实验二高光谱遥感数据的大气校正
--GIS0901 赵建平 2009303200901
一. 基本概念:
a)大气散射
辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向散开，称为散射。大气散射是电磁波同大气分子或气溶
胶等发生相互作用，使入射能量以一定规律在各方向重新分布
的现象。其实质是大气分子或气溶胶等粒子在入射电磁波的作
用下产生电偶极子或多极子振荡，并以此为中心向四周辐射出
与入射波频率相同的子波，即散射波。散射波能量的分布同入
射波的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。
b)大气吸收和地面遥感可以利用的主要大气窗口
对遥感传感器而言，只有选择透过率高的波段才对观测有意义。电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射的那些透射
率高的波段成为大气窗口。通常把太阳光透过大气层时透过率
较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有: 微波波段（即0.8~2.5cm），由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以用于全天候观测，而且是主动遥感方式。
远红外波段（即8~14μm），主要通透来自地物热辐射的能量，适用于夜间成像。
中红外波段（即3.5~5.5μm），该波段除了反射外，地面物体也可以自身发射热辐射能量。
近、中红外波段（即1.5~1.8μm和2.0~3.5μm），是白天
日照条件好时扫描成像的常用波段。
紫外、可见光和近红外波段（即0.3~1.3μm）这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。
c)天空为什么是蓝色的？太阳升起和落下时天空为什么是红色
或橘红色？
我们所看到的蓝天是因为空气分子和其他微粒对入射的太阳光进行选择性散射的结果。当微粒的直径小于可见光波长时，散射强度和波长的4次方成反比，不同波长的光被散射的比例不同。当太阳光进入大气后，空气分子和微粒(尘埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射。组成太阳光的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种光中，红光波长最长，紫光波长最短。
波长比较长的红光透射性最大，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面。而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的微粒散射。因此晴天天空是蔚蓝的。
当太阳将要落山时，太阳光穿透大气层到达观察者所经过的路程要比中午时长得多，更多的光被散射和反射，所以光线也没有中午时明亮。因为在到达所观察的地方，波长较短的光——蓝色和紫色的光几乎已经散射殆尽，只剩下橙色和红色的光，所以随着太阳慢慢落下，天空看起来也从橙色变成红色。
同样道理，当太阳升起的时候，也是橙色或者红色的。
d)为什么要进行大气校正？
进入大气的太阳辐射会发生反射、折射、吸收、散射和透射，其中对传感器接收影响较大的是吸收和散射。大气校正可以消除大气中水分、二氧化碳、甲烷、臭氧等物质对地物反射的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响，从而反演地物真实反射率。
二．对比分析DOS和FLAASH的处理结果。
图一.AVIRIS影像FLAASH处理结果图二. AVIRIS影像DOS处理结果从图像上，我们可以发现针对同一幅AVIRIS影像，FLAASH处理结果比DOS处理结果影像整体偏亮，这一点通过观察下面的反射率也可以加也印证。
图三. AVIRIS影像FLAASH处理光谱曲线图四. AVIRIS影像DOS处理光谱曲线从两幅影像处理结果上，我们不仅可以发现FLAASH处理结果的光谱反射率总体比DOS处理结果偏高，而且可以发现在0~700nm范围内FLAASH处理结果的光谱反射率远远高于后者。
