什么是高光谱

什么是高光谱,多光谱,超光谱

作者：felles提交日期：2010-4-26 8:16:00 | 分类:高光谱 | 访问量：196

到底什么是高光谱，多光谱和超光谱技术2009-11-18 13:53多光谱，高光谱和高光谱技术都被称为成像光谱技术，在遥感和其他科研领域具有举足轻重的作用。

多年来，我一直对这种技术理解不深，很多人说什么多光谱，甚至是超光谱，多光谱技术实际上是高光谱技术的原始阶段，几乎被淘汰了。而有些人说的超光谱实际上还在美国研发，根本没有进入到市面上，也就说诸多同仁对成像光谱技术也是糊里糊涂。今日，我在一个网站上发现了对这种技术的解释

https://www.wendangku.net/doc/df5736375.html, ，我认为从专业角度来说，他们说的还比较靠谱。对于科研确实有一定的帮助。我在这里吧相关资料拷贝过来供大家欣赏。

成像光谱技术（高光谱成像技术）基础

Imaging Spectrometer Fundamentals

说明：1.下文所属的成像光谱仪又叫高光谱成像系统，而且同一个概念。

2.该资料为天津菲林斯光电仪器公司https://www.wendangku.net/doc/df5736375.html, 编写，仅作成像光谱技术的内部交流之用，禁止一切形式的侵权传播或引用行为。

一．技术历史背景

在现代科研过程中, 多数情况下必须对空间不均匀样品的分布特性加以分

析和确认，使用传统的光谱仪仅仅能够以聚焦的镜头扫描样品或者获得整个样品

的平均特性，这种光谱和空间信息不可兼得的局限性促使高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）应用而生。

早在20世纪60年代（1960s）人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料时，成像就成为研究地球的有利工具。在传统的成像技术中，人们就知道黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异因而可用于辨别不同的材料，在此基础上，成像技术有了更高的发展，对地球成像时，选择一些颜色的滤波片成像对于提高对特殊农作物、研究大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早的多光谱技术（Multispectral imaging）它最早出现在LandSat卫星上。这些最早的星载图像传感器（例如，LandSat卫星上的Thematic Mapper和法国SPOT 卫星上的相机）以离散的几种颜色（或者几个波段）对地球成像，就是人们常说的多光谱成像。

既然多光谱成像（Multispectral Imaging）仅仅以几个连续的光谱波带成像对于我们研究环境就如此有用，为什么不把波带数拓展更多，把光谱分辨率拓展更细呢？因此，用于遥感目的的高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）在20世纪80年代初期诞生了，它最早是机载的成像光谱仪（Airborne Imaging Spectrometer），如今已拓展到先进的可见和红外成像光谱仪（AVIRIS），这两种最早都诞生在NASA的JPL中心（NASA：美国国家航天航空管理局）。

从多光谱到高光谱遥感技术的前进也需要仪器的发展。虽然对地球成像而言七个非连续的波段称不上什么光谱成像技术，但是如果使用200个连续的波段，每个波段的光谱分辨率在10nm左右，谁都不会否认这是光谱成像技术。而且人类对更好更高的追求从来都没停止过，现在光谱成像技术已经发展到超光谱时代（Ultraspectral Imaging），比如，它使用的是空间发射光谱仪（Atmospheric Emission Spectrometer， AES），这个超光谱成像仪在红外波段就能产生数千个波带，分辨率高达1/cm。

全球第一个星载高光谱成像器于1997年在NASA随着Lewis卫星发射升空，它包含了384个波段涵盖了400-2500nm波段，不幸的是这颗卫星控制出现问题，失去了动力，升空一个月后就偏离了轨道。随后，一些实验性的机载高光谱成像器在NASA的DOD（Department of Defense）得到了重点研发，这些机载的高光谱成像系统涵盖了VNIR/SWIR和MLIR(3-5微米），LWIR（又称热红外相机，适应波段8-12微米）。

目前，成像光谱技术已经走出了最初的军事应用的局限，在国土资源调查，精准农业生产和研究，农作物分选和检测等多种应用领域发挥不可替代的作用。基于成像光谱技术波长范围为400-1000nm, 900-1700nm,

1100-2500nm,3000-15000nm的各种成像光谱仪和高光谱成像器也应运而生。但是由于军事应用的潜在性依然存在，国外先进成像光谱仪国家对成像光谱仪的对华出口管制非常严格，例如，红外成像光谱仪是百分之百对华禁运，其他波段的成像光谱仪也需要我国用户提供商务部签发的“End User and End Use Statement” ，但是，尽管如此，能否进口到中国来依然存在许多变数。

为什么国外多这种技术对华如此高级别地限制，高光谱技术到底“高”在那些方面，高光谱成像光谱仪如何实现高光谱数据的获取？针对诸多技术细节，天津菲林斯光电仪器公司作为国内专业的成像光谱技术提供者，发挥专业技术优势，从纯技术的角度为广大用户和读者提供一份绝密级别的内部参考资料，这份资料仅供广大用户之间阅读参考，切勿随意散发。

二．技术综述

成像光谱（高光谱）数据是图谱合一的海量数据源，它同时包含了图像信息和光谱信息，能够给出各个波段上每个像素的光谱强度数据，而且光谱分辨率很高，这样，这种数据在一些对光谱和图像和光谱分辨率要求较高的领域就显示出无可替代的作用。例如，矿产探测，高光谱数据由于较高的光谱分辨率就可以帮助人们通过光谱分析的的办法找到一些隐蔽性极强的稀有矿产，而在以前，普通的光谱技术是无法发现这些矿产的。

