高光谱成像

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二、成像光谱仪的空间成像方式
1.摆扫型成像光谱仪
•
原理
光学分光系统形成 色散光源再汇集到探测 器(Detectors)上。这 样成像光谱仪所获取的 图像就具有了两方面的 特性：光谱分辨率与空 间分辨率。
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二、成像光谱仪的空间成像方式
1.摆扫型成像光谱仪
•视场角 •像元配准 •定标
优点
可以达到很大的视场角 (FOV可达90度) 像元配准好，不同波段在任 何时刻都凝视同一像元。
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四、成像光谱仪的光谱成像方式
2.干涉成像光谱仪
干涉成像光谱仪并不直接分光，而是生成各 种光程差条件下的干涉图，再根据干涉图与光谱 图之间的傅里叶变换关系，得到光谱图。
已知什么？ 不同光程差条件下的干涉图 要得到什么？ 不同波长对应的光谱图
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
2.干涉成像光谱仪
时间调制 与 空间调制 • 基本原理—干涉与光谱的转换 • 获得干涉影像的方法不同
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二、成像光谱仪的空间成像方式
2.推扫型成像光谱仪
原理
• 平行于运动方向 完成光谱维扫描。
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二、成像光谱仪的空间成像方式
2.推扫型成像光谱仪
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二、成像光谱仪的空间成像方式
2.推扫型成像光谱仪
优点
• 凝视时间
像元凝视时间仅仅取决于平台运动的地速，因而 凝视时间大大增强。相对于摆扫型成像光谱仪，凝视 时间可提高近千倍。
3.其它类型成像光谱仪
• 滤光片型成像光谱仪
图zky p57
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
3.其它类型成像光谱仪
• 二元光学成像光谱技术
二元光学元件既是成像元件又是色散元件，与 棱镜垂直于光轴色散不同，二元光学元件沿轴向色 散，利用面阵CCD沿光轴对所须波段进行探测，不 同位置对应于不同波长的成像区。
不同波长色散位置不同
焦平面不同
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高光谱技术应用：
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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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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。
4.仪器的视场角
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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4.仪器的视场角
line
GS = 2 . tg(FOV/2) . H
H
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Ground Swath
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• •
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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高光谱技术
成像仪
（空间信息）
成像光谱仪 光谱辐射仪 光谱仪
（光谱信息）
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 8 9 10 波长(um) 11 12 75 60 45 30 15 0 大理石在不同观测天顶角发射率的变化情况
成像辐射仪
辐射计
（辐射信息）
发射率
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一、高光谱成像的基本概念
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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。
2.光谱分辨率 •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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一、高光谱成像的基本概念
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。
一、高光谱成像的基本概念 二、成像光谱仪的空间成像方式 三、成像光谱仪的光谱成像方式
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三、成像光谱仪的空间成像方式
• 空间成像方式与光谱成像方式
• 空间成像方式是指从影像二维空间形 成的角度考察成像光谱仪的工作方式。 • 光谱成像方式是指从光谱维数据形成 的角度考察成像光谱仪的工作方式。
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二、成像光谱仪的空间成像方式
1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪
• 色散型成像光谱技术出现较早，技术比较成熟。 • 入射的辐射能经过光学系统准直后，经棱镜和 光栅狭缝色散，由成像系统将色散后的光能按照波 长顺序成像在探测器的不同位置上。
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪 • 摆扫条件下光谱色散原理
二维影像空间上一个点
课堂汇报：高光谱成像
成像技术的发展
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实例
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一、高光谱成像的基本概念 二、成像光谱仪的空间成像方式 三、成像光谱仪的光谱成像方式
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一、高光谱成像的基本概念
1.光谱仪、成像仪、辐射计之间的关系
光谱仪 成像仪 辐射计
光谱维信息
光谱分辨能力 二维成像能力
空间维信息
辐射能信息
辐射分辨能力
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一、高光谱成像的基本概念
•
推扫型成像光谱仪采用一个面阵探测器，其垂 直于运动方向在飞行平台向前运动中完成二维空 间扫描；平行于平台运动方向，通过光栅和棱镜 分光，完成光谱维扫描。它的空间扫描方向就是 遥感平台运动方向（Along-track Scanning）。
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二、成像光谱仪的空间成像方式
2.推扫型成像光谱仪
原理
• 垂直于运动方向 完成空间维扫描。
1.摆扫型成像光谱仪
摆扫型(Whisk broom)成像光谱仪由光机左 右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像， 其线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维获 取。
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二、成像光谱仪的空间成像方式
1.摆扫型成像光谱仪
原理 • 45斜面的扫描镜 （Rotating Scan Mirror） • 电机(Electric Motor) 进 行 360旋转 • 旋转水平轴与遥感平台前 进方向平行 • 扫描镜扫描运动方向与遥 感平台运动方向垂直
时间调制 动态生成干涉影像
空间调制
静态生成干涉影像
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
2.干涉成像光谱仪
• 迈克尔逊型干涉成像光谱仪结构
固定镜 动镜
二光束是从同一入 射光束分割出来的
附图ZKY P53
二光束在探测器上相遇时，必然会产生干涉图样。
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
2.干涉成像光谱仪
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
•空间分辨率和光谱分辨率
由于像元凝视时间增强，空间分辨率和光谱分辨 率也得到提高。
• 仪器体积
由于没有光机扫描运动设备，仪器的体积较小。
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二、成像光谱仪的空间成像方式
2.推扫型成像光谱仪
不足
•视场角
由于探测器件尺寸和光学设计的困难，总视场角不可 能很大，一般只能达到30度左右。
•定标
一次需要对上万个探测器元件进行定标，增加了处理 负荷和不稳定因素。
色散为一条线
一维灰度集合
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪 • 推扫条件下光谱色散原理
二维影像空间上一条线
附图ZKY P52 -2
色散为多条线
二维灰度集合
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪
• 色散型光谱成像方式的特点
• 原理直接，结构简单 （折射率不同） • 光谱维信息易于确定 （色散像按波长线性分布在像面上）
在每个波段只有一个探测器元件需 要定标，增强了数据的稳定性。 进入物镜后再分光， 波段范围可以做得很宽。
•波段范围
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二、成像光谱仪的空间成像方式
1.摆扫型成像光谱仪
不足
由于采用光机扫描，每 个像元的凝视时间很短，要 进一步提高光谱分辨率和信 噪比比较困难。
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二、成像光谱仪的空间成像方式
2.推扫型成像光谱仪
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一、高光谱成像的基本概念
3.空间分辨率 • 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、高光谱成像的基本概念
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高光谱技术
一、高光谱成像的基本概念 二、成像光谱仪的空间成像方式 三、成像光谱仪的光谱成像方式
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三、成像光谱仪的光谱成像方式
• 光谱成像方式要解决的问题是什么？ 将进入探测器的能量分解为不同 波长的电磁波。
主要的光谱成像方式：
• 色散型（简单） • 干涉型（难点） • 其它类型
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三、成像光谱仪的光谱成像方式