渤海SVC 光谱数据处理 2009.9.9 一．基本原理 水体遥感反射率的计算公式为： /(0)rs w d R L E += 其中，水面入射辐照度比(0)d E +又为： (0)*/d p p E L πρ+= p L 为标准板的反射信号； p ρ为标准板的反射率。 而水面以上水体信号组成可表示为公式： *u w f sky wc g L L L L L ρ=+++ 其中：u L 代表传感器接收到的总信号； w L 是进入水体的光被水体散射回来后进入传感器的离水辐射率，是我们需要得到的量。 f ρ为菲涅尔反射系数， 平静水面可取r=0.022,在5m/s 左右风速的情况下, r 可取0.025, 10m/s 左右风速的情况下, 取0.026—0.028（唐军武，2004）。 s k y L 是天空光信号，通过实地测量得到； wc L 是来自水面白帽的信号、g L 是来自太阳耀斑的信号。这两部分信号不携带任何水体信息，在测量过程中通过采用特定的观测几何来避免和去除。 具体可参考《环境遥感模型与应用》 二．处理流程： 1.生成moc 文件：将测量得到的原始光谱XXX.sig 文件通过overlap 处理后得到去除传感器间重复波段影响后的平滑光谱曲线： ①安装运行SVC-HR1024软件，选择tools —SIG file overlap ，在browser 中选择要处理的.sig 文件； ②点击process all files 进行处理，生成的moc 文件自动保存在与.sig 同一个文件夹下面。 数据储存：为每一天新建一个以日期命名的文件夹，根据这一天所测的站点数，建立以相应点号命名的子文件夹以储存各点位测得的光谱数据(包括原始.sig 和生成的_moc.sig 文件) 2.制作.meta 文件：根据原始观测记录在.meta 文件中写入对应的水体测量（No_water_files ）、天空光测量（No_sky_files ）、灰板测量光谱曲线（No_plaq_files ）及灰板反射率的文件储存路径信息，以辅助反射率的计算。
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
基于辐射传输方程的Landsat数据地表温度反演教程一、数据准备 Landsa 8遥感影像数据一景，本教程以市2015年7月26日的=行列号为（128，049）影像（LC81280402016208LGN00）为例。 同时需提前查询影像的基本信息（详见下表） 注：基本信息在影像头文件中均可查询到，采集时间为格林尼治时间。 二、地表温度反演的总体流程 三、具体步骤 1、辐射定标
地表温度反演主要包括两部分，一是对热红外数据，二是多光谱数据进行辐射 定标。 （1）热红外数据辐射定标 选择Radiometric Correction/Radiometric Calibration。在File Selection对话框 中，选择数据LC81230322013132LGN02_MTL_Thermal，单击Spectral Subset 选择Thermal Infrared1（10.9），打开Radiometric Calibration面板。 （2）多光谱数据辐射定标 选择要校正的多光谱数据“LC81230322013132LGN02_MTL_MultiSpectral” 进行辐射定标。 Scale factor 不能改变，否则后续 计算会报错。保持默认1即可。
因为后续需要对多光谱数据进行大气校正，可直接单击Apply Flaash Settings，如下图。 注意与热红外数据辐射定标是的差 别，设置后Scale factor值为0.1。 2、大气校正 本教程选择Flaash 校正法。FLAASH Atmospheric Correction，双击此工具，打开辐射定标的数据，进行相关的参数设置进行大气校正。 注意：如果在多光谱数据辐射定标时Scale factor值忘记设置，可在本步骤中打开辐射定标数时设置single scale faceor 值为0.1，若已设置，则默认值为1即可。 1)Input Radiance Image：打开辐射定标结果数据； 2)设置输出反射率的路径，由于定标时候；
高光谱遥感
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高光谱遥感的基本概念 高光谱遥感器及平台简介 高光谱遥感技术 高光谱应用概况
高光谱遥感的基本概念
? 高光谱分辨率（简称为高光谱）遥感或成像光 谱遥感技术的发展是过去二十年中人类在对地 观测方面所取得的重大技术突破之一，是当前 遥感的前沿技术。它是指利用很多很窄的电磁 波波段获取许多非常窄且光谱连续的图像数据 的技术，融合了成像技术和光谱技术，准实时 地获取研究对象的影像和每个像元的光谱分布。
国际遥感界认为光谱分辨率在10-1λ数量级范围内的为多 光谱(Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱区 只有几个波段，如美陆地卫星TM和法国SPOT卫星等; 光谱分 辨率在10-2λ的遥感信息称之为高光谱(Hyperspectral)遥感。由 于其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级，往往具有波段多的特 点，即在可见到近红外光谱区其光谱通道多达数十甚至超过 100以上。随着遥感光谱分辨率的进一步提高，在达到10-3λ 时，遥感即进入了超高光谱(Ultraspectral)阶段 、