高光谱成像的数据是一叠连续多个波段成像获得的景色或样品的图像，就是俗称的图像立方体（Image cube）。这个图像立方具有两个空间维度（X和Y），第三维为每个像素的波长或辐射强度。

图二：一种比较典型的高光谱图像立方体

那么，如何获得这种价值连城的高光谱图像立方体呢？它是通过成像光谱仪获取的，但是成像光谱仪（或高光谱成像系统）本身是一种获取图像的传感器，它获取的只是光谱信息，一般地，成像光谱仪器及其配套软件是不提供该图像立方体的显示功能的，您需要把成像光谱仪获取的数据导入到ENVI软件中才能显出如此漂亮的图片资料。

图三：一种比较典型的成像光谱仪(Imaging Spectrometer or Hyperspectral imager)

获取这样一个图像立方有两种方法，一种是推扫式(Push-broom),适合动态成像，也就是成像光谱仪随着搭载平台时刻在运动而探测的目标静止, 另外一种是波长扫描式(Wavelength Scanning),适合静态成像，也就是程序光谱仪和目标都是静止不动。（有关扫摆式和摇摆式成像在此不作阐述）。

在深入该话题的探讨之前，我们首先明确高光谱遥感的三个空间级别：

航天级别：星载遥感（planet-borne）距离地面150公里以上。这是一种典型的高光谱遥感应用，也是高光谱技术（成像光谱技术）的最初应用，它是把成像光谱仪安装于卫星上，对地球目标进行高光谱遥感探测。工作距离通常是几万公里以上，我国的神舟七号飞船就成安装类似的成像光谱仪。使用的成像光谱仪非常庞大，每次实验的费用非常巨大。

航空级别：机载遥感（Airborne）距离地面100-到十多公里的距离。使用小型飞机或无人机作为光谱仪的搭载平台，是目前主要的遥感成像工作方法。它使用的成像光谱仪体积小。但是要获得比较好的实验结果并不容易，需要精确的GPS和惯导定位，高性能的计算机和高频率的拍摄速度。

地面级别：这种应用的主要领域是地面或高度不高于50m的空间成像。它不再是像前两种那样动态的成像，而是通常静态成像，比较常见的是农业应用和是实验室高光谱成像。但是也有把推扫式成像光谱仪放置在地面，配备旋转位移台或线形位移台，以产生两种效果：成像光谱仪运动而待测物目标静止，或者成像光谱仪静止而待测目标运动的效果。

目前,实际科研过程中,常用的是航空级别(动态成像)和地面级别的高光谱遥感成像(静态成像)。现在，可以这样认为：动态的测量应用就需要使用推扫式成像方式获取图像，静态测量应用需要使用波长扫描式获取高光谱图像。这两者有何区别呢？下图将有利于您理解该问题。

图四：A图是波长扫描式的成像方式(静态测量) B图是推扫式成像方式(动态测量)

