测器的凝视时间长短对成像质量有哪些影响？
凝视时间越长，进入探测器的能量越多， 光谱响应越强，图像信噪比越高。
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第二章 第3节 高光谱遥感成像原理
《高光谱遥感》
一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感成像关键技术 三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式
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二、高光谱遥感成像关键技术
《高光谱遥感》
• 高光谱成像的关键技术包括图像的获取传输和 处理等技术。成像光谱仪是集探测器技术、精密 光学机械、微弱信号探测、计算机技术、信息处 理等技术为一体的综合性技术。
1.探测器焦平面技术 2.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术 3.高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术 4.成像光谱仪的光谱与辐射定标技术
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二、高光谱遥感成像关键技术
《高光谱遥感》
1. 探测器焦平面技术 • 成像光谱仪的发展首先依赖于焦平面技术的发展。
焦平面是指经过焦点与主光轴垂直的平面
• 目前世界上硅焦平面探测技术十分成熟。
大面阵和长线阵的硅电感耦合器件(charge coupled device) 已经商品化。从CCD 的角度来讲， 在可见光、近红外光谱的间隔可以细分为1-2nm.
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二、高光谱遥感成像关键技术
2.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术
04高光谱遥感成像原理
第二章 第3节 高光谱遥感成像原理
《高光谱遥感》
一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感成像关键技术 三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式
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一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
1.光谱仪、成像仪、辐射计之间的关系
光谱仪
光谱维信息
光谱分辨能力
成像仪
空间维信息
二维成像能力
辐射计
辐射能信息
辐射分辨能力
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一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
成像仪
（空间信息）
成像光谱仪
成像辐射仪
光谱仪
（光谱信息）
武汉大学 龚龑
发射率
光谱辐射仪
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
8
大理石在不同观测天顶角发射率的变化情况
9
10
11
波长(um)
75 60 45 30 15 0
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辐射计
（辐射信息）
4
一、高光谱遥感成像的基本概念
2.光谱分辨率
《高光谱遥感》
•光谱分辨率（Spectral Resolution）
指探测器在波长方向上的记录宽度，又称波 段宽度（Bandwidth）。
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
2.光谱分辨率
下图所示，纵坐标（Y轴）为探测器的光谱 响应，它是横坐标（X轴）所代表的波长的函数。 光谱分辨率被严格定义为仪器在达到 50%光谱响 应时的波长宽度。
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一、高光谱遥感成像的基本概念
3.空间分辨率
《高光谱遥感》
• 空间分辨率(Spatial Resolution)
成像光谱仪的空间分辨率是由仪器的角分辨 力（Angular Resolving Power）,即仪器的瞬时 视场角（Instantaneous Field of View, IFOV） 决定的。
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一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
瞬时视场角IFOV 以毫弧度（m rad）为计 量单位。IFOV所对应的地面大小被称为地面分辨 单元（Ground Resolution Cell）。
pixel
IFOV
武汉大学 龚龑
GRC = 2 . tg(IFOV/2) . H
H
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GRC
一、高光谱遥感成像的基本概念
4.仪器的视场角
《高光谱遥感》
地面扫描幅宽__仪器的视场角（Field of View，FOV）
仪器的视场角是仪器扫描镜在空中扫过的 角度，它与系统平台高度决定了地面扫描幅宽
（Ground Swath，GS）
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一、高光谱遥感成像的基本概念
4.仪器的视场角
line
《高光谱遥感》
GS = 2 . tg(FOV/2) . H
H
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Ground Swath
武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
• 仪器的视场角(FOV)与瞬时视场角(IFOV)的关系？
line
pixel
武汉大学 龚龑
H IFOV
GRC
11
Ground Swath
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
4.仪器的视场角 因此，在仪器设计时，FOV和IFOV是必须
考虑的重要参数。
• 仪器的视场角(FOV)较大，可以获得较宽的 地面扫描幅宽。
• 瞬时视场角(IFOV)较小，可以获得较高的空 间分辨率。
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
5.调制传递函数
高光谱成像仪光学成像中既有普通意义上 的光学系统，如望远镜系统、光谱仪系统。也 有如线列光纤狭缝和面阵探测器一类的离散采 样系统。还存在系统之间的耦合等因素。
如何评价遥感成像环节对遥感图像的影响?
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
5.调制传递函数
调制传递函数(MTF)是从谐波分析的角度研究 光学系统的成像性质，能够定量描述系统对正弦 信号输入的振幅响应，被广泛用于遥感器的成像 过程研究。
实际的遥感成像链路系统一般比较复杂，但 是，可以认为是由若干个独立成像的分系统组成 的复合成像链路系统。 （满足相乘律条件）
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武汉大学 龚龑
一、高光谱遥感成像的基本概念
5.调制传递函数
若干个独立成像 的分系统组成的复 合成像链路系统满 足相乘律条件。
《高光谱遥感》
武汉大学 龚龑
（李宏升，2005）
15
一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
6.信噪比
•
信噪比（Signal Noise Ratio,SNR）是传感
器所采集到的信号和噪声之比，是传感器的一个
极其重要的性能参数。
•
信噪比的高低直接影响图像的分类和图像目
标的识别等处理效果。
•
信噪比与空间分辨率、光谱分辨率是相互制
约的，提高空间分辨率或者光谱分辨率都会降低
信噪比，须综合取舍。
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一、高光谱遥感成像的基本概念
《高光谱遥感》
7.探测器凝视时间
•
探测器的瞬时视场角扫过地面分辨单元的时
间称为凝视时间（dwell time）。
探测器的凝视时间在数值上等于行扫描时间除 以每行的像元个数。
探测器的凝视时间长短对成像质量有哪些影响？
凝视时间越长，进入探测器的能量越多， 光谱响应越强，图像信噪比越高。
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第二章 第3节 高光谱遥感成像原理
《高光谱遥感》
一、高光谱成像的基本概念 二、高光谱遥感成像关键技术 三、成像光谱仪的空间成像方式 四、成像光谱仪的光谱成像方式
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武汉大学 龚龑
二、高光谱遥感成像关键技术
《高光谱遥感》
• 高光谱成像的关键技术包括图像的获取传输和 处理等技术。成像光谱仪是集探测器技术、精密 光学机械、微弱信号探测、计算机技术、信息处 理等技术为一体的综合性技术。
1.探测器焦平面技术 2.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术 3.高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术 4.成像光谱仪的光谱与辐射定标技术
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二、高光谱遥感成像关键技术
《高光谱遥感》
1. 探测器焦平面技术 • 成像光谱仪的发展首先依赖于焦平面技术的发展。
焦平面是指经过焦点与主光轴垂直的平面
• 目前世界上硅焦平面探测技术十分成熟。
大面阵和长线阵的硅电感耦合器件(charge coupled device) 已经商品化。从CCD 的角度来讲， 在可见光、近红外光谱的间隔可以细分为1-2nm.
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二、高光谱遥感成像关键技术
2.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术