光谱区域（nm） ： 400 700 1100 2500 5500 14000
VIS VNIR
PIR
MIR
Sunlight 光谱分辨率 波段数 多光谱 高光谱 5-10 100-200 Δλ/λ 0.1 0.01 VNIR 50-100 5-20
IRT
MIR 100-200 10-50
IRT 1000-2000 100-500
北京揽宇方圆信息技术有限公司 遥感卫星影像辐射校正和大气校正的方法 辐射校正是指对由于外界因素，数据获取和传输系统产生的系统的、随机的辐射失真或畸变进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像畸变的过程。 利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，所得到的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差值叫做辐射误差。辐射误差造成了遥感图像的失真，影响遥感图像的判读和解译，因此，必须进行消除或减弱。需要指出的是，导致遥感图像辐射量失真的因素很多，除了由遥感器灵敏度特性引起的畸变之外，还有视场角、太阳角、地形起伏以及大气吸收、散射等的强烈影响。 遥感图像辐射校正主要包括三个方面：（1）传感器的灵敏度特性引起的辐射误差，如光学镜头的非均匀性引起的边缘减光现象、光电变换系统的灵敏度特性引起的辐射畸变等；（2）光照条件差异引起的辐射误差，如太阳高度角的不同引起的辐射畸变校正、地面倾斜、起伏引起的辐射畸变校正等；（3）大气散射和吸收引起的辐射误差改正。 辐射校正的目的主要包括：1、尽可能消除因传感器自身条件、薄雾等大气条件、太阳位置和角度条件及某些不可避免的噪声等引起的传感器的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量之间的差异；2、尽可能恢复图像的本来面目，为遥感图像的识别、分类、解译等后续工作奠定基础。 辐射校正分为辐射定标和大气校正两部分。 辐射定标是用户需要计算地物的光谱反射率或光谱辐射亮度时，或者需要对不同时间、不同传感器获取的图像进行比较时，都必须将图像的亮度灰度值转换为绝对的辐射亮度，这个过程就是辐射定标。
大气校正是指传感器最终测得的地面目标的总辐射亮度并不是地表真实反射率的反映，其中包含了由大气吸收，尤其是散射作用造成的辐射量误差。大气校正就是消除这些由大气影响所造成的辐射误差，反演地物真实的表面反射率的过程。 辐射校正流程图 1.4.3.2影像辐射校正方法 辐射定标主要分为两种类型：统计型和物理型。统计型是基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，优点在于容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据，例如经验线性定标法，内部平场域法等，另一方面，物理模型遵循遥感系统的物理规律，它们也可以建立因果关系。如果初始的模型不好，通过加入新的知识和信息就可以知道应该在哪部分改进模型。但是建立和学习这些物理模型的过程漫长而曲折。模型是对现实的抽象；所以一个逼真的模型可能非常复杂，包含大量的变量。例如6s模型，Mortran等。 用于大气辐射传输校正的模型主要有5S模型、6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ACORN模型、FLAASH模型和ATCOR模型。 1、ACORN模型 一种基于图像自身的大气校正软件，可以实现图像辐射值到表观地表反射率的转换，其工作波长范围是350-2500nm。在目前的大气校正程序一般都把地表假定为水平朗伯体,这主要是因为我们一般很难获取地表的充足信息以完成地形校正,因此大气校正的结果称为拉伸的地表反射率,又称表观反射率,在地形信息已知的情况下,可以将表观反射率转为地表反射率。