基于光谱特征参数组合的高光谱数据矿物填图方法

第40卷第8期 地球科学 中国地质大学学报V o l .40 N o.8 2015年8月 E a r t hS c i e n c e J o u r n a l o fC h i n aU n i v e r s i t y o fG e o s c i e n c e s A u g . 2015d o i :10.3799/d q k x .2015.130基金项目:国家科技支撑计划课题项目(N o .2012B A H 27B 04). 作者简介:韦晶(1991-),男,硕士,主要从事定量遥感方面研究.E -m a i l :w e i j i n g _r s @163.c o m *通讯作者:明艳芳,E -m a i l :m y f 414@163.c o m 引用格式:韦晶,明艳芳,刘福江,2015.基于光谱特征参数组合的高光谱数据矿物填图方法.地球科学 中国地质大学学报,40(8):1432-1440. 基于光谱特征参数组合的高光谱数据矿物填图方法 韦 晶1,明艳芳1*,刘福江2 1.山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266590 2.中国地质大学信息工程学院,湖北武汉430074 摘要:受大气环境等因素的影响,高光谱遥感矿物识别难以达到较高的精度.为解决该问题,根据光谱吸收特征参数在大气变化中能保持相对稳定的特点,提出一种基于光谱特征参数组合的高光谱矿物类型识别方法.文中计算了多种光谱特征参数,通过最佳指数因子(o p t i m u mi n d e x f a c t o r ,O I F )优选特征参数组合,选定最佳特征参数组合,利用模式识别方法实现矿物识别.利用机载可见/红外成像光谱仪(a i r b o r n e v i s i b l e i n f r a r e d i m a g i n g s p e c t r o m e t e r ,A V I R I S )高光谱数据,在美国内华达州C u p r i t e 矿区进行了该方法的应用试验研究,并与前人矿物填图结果做了对比.结果表明:吸收波谷位置-吸收面积-吸收右肩位置(P -A -S 2) 光谱特征参数组合的矿物识别效果最优,整体精度达到74.68%.关键词:光谱吸收特征参数;遥感;矿物填图;机载可见/红外成像光谱仪数据;最佳指数因子;C u p r i t e 矿区.中图分类号:P 575.4;P 237 文章编号:1000-2383(2015)08-1432-09 收稿日期:2015-04-02 H y p e r s p e c t r a lM i n e r a lM a p p i n g M e t h o dB a s e do n S p e c t r a l C h a r a c t e r i s t i cP a r a m e t e rC o m b i n a t i o n W e i J i n g 1,M i n g Y a n f a n g 1*,L i uF u j i a n g 2 1.C o l l e g e o f G e o m a t i c s ,S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,Q i n g d a o 266590,C h i n a 2.F a c u l t y o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,C h i n aU n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ,W u h a n 430074,C h i n a A b s t r a c t :I n f l u e n c e db y t h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ta n do t h e rf a c t o r s ,t h e m i n e r a l r e c o g n i t i o n w i t h h y p e r s p e c t r a lr e m o t e s e n s i n g i s d i f f i c u l t t o a c h i e v e a h i g h a c c u r a c y .T o i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f t h em i n e r a l i d e n t i f i c a t i o nw i t h s u c h t e c h n o l o g y ,a h y -p e r s p e c t r a lm i n e r a l r e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do ns p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r c o m b i n a t i o n ,w h i c hc a n m a i n t a i nr e l a t i v e l y s t a b l e c h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ea t m o s p h e r i cc h a n g e s ,i s p r o p o s e d i nt h i s p a p e r .V a r i o u ss p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sa r e c a l c u l a t e d ,a n dt h eo p t i m a l c o m b i n a t i o no f t h e p a r a m e t e r s i ss e l e c t e dt h r o u g ht h eo p t i m u mi n d e xf a c t o r (O I F ),b a s e do n w h i c h ,m i n e r a l i d e n t i f i c a t i o n i s r e a l i z e dw i t h p a t t e r n r e c o g n i t i o nm e t h o d .B a s e do n t h e a b o v em e t h o d ,m i n e r a l t y p e i d e n t i f i c a -t i o n t e s t i s c a r r i e do u t i nC u p r i t em i n e o fN e v a d a ,w i t h a i r b o r n e v i s i b l e i n f r a r e d i m a g i n g s p e c t r o m e t e r (A V I R I S )h y p e r s p e c t r a l d a t a .T h e r e s u l t s a r e c o m p a r e dw i t h t h ew o r ko f p r e v i o u sm i n e r a lm a p p i n g ,i t s h o w s t h a t t h e c o m b i n a t i o n o f t h e s p e c t r a l c h a r -a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s ,P -A -S 2(P i s a b s o r p t i o nw a v e t r o u g h p o s i t i o n ,Ai s a b s o r p t i o n a r e a ,S 2i s a b s o r p t i o n r i g h t s h o u l d e r p o s i -t i o n )c a n g e t t h eh i g h e s t i d e n t i f i c a t i o n p r e c i s i o n ,t h e o v e r a l l a c c u r a c y c a n r e a c h74.68%.K e y w o r d s :s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r ;r e m o t e s e n s i n g ;m i n e r a lm a p p i n g ;a i r b o r n e v i s i b l e i n f r a r e d i m a g i n g s p e c t r o m e t e r d a t a ;o p t i m u mi n d e x f a c t o r (O I F );C u p r i t em i n i n g a r e a . 利用遥感手段可以从广域空间尺度二 多时相尺度下实现矿物信息的快速识别,缩短矿物填图时间,提高效率.高光谱遥感由于具有波段连续二波谱分辨 率高的特点可以在矿物类型识别中发挥重要作用,且已经在局部区域矿物填图等工作中得到广泛的应用(甘甫平和王润生,2007;王润生等,2010). 然而由

高光谱遥感复习总结

1.高光谱分辨率遥感:用很窄（0.01波长）而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。在可见光、近红外、短波红外和热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。 2.高光谱遥感特点：波段多,数据量大；光谱范围窄(高光谱分辨率)；在成像范围内连续成像；信息冗余增加 3. 高光谱遥感的发展趋势（1）遥感信息定量化（2）“定性”、“定位”一体化快速遥感技术 4.光谱特征的产生机理：在绝对温度为0K以上时，所有物体都会发射电磁辐射，也会吸收、反射其他物体发射的辐射。高光谱遥感准确记录电磁波与物质间的这种作用随波长大小的变化，通过反映出的作用差异，提供丰富的地物信息，这种信息是由地物的宏观特性和微观特性共同决定的。宏观特性:分布、粗糙度、混杂微观特性:物质结构 6.典型地物反射：水体的反射主要在蓝绿光波段，其他波段吸收都很强，特别到了近红外波段，吸收就更强，所以水体在遥感影像上常呈黑色。 植被的反射波谱特征：①可见光波段有一个小的反射峰，位置在0.55um处，两侧 0.45um(蓝)和0.67um(红)则有两个吸收带。这一特征是叶绿素的影响。②在近红外波段(0.7-0.8um)有一反射的“陡坡”（被称为“红边”)，至1.1um附近有一“峰值”，形成植被的独有特征。这一特征由于植被结构引起。③在中红外波段(1.3-2.5um) ，反射率大大下降，特别以1.45um和1.95um为中心是水的吸收带，形成低谷。 土壤:由于土壤反射波谱曲线呈比较平滑的特征，所以在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显.自然状态下土壤表面的反射率没有明显的峰值和谷值，一般来讲土质越细反射率越高，有机质含量越高和含水量越高反射率越低，此外土类和肥力也会对反射率产生影响。 6.野外光谱测量的影响因素（1）大气透射率（2）水蒸气3）风（4）观测几何 7.地面光谱的测量方法：实验室测量，野外测量 8.垂直与野外测量的区别:垂直测量：为使所有数据能与航空、航天传感器所获得的数据进行比较，一般情况下测量仪器均用垂直向下测量的方法，以便与多数传感器采集数据的方向一致。由于实地情况非常复杂，测量时常将周围环境的变化忽略，认为实际目标与标准板的测量值之比就是反射率之比。 野外测量（非垂直测量）：在野外更精确的测量是测量不同角度的方向反射比因子。 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。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。 光谱图像立方体：空间平面：O-XY平面；线光谱平面：O-XZ，O-YZ平面 9.高光谱遥感图像数据表达：A.光谱图像立方体 B.二维光谱曲线 C. 三维光谱曲面 10.空间成像方式：（1）摆扫型成像光谱仪：定义：它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。原理：45斜面的扫描镜，电机进行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，光学分光系统形成色散光源再汇集到探测器上，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。 （2）推扫型成像光谱仪：定义：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。原理：垂直于运动方向完成空间维扫描，平行于运动方向完成光谱维扫描。 （3）两者的优缺点：摆扫型成像光谱仪的优点：A.FOV 大；B.探测元件定标方便，数据稳