在最初的遥感学习中，我总是分不清传感器定标、辐射定标、辐射校正、大气校正这几个概念的区别与联系。而且在不同的资料中，各个名词的解释又不一样。例如： 定标是将传感器所得的测量值变换为绝对亮度或变换为与地表反射率、表面温度等物理量有关的相对值的处理过程（赵英时等《遥感应用分析原理与方法》） 遥感器定标就是建立遥感器每个探测器输出值与该探测器对应的实际地物辐射亮度之间的定量关系；建立遥感传感器的数字量化输出值DN与其所对应的视场中辐射亮度值之间的定量关系（陈述彭）。辐射定标是将传感器记录的电压或数字值转换成绝对辐射亮度的过程（梁顺林《定量遥感》，2009） 其实，简单来说，辐射定标就是将记录的原始DN值转换为大气外层表面反射率，目的是消除传感器本身产生的误差，有多种方法：实验室定标、星上定标、场地定标。公式1就是将初始的DN值转换为辐射亮度，其中Lb是值辐射亮度值，单位是：W/cm2.μm.sr（瓦特/平方厘米.微米.球面度），Gain和Bias是增益和偏移，单位和辐射亮度值相同，可以看出，辐射亮度和DN值是线性关系。公式二是将辐射亮度值转换为大气表观反射率，式中：Lλ为辐射亮度值，d为天文单位的日地距离，ESU Nλ为太阳表观辐射率均值，θs是以度为单位的太阳高度角。不过总的来说，这部分的工作基本上不需要用户自己做，相关的系数都包含在数据的头文件或者元数据中了。例如用Env i打开Modis数据，就是反射率（大气外层表观反射率），辐射亮度
以及发射率三个数据类型（见dsbin：传感器定标http://bbs.esri https://www.doczj.com/doc/487321750.html,/ESRI/viewthread.php?tid=56191）。 大气校正就是将辐射亮度或者表观反射率转换为地表实际反射率，目的是消除大气散射、吸收、反射引起的误差。主要分为两种类型：统计型和物理型。 统计型是基于陆地表面变量和遥感数据的相关关系，优点在于容易建立并且可以有效地概括从局部区域获取的数据，例如经验线性定标法，内部平场域法等，详细请参照玉妮小居新浪博客：辐射校正的统计模型https://www.doczj.com/doc/487321750.html,/s/blog_5f4afe870100da1w. html。 另一方面，物理模型遵循遥感系统的物理规律，它们也可以建立因果关系。如果初始的模型不好，通过加入新的知识和信息就可以知道应该在哪部分改进模型。但是建立和学习这些物理模型的过程漫长而曲折。模型是对现实的抽象；所以一个逼真的模型可能非常复杂，包含大量的变量。例如6s模型，Mortran等。 而辐射校正指在光学遥感数据获取过程中，产生的一切与辐射有关的
毕业论文 题目：基于6S模型的TM遥感影像大气校正 研究--以张掖地区为例 学院：地理与环境科学学院 专业：地理信息系统 毕业年限：2011年 学生姓名：秦麟 学号：200775000126 指导教师：李净
基于6S模型的TM遥感影像大气校正研究--以张掖地区为例 秦麟 摘要：受大气吸收与散射的影响，电磁波在大气--目标物--遥感器途径传输过程中发生失真，造成目标地物反射辐射能量到达遥感器时被衰减。给计算地表反照率、反射率和地表温度等关键参数带来较大的误差。本文以张掖地区Landsat TM热红外波的遥感图像数据为例，通过利用6S大气辐射传输模型进行大气校正，并在窄波段反照率与宽波段反照率之间存在线性关系的前提下，反演该地区的地表反照率。 关键词：6S模型；大气校正；地表反照率 6S Model Based Atmospheric Correction of Remote Sensing Image in zhangye QIN Lin Abstract : Due to the distortions and noises caused by the presence of the atmosphere on the Sun-target-Sensor path, the space-based and airborne remote sensing information in the solar spectral range do not directly characterize the surface objects. It becomes serious impediments for the quantitative analysis and measurement of resources and environment. This paper discussed the atmospheric correction with 6S model (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum), reversing surface albedos under the linear relationship between narrow band albedos and broadband albedos in the remote sensing image in zhangye city. Key words: 6S model; atmospheric correction; surface albedo.
基于辐射传输方程的Landsat数据地表温度反演教程 一、数据准备 Landsa 8遥感影像数据一景，本教程以重庆市2015年7月26日的=行列号为（128，049）影像（LC81280402016208LGN00）为例。 同时需提前查询影像的基本信息（详见下表） 标识日期采集时间中心经度中心纬度LC81280402016208LGN00 2016/7/26 3:26:56 106.11288 30.30647 …………………………注：基本信息在影像头文件中均可查询到，采集时间为格林尼治时间。 二、地表温度反演的总体流程 三、具体步骤 1、辐射定标 地表温度反演主要包括两部分，一是对热红外数据，二是多光谱数据进行辐射定标。
（1）热红外数据辐射定标 选择Radiometric Correction/Radiometric Calibration。在File Selection对话框 中，选择数据LC81230322013132LGN02_MTL_Thermal，单击Spectral Subset 选择Thermal Infrared1（10.9），打开Radiometric Calibration面板。 Scale factor 不能改变，否则后续 计算会报错。保持默认1即可。 （2）多光谱数据辐射定标 选择要校正的多光谱数据“LC81230322013132LGN02_MTL_MultiSpectral” 进行辐射定标。 因为后续需要对多光谱数据进行大气校正，可直接单击Apply Flaash Settings， 如下图。
注意与热红外数据辐射定标是的差 别，设置后Scale factor值为0.1。 2、大气校正 本教程选择Flaash 校正法。FLAASH Atmospheric Correction，双击此工具，打开辐射定标的数据，进行相关的参数设置进行大气校正。 注意：如果在多光谱数据辐射定标时Scale factor值忘记设置，可在本步骤中打开辐射定标数时设置single scale faceor 值为0.1，若已设置，则默认值为1即可。 1)Input Radiance Image：打开辐射定标结果数据； 2)设置输出反射率的路径，由于定标时候； 3)设置输出FLAASH校正文件的路径，最优状态：路径所在磁盘空间足够大； 4)中心点经纬度Scene Center Location：自动获取；
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，一台仪器的光谱波段范围可以做的很宽，比如可见光一直到热红外波段。其不足之处是：由于采用光机扫描，每个像元的凝视时间相对就很短，要进一步提高光谱和空间分辨率以及信噪比比较困难。 （2）推扫型成像光谱仪。是采用一个垂直于运动方向的面阵探测器，在飞行平台向前运动中完成二维空间扫描，它的空间扫描方向是遥感平台运动方向。其优点是：像元的凝视
高光谱数据处理基本流 程 The document was finally revised on 2021
高光谱分辨率遥感 用很窄（10-2l）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，每个像元均可提取一条连续的光谱曲线，因此高光谱遥感又通常被称为成像光谱（Imaging Spectrometry）遥感。 高光谱遥感具有不同于传统遥感的新特点： （1）波段多——可以为每个像元提供几十、数百甚至上千个波段； （2）光谱范围窄——波段范围一般小于10nm； （3）波段连续——有些传感器可以在350~2500nm的太阳光谱范围内提供几乎连续的地物光谱； （4）数据量大——随着波段数的增加，数据量成指数增加； （5）信息冗余增加——由于相邻波段高度相关，冗余信息也相对增加。 优点： （1）有利于利用光谱特征分析来研究地物； （2）有利于采用各种光谱匹配模型； （3）有利于地物的精细分类与识别。 ENVI高光谱数据处理流程： 一、图像预处理 高光谱图像的预处理主要是辐射校正，辐射校正包括传感器定标和大气纠正。辐射校正一般由数据提供商完成。 二、显示图像波谱 打开高光谱数据，显示真彩色图像，绘制波谱曲线，选择需要的光谱波段进行输出。 三、波谱库 1、标准波谱库 软件自带多种标准波谱库，单击波谱名称可以显示波谱信息。 2、自定义波谱库