高光谱应用

应用高光谱在以下领域有着广泛的应用: (1)在植被和生态研究中的应用 高光谱遥感数据能够精确估算关键生态系统过程中的生物物理和生物化学参量，特别是在大尺度上冠层水分、植被干物质和土壤生化参量的精确反演，在生态学研究中有广阔的应用前景。高光谱遥感还应用于生态环境梯度制图、光合作用色素含量提取、植被干物质信息提取、植被生物多样性监测、土壤属性反演、植被和土地覆盖精细制图、土地利用动态监测、矿物分布调查、水体富营养化检测、大气污染物监测、植被覆盖度和生物量调查、地质灾害评估等等。 (2)在大气科学研究中的应用 高光谱遥感技术在大气研究中的突出应用是云盖制图、云顶高度与云层状态参数估算、大气水汽含量与分布估算、气溶胶含量估计以及大气光学特性评价等。利用高光谱数据，在准确探测大气成分的基础上，能提高天气预报、灾害预警等的准确性与可靠性。(3)在地质矿产中的应用 区域地质制图和矿产勘探是高光谱技术主要的应用领域之一，也是高光谱遥感应用中最成功的一个领域。高光谱遥感能成功地应用于地质领域的主要原因是高光谱遥感有许多不同于宽波段遥感的性质，各种矿物和岩石在电磁波谱上显示的诊断性光谱特征可以帮助人们识别不同矿物成分，高光谱数据能反映出这类诊断性光谱特征。高光谱遥感在地质成因环境探测、蚀变矿物与矿化带的探测、成矿预测、岩性的识别与分类、油气资源及灾害探测、高光谱植被

重金属污染探测等方面也有应用。 (4)在海洋研究中的应用 随着科学技术的发展，高光谱遥感已成为当前海洋遥感前沿领域。由于中分辨率成像光谱仪具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等许多优点，因此已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它不仅可用于海水中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、某些污染物和表层水温探测，也可用于海冰、海岸带等的探测。 (5)在农业方面的应用 农业遥感应用中，充分利用高光谱图谱合一的优点，能够精准监测作物长势，为精准农业服务。高光谱遥感技术在农业遥感应用中的研究取得了较大进展，主要研究包括以下方面:作物叶片光谱特征研究、作物分类与识别、作物生态物理参数反演与提取、作物养分诊断与监测研究、作物长势监测与产量预测、农业遥感信息模型研究、农业灾害监测。在军事方面的应用高光谱影像由于其具有的丰富地面信息,从一开始就被应用于军事领域,并在实际应用中表明这种光谱成像技术在军事上具有很高的应用价值,因而军用卫星上采用这种遥感器的趋势正在快速增长。 (6)在军事侦察、识别伪装方面 它能够根据目标与伪装材料不同的光谱特性,利用成像光谱仪可以从伪装的物体中自动发现目标;在调查武器生产方面,超光谱成像仪不但可探测目标的光谱特性、存在状况,甚至可分析其物质成分,从而可采集工厂产生的烟雾,直接识别其物质成分, 判定工厂生产的武器,

高光谱数据分析ENVI操作手册

高光谱数据分析ENVI操作手册

1.常见参数选择 主菜单→File→Preferences ●用户自定义文件（User Defined Files） 图形颜色文件，颜色表文件，ENVI的菜单文件，地图投影文件等。需重启ENVI ●默认文件目录(Default Directories) 默认数据目录，临时文件目录，默认输出文件目录，ENVI补丁文件、光谱库文件、备用头文件目录等，需重启ENVI。 ●显示设置(Display Default) 可以设置三窗口中各个分窗口的显示大小，窗口显示式样等。其中可以设置数据显示拉伸方式（Display Default Stretch），默认为2%线性拉伸。 ●其他设置(Miscollaneous) 制图单位（Page Unit），默认为英寸（Inches），可设置为厘米（Centimeters） 还有缓冲大小（cache size），可以设置为物理内存的50-75%左右。 Image Tile Size不能超过4M。

2.显示图像及其波谱 2.1.打开文件 ●主菜单，Open Image File→文件名.raw。 ●或Window→Available Bands List→File →Open Image File→文件名.raw。 2.2.显示图像 ●显示单波段灰度级图像：Gray color,选择的波段一般是图像显示最清晰的波 段。 ●显示伪彩色图像：RGB color，选择具有明显吸收谷、强烈反射作用和所含信息量较大的波段作为彩色合成RGB波段。 ●显示真彩色图像：波段列表（Available Bands List）中，右键→Load TrueColor 。 ●图像保存：Display窗口，File→Save Image As→Image File，选择输出格式、路径和名称，OK。 ●动画显示：Display窗口，Tools→Animation，动态显示各波段图像，能很快的分辨出包含信息量较多的波段。

高光谱遥感的发展与应用_张达

第１１卷　第３期２ ０１３年６月光学与光电技术 ＯＰＴＩＣＳ　＆ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　 ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．１１，Ｎｏ．３　 Ｊｕｎｅ，２０１３收稿日期　２０１２－０９－２９；　收到修改稿日期　２０１２－１２－ １３作者简介　张达（１９８１－） ，男，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事空间光学遥感仪器的研制、空间光学成像，以及光谱探测技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄａ＠ｃｉｏｍｐ ．ａｃ．ｃｎ基金项目　国防预研基金（ＳＡ０５０），国家８６３高技术研究发展计划（２０１０ＡＡ１２２１０９１００１） ，吉林省科技发展计划（２０１１０１０７９ ）资助项目文章编号：１６７２－３３９２（２０１３）０３－００６７－ ０７高光谱遥感的发展与应用 张　达　郑玉权 （中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３） 摘要　阐述了高光谱遥感的特点、优势，以及在航空及航天领域的发展情况，列举了几种典型高光谱成像仪的光学系统原理和主要技术指标。在此基础上， 概述了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产、海洋、军事等领域的应用情况。最后对高光谱遥感发展趋势提出了几点建议，包括低反射率目标遥感、高信噪比、高空间分辨率及宽覆盖范围等方面。关键词　高光谱遥感；发展；应用；成像光谱仪中图分类号　ＴＰ７０ 文献标识码　Ａ １　引　言 遥感技术是２０世纪６０年代发展起来的对地 观测综合性技术［１］ ，随着２０世纪８０年代成像光谱 技术的出现， 光学遥感进入了高光谱遥感阶段。从２０世纪９０年代开始， 高光谱遥感已成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感的最主要手段。 高光谱遥感技术作为对地观测技术的重大突破［ ２］ ，其发展潜力巨大。 高光谱遥感实现了遥感数据图像维与光谱维信息的有机融合，在光谱分辨率上有巨大优势，是遥感发展的里程碑。随着高光谱遥感技术的日趋成熟，其应用领域也日益广泛，已渗透到国民经济的各个领域，如环境监测、资源调查、工程建设等，对于推动经济建设、社会进步、环境的改善和国防建设起到了重大的作用。本文主要阐述高光谱遥感的特点、优势以及在航空及航天领域的发展情况，概括了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产， 海洋军事等领域的应用情况。２　高光谱遥感特点与优势 高光谱遥感是高光谱分辨率遥感（Ｈｙｐｅｒｓｐ ｅｃ－ｔｒａｌ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ） 的简称［３］ ，它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外、中红外和热红外波段范围 内，获取许多非常窄且光谱连续的影像数据的技 术，是在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成的一种独特的三维遥感。对大量的地球表面物质的光谱测量表明， 不同的物体会表现出不同的光谱反射和辐射特征，这种特征引起吸收峰和反射峰的波长宽度在５～５０ｎｍ左右，其物理内涵是不同的分子、 原子和离子的晶格振动，引起不同波长的光谱发射和吸收，从而产生了不同的光谱特征。运用具有高光谱分辨率的仪器，通过获取图像上任何一个像元或像元组合所反映的地球表面物质的光谱特性， 经过后续数据处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的［ ４］ 。高光谱遥感的成像光谱仪具有光谱分辨率高（５～１０ｎｍ），光谱范围宽（０．４μｍ～２．５μｍ） 的显著特点，可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息， 所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线，光谱的覆盖范围从可见光、近红外到短波红外的全部电磁辐射波谱范围。高光谱数据是一个光谱图像的立方体，其空间图像维描述地表二维空间特征，其光谱维揭示图像每一像元的光谱曲线特征，由此实现了遥感数据图像维与光谱 维信息的有机融合［ ５］ 。高光谱遥感在光谱分辨率方面的巨大优势，使得空间对地观测时可获取众多连续波段的地物光谱图像， 从而达到直接识别地球表面物质的目的。地物光谱维信息量的增加为遥感对地观测、地物识别及地理环境变化监测提供了

基于决策树的高光谱数据特征选择及其对分类结果的影响分析_百度解读

第11卷第1 期 2007年1月 遥感学报 Vol . 11, No . 1Jan . , 2007 文章编号:100724619(2007 0120069208 基于决策树的高光谱数据特征选择及其对分类结果的影响分析 王圆圆, 李京 (北京师范大学资源学院资源技术与工程研究所, 北京100875 摘要:本文利用OM I S 高光谱数据, 研究了决策树算法(Decisi on Tree, DT 特征选择的特点以及特征选择对决策树分类结果的影响。设计了三种特征选择方法:SEP,MDLM 和RE L I EF, 将它们与DT 特征选择的结果以及特征选择后的分类精度(考虑了三种分类器:最大似然法、后向传播神经网络、最邻近法进行对比, 并分析了这三种特征选择方法对决策树结构和分类精度的影响。结果显示, DT 是一种比较好的特征选择方法; 成的决策树比直接生成的决策树, 用到更少的特征(平均减少了43136% 18161% 和更高的分类精度(平均提高了0135% , 当样本数量少时, 。关键词:决策树; 高光谱; 特征选择 中图分类号:TP751. 1:A Ana Fea ture Selecti on and Its I m pact on Hyperspectra l Da t a C l a ssi f i ca ti on Ba sed on D ec isi on Tree A lgor ith m

WANG Yuan 2yuan, L I Jing (College of Resources Science, B eijing N or m al U niversity, B eijing 100875, China Abstract:I n this article, O M I S hy pers pctral data was used t o study feature selecti on ability of DT (Decisi on Tree alg orith m and the i m pacts of feature selecti on on DT . The DT was co mpared t o three designed feature selecti on methods (SEP, MDL M and RE L I EF based on feature selecti on results and classificati on accuracy in which three different methods (ML 、BP NN and 12NN were applied . Moreover, the i m pacts of the three designed feature selecti on methods on DT classificati on results at different training sa mple sizes were analyzed . Results indicated that DT was a g ood feature selecti on method . After feature selecti on, DT alg orith m out putted t o those classificati on trees that used fe wer features (average decrease was 43136% , had fe wer tree nodes (average increase was 18161% , and had higher classificati on accuracy (average increase was 0135% . When the training sa mple size was s mall, accuracy i m pr ove ment was the most significant and mean while the tree size scarcely changed . Key words:decision tree; feature selecti on; hypers pectral data 1引言 高光谱遥感数据光谱分辨率高(<10n m , 波段数量大(可达200多 , 与一般遥感 数据相比, 具有数据量更大的特点, 因此分析起来面临更大的困难 收稿日期:2005204226; 修订日期:2006202223 和挑战。在监督分类中, 由于Hughes 现象的存在, 为了保证较高的精度, 每一类的样本数量应该是特征数的10倍到100倍, 这意味着样本量必须增加到成千上万个, 而现实中要获得这么多的可靠样本是非常困难

高光谱数据的制图方法简介

高光谱数据的制图方法简介 ENVI软件在Spectral菜单中提供许多波谱制图方法，包括：二进制编码、波谱角制图、线性波段预测(LS-Fit)、线性波谱分匹配滤波、混合调制匹配滤波、包络线去除，以及波谱特征拟合等。 本文主要介绍几种高光谱数据处理的过程操作。 1.二进制编码 二进制编码分类技术根据波段值落在波谱均值的下方或上方，将数据和端元分别编码为0和1。在编码过程中，使用一个高级的（exclusive）OR函数，用于将需要编码的数据波谱与参照波谱相比较，从而生成一幅分类图像。 选择菜单栏Spectral—Mapping Methods—Binary Encoding。在打开的窗口设置参数如下： 图1-1 二进制编码分类参数设置 注意：“OutputRuleImages”切换按钮被设置为“No”，规则图像将不被保存。 分类结束后，规则图像将出现在可用波段列表中，可以在任何显示窗口中显示（或链接/覆盖），并可以使用ENVI的像元位置/值功能进行查询。结果显示如图1-2：

图1-2 原影像图（左）与二进制编码分类结果图（右） 2. 波谱角分类 波谱角分类(SAM)是一种基于自身的波谱分类方法，这种方法将图像波谱与参照波谱在N-维空间进行匹配。SAM用到的参照端元波谱可以来自于ASCII文件、波谱库、统计文件或直接从图像中抽取（如ROI均值波谱），本实验中用的是ROI均值波谱。SAM把端元波谱（被认为是一个N维向量，N维波段数）和像元向量放在n维空间中进行角度比较。较小的角度代表象元与参照波谱匹配紧密。这一技术用于数据定标时，对照度和反照率的影响并不敏感。 选择菜单栏Spectral—Mapping Methods—Spectral Angle Mapper。设置参数如图2-1，波谱角分类结果，如图2-2： 图2-1 波谱角分类参数设置图2-2 波谱角分类结果影像 3.LS-Fit(线性波段预测)

高光谱遥感

(一)高光谱遥感基本概念 1、高光谱遥感特点 波段特点：波段多、波段宽度窄、不断连续数据量特点：数据量大、数据冗余增加2、波谱空间与光谱空间 光谱特征空间：以波段为维度的空间，波段增加会导致光谱空间维度增加。 波普特征空间：不同波段影像所构成的测度空间。 3、高光谱数据图谱合一的特点 高光谱数据同时反映地物的空间特征（图）和光谱特征（谱）。 (二)成像光谱仪 1、成像光谱仪的空间成像方式和光谱成像方式的含义 空间成像方式：从影像二维空间形成角度考察成像光谱仪的工作方式。 光谱成像方式：从光谱维数据形成的角度考察成像光谱仪的工作方式。 2、成像光谱仪的瞬时视场角（IFOV）仪器视场角（FOV） 瞬时视场角：以毫弧度为计量单位，所对应的地面大小被称为地面分辨单元。 仪器视场角：仪器扫描镜在空中扫过的角度，与系统平台高度决定了地面扫描幅宽。 摆扫型：单个像元凝视时间短,进一步提升光谱分辨率和信噪比较困难。 推扫型：凝视时间长,分辨率高,仪器体积小(无光机),视场角小(30°)定标量大不稳定。3、成像光谱仪的三种定标方式 共性：出于同一目的，特定情况下都是不可缺少的。 差异：处于不同阶段，考虑因素不同，入瞳辐射值获取方式不同 （实验室定标：有实验室测得，原始定标，准确度高，后续定标基础） （机上星上定标：综合性定标，对前一项进行的修正，机上星上测得考虑搬运安装操作影响）（场地定标：入轨后实际运行情况，大面积均匀地表做参照,考虑大气传输，多通道大范围） 场地定标的常用方法：反射基法（气溶胶参数）、辐照度基法（过程）、辐亮度基法（人力）机上定标一般使用内定标法，星上定标受制于体积一般进行辐射定标（人造辐射源/太阳） 光谱定标：确定成像光谱仪增益系数和偏置量之前，必须通过光谱定标，获得成像光谱仪每个波段的中心波长和带宽。 辐射定标：确定成像光谱仪在该波长小输入辐射能与输出响应关系（增益系数和偏置量）4、空间分辨率和光谱分辨率 光谱分辨率：指探测器波长方向上的记录宽度，又称波段宽度（50%） 空间分辨率：由仪器瞬时视场角决定，地面分辨单元。 分光系统分出的色散光源再汇集到探测器上，成像光谱仪获得图像有光谱与空间分辨率。

什么是高光谱

什么是高光谱,多光谱,超光谱 作者：felles提交日期：2010-4-26 8:16:00 | 分类:高光谱 | 访问量：196 到底什么是高光谱，多光谱和超光谱技术2009-11-18 13:53多光谱，高光谱和高光谱技术都被称为成像光谱技术，在遥感和其他科研领域具有举足轻重的作用。 多年来，我一直对这种技术理解不深，很多人说什么多光谱，甚至是超光谱，多光谱技术实际上是高光谱技术的原始阶段，几乎被淘汰了。而有些人说的超光谱实际上还在美国研发，根本没有进入到市面上，也就说诸多同仁对成像光谱技术也是糊里糊涂。今日，我在一个网站上发现了对这种技术的解释 https://www.wendangku.net/doc/df5736375.html, ，我认为从专业角度来说，他们说的还比较靠谱。对于科研确实有一定的帮助。我在这里吧相关资料拷贝过来供大家欣赏。 成像光谱技术（高光谱成像技术）基础 Imaging Spectrometer Fundamentals 说明：1.下文所属的成像光谱仪又叫高光谱成像系统，而且同一个概念。 2.该资料为天津菲林斯光电仪器公司https://www.wendangku.net/doc/df5736375.html, 编写，仅作成像光谱技术的内部交流之用，禁止一切形式的侵权传播或引用行为。 一．技术历史背景 在现代科研过程中, 多数情况下必须对空间不均匀样品的分布特性加以分 析和确认，使用传统的光谱仪仅仅能够以聚焦的镜头扫描样品或者获得整个样品

的平均特性，这种光谱和空间信息不可兼得的局限性促使高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）应用而生。 早在20世纪60年代（1960s）人造地球卫星围绕地球获取地球的图片资料时，成像就成为研究地球的有利工具。在传统的成像技术中，人们就知道黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异因而可用于辨别不同的材料，在此基础上，成像技术有了更高的发展，对地球成像时，选择一些颜色的滤波片成像对于提高对特殊农作物、研究大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早的多光谱技术（Multispectral imaging）它最早出现在LandSat卫星上。这些最早的星载图像传感器（例如，LandSat卫星上的Thematic Mapper和法国SPOT 卫星上的相机）以离散的几种颜色（或者几个波段）对地球成像，就是人们常说的多光谱成像。 既然多光谱成像（Multispectral Imaging）仅仅以几个连续的光谱波带成像对于我们研究环境就如此有用，为什么不把波带数拓展更多，把光谱分辨率拓展更细呢？因此，用于遥感目的的高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging）在20世纪80年代初期诞生了，它最早是机载的成像光谱仪（Airborne Imaging Spectrometer），如今已拓展到先进的可见和红外成像光谱仪（AVIRIS），这两种最早都诞生在NASA的JPL中心（NASA：美国国家航天航空管理局）。 从多光谱到高光谱遥感技术的前进也需要仪器的发展。虽然对地球成像而言七个非连续的波段称不上什么光谱成像技术，但是如果使用200个连续的波段，每个波段的光谱分辨率在10nm左右，谁都不会否认这是光谱成像技术。而且人类对更好更高的追求从来都没停止过，现在光谱成像技术已经发展到超光谱时代（Ultraspectral Imaging），比如，它使用的是空间发射光谱仪（Atmospheric Emission Spectrometer， AES），这个超光谱成像仪在红外波段就能产生数千个波带，分辨率高达1/cm。 全球第一个星载高光谱成像器于1997年在NASA随着Lewis卫星发射升空，它包含了384个波段涵盖了400-2500nm波段，不幸的是这颗卫星控制出现问题，失去了动力，升空一个月后就偏离了轨道。随后，一些实验性的机载高光谱成像器在NASA的DOD（Department of Defense）得到了重点研发，这些机载的高光谱成像系统涵盖了VNIR/SWIR和MLIR(3-5微米），LWIR（又称热红外相机，适应波段8-12微米）。 目前，成像光谱技术已经走出了最初的军事应用的局限，在国土资源调查，精准农业生产和研究，农作物分选和检测等多种应用领域发挥不可替代的作用。基于成像光谱技术波长范围为400-1000nm, 900-1700nm, 1100-2500nm,3000-15000nm的各种成像光谱仪和高光谱成像器也应运而生。但是由于军事应用的潜在性依然存在，国外先进成像光谱仪国家对成像光谱仪的对华出口管制非常严格，例如，红外成像光谱仪是百分之百对华禁运，其他波段的成像光谱仪也需要我国用户提供商务部签发的“End User and End Use Statement” ，但是，尽管如此，能否进口到中国来依然存在许多变数。

高光谱,多光谱及超光谱

1、光谱分辨率 光谱分辨率spectral resolution 定义1：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。遥感器的波段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。 定义2：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。 光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。 传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。 举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。 一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。 2、什么是高光谱，多光谱及超光谱 高光谱成像是新一代光电检测技术，兴起于2O世纪8O年代，目前仍在迅猛发展巾。高光谱成像是相对多光谱成像而言，通过高光谱成像方法获得的高光谱图像与通过多光谱成像获取的多光谱图像相比具有更丰富的图像和光谱信息。如果根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类，光谱成像技术一般可分成3类。 (1)多光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。 (2)高光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．01mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm 级。 (3)超光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda =O．001mm=1nm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。 众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标。光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点。因此，可以说光谱成像技术是光谱分析

高光谱图像分类

《机器学习》课程项目报告 高光谱图像分类 ——基于CNN和ELM 学院信息工程学院 专业电子与通信工程 学号 2111603035 学生姓名曹发贤 同组学生陈惠明、陈涛 硕士导师杨志景 2016 年11 月

一、项目意义与价值 高光谱遥感技术起源于20 世纪80年代初，是在多光谱遥感技术基础之上发展起来的[1]。高光谱遥感能够通过成像光谱仪在可见光、近红外、短波红外、中红外等电磁波谱范围获取近似连续的光谱曲线，将表征地物几何位置关系的空间信息与表征地物属性特征的光谱信息有机地融合在了一起，使得提取地物的细节信息成为可能。随着新型成像光谱仪的光谱分辨率的提高，人们对相关地物的光谱属性特征的了解也不断深入，许多隐藏在狭窄光谱范围内的地物特性逐渐被人们所发现，这些因素大大加速了遥感技术的发展，使高光谱遥感成为21 世纪遥感技术领域重要的研究方向之一。 在将高光谱数据应用于各领域之前，必须进行必要的数据处理。常用的数据处理技术方法包括：数据降维、目标检测、变化检测等。其中，分类是遥感数据处理中比较重要的环节，分类结果不但直接提取了影像数据有效信息，可以直接运用于实际需求中，同时也是实现各种应用的前提，为后续应用提供有用的数据信息和技术支持，如为目标检测提供先验信息、为解混合提供端元信息等。 相对于多光谱遥感而言，由于高光谱遥感的波谱覆盖范围较宽，因此我们可以根据需要选择特定的波段来突显地物特征，从而能够精确地处理地物的光谱信[2]。目前，许多国家开展大量的科研项目对高光谱遥感进行研究，研制出许多不同类型的成像光谱仪。高光谱遥感正逐步从地面遥感发展到航空遥感和航天遥感，并在地图绘制、资源勘探、农作物监测、精细农业、海洋环境监测等领域发挥重要的作用。高光谱遥感技术虽然是遥感领域的新技术，但是高光谱图像的分类一直制约着高光谱遥感的应用[3,4]，因此对其进行研究显得尤为重要。 高光谱遥感图像较高的光谱分辨率给传统的图像分类识别算法提出严峻的挑战。波段维数的增加不仅加重了数据的存储与传输的负担，同时也加剧了数据处理过程的复杂性，并且由于波段与波段间存在着大量的冗余信息，从而使得传统图像分类算法并不适用于高光谱遥感图像的分类。传统的分类方法往往需要很多数目的已知类别的训练样本，从而导致计算量大，时间复

高光谱遥感

1、地面光谱测量的作用：；①地面光谱辐射计在成像光谱仪过顶时，常用于地面野；②在一些反射率转换模型中，需要引入地面光谱辐射计；③地面光谱辐射计可以为图像识别获取目标光谱和建立；④通过地面光谱辐射计测量数据和地面模拟，可以帮助；⑤地面光谱辐射计还可以勇于地面地质填图；⑥可以用来建立地物的表面方向性光谱反射特性；⑦建立目标地面光谱数据与目标特性间的定量关系； 2、 1、地面光谱测量的作用： ①地面光谱辐射计在成像光谱仪过顶时，常用于地面野外或实验室同步观测，获取下行太阳辐射，以用于遥感器定标。 ②在一些反射率转换模型中，需要引入地面光谱辐射计测取得地面点光谱来完成DN值图像到反射率图像的转换。 ③地面光谱辐射计可以为图像识别获取目标光谱和建立特征项。但是，这时地面光谱测量要在空间尺度上与图像像元尺度相对应，且要具有代表性；另外，地面光谱测量要与高光谱图像获取条件相一致。 ④通过地面光谱辐射计测量数据和地面模拟，可以帮助人们了解某一地物被高光谱遥感探测的可能性，理解其辐射特性，确定需要采用的探测波长、光谱分辨率、探测空间分辨率、信噪比、最佳遥感探测时间等重要参数。 ⑤地面光谱辐射计还可以勇于地面地质填图。它可以用于矿物的光谱吸收特征，识别地面矿物或矿物的集合，从而直接完成野外矿物填图。 ⑥可以用来建立地物的表面方向性光谱反射特性。 ⑦建立目标地面光谱数据与目标特性间的定量关系。 2、高光谱成像特点： ①高光谱分辨率。高光谱成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续光谱，波段多至几十甚至数百个，其分辨率可以达到纳米级，由于分辨率高，数十、数百个光谱图像可以获得影像中每个像元的精细光谱。②图谱合一。高光谱遥感获取的地表图像包含了地物丰富的空间、辐射和光谱三重信息，这些信息表现了地物空间分布的影像特征，同时也可能以其中某一像元或像元组为目标获得他们的辐射强度以及光谱特征。 ③光谱波段多，在某一光谱段范围内连续成像。成像光谱仪连续测量相邻地物的光谱信号，可以转化城光谱反射曲线，真实地记录了入射光被物体所反射回来的能量百分比随波长的变化规律。不同物质间这种千差万别的光谱特征和形态也正是利用高光谱遥感技术实现地物精细探测的应用基础。 3、高光谱遥感图像数据表达： ①图像立方体——成像光谱信息集。 ②二维光谱信息表达——光谱曲线。 ③三维光谱信息表达——光谱曲线图。（书本44页） 4、成像光谱仪的空间成像方式： （1）摆扫型成像光谱仪。摆扫型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。扫描镜对地左右平行扫描成像，即扫描的运动方向与遥感平台运动方向垂直。其优点：可以得到很大的总视场，像元配准好，不同波段任何时候都凝视同一像元；在每个光谱波段只有一个探测元件需要定标，增强了数据的稳定性；由于是进入物镜后再分光，一台仪器的光谱波