ENVI提供自定义波谱库功能，允许基于不同的波谱来源创建波谱库，波谱来源包括收集任意点波谱、ASCII文件、由ASD波谱仪获取的波谱文件、感兴趣区均值、波谱破面和曲线等等。 3、波谱库交互浏览 波谱库浏览器提供很多的交互功能，包括设置波谱曲线的显示样式、添加注记、优化显示曲线等 四、端元波谱提取 端元的物理意义是指图像中具有相对固定光谱的特征地物类型，它实际上代表图像中没有发生混合的“纯点”。 端元波谱的确定有两种方式： （1）使用光谱仪在地面或实验室测量到的“参考端元”，一般从标准波谱库选择； （2）在遥感图像上得到的“图像端元”。 端元波谱获取的基本流程： （1）MNF变换 重要作用为：用于判定图像内在的维数；分离数据中的噪声；减少计算量；弥补了主成分分析在高光谱数据处理中的不足。 （2）计算纯净像元指数PPI PPI生成的结果是一副灰度的影像，DN值越大表明像元越纯。 作用及原理：
遥感技术与系统概论 结课作业 高光谱遥感技术及发展
高光谱遥感技术及发展 摘要：经过几十年的发展，无论在遥感平台、遥感传感器、还是遥感信息处理、遥感应用等方面，都获得了飞速的 发展，目前遥感正进入一个以高光谱遥感技术、微波遥感技 术为主的时代。本文系统地阐述了高光谱遥感技术在分析技 术及应用方面的发展概况，并简要介绍了高光谱遥感技术主 要航空/卫星数据的参数及特点。 关键词：高光谱，遥感，现状，进展，应用 一、高光谱遥感的概念及特点 遥感是20 世纪60 年代发展起来的对地观测综合性技术，是指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术[1]。所谓高光谱遥感，即高光谱分辨率遥感，指利用很多很窄的电磁波波段（通常<10nm）从感兴趣的物体获取有关数据；与之相对的则是传统的宽光谱遥感，通 常>100nm，且波段并不连续。高光谱图像是由成像光谱仪获取的，成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息，产生一条完整而连续的光谱曲线。它使本来在宽波段遥感中不可
探测的物质，在高光谱中能被探测。 同其它传统遥感相比，高光谱遥感具有以下特点： ⑴波段多。成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。 ⑵光谱分辨率高。成像谱仪采样的间隔小，一般为10nm 左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。 ⑶数据量大。随着波段数的增加，数据量呈指数增加[2]。 ⑷信息冗余增加。由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。 ⑸可提供空间域信息和光谱域信息，即“图谱合一”，并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。近二十年来，高光谱遥感技术迅速发展，它集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体，已成为当前遥感领域的前沿技术。 二、发展过程 自80 年代以来，美国已经研制了三代高光谱成像光谱仪。1983 年，第一幅由航空成像光谱仪
北京揽宇方圆信息技术有限公司热线：4006019091 遥感影像数据预处理 影像融合不同传感器的数据具有不同的时间、空间和光谱分辨率以及不同的极 化方式。单一传感器获取的影像信息量有限，往往难以满足应用需要， 通过影像融合可以从不同的遥感影像中获得更多的有用信息，补充单一 传感器的不足。全色图影像一般具有较高空间分辨率，多光谱影像光谱 信息较丰富。为提高多光谱影像的空间分辨率，可以将全色影像融合进 多光谱图像，通过融合既提高多光谱影像空间分辨率，又保留其多光谱 特性。对卫星数据的全色及多光谱波段进行融合。包括选取最佳波段， 从多种分辨率融合方法中选取最佳方法进行全色波段和多光谱波段融 合，使得图像既有高的空间分辨率和纹理特性，又有丰富的光谱信息， 从而达到影像地图信息丰富、视觉效果好、质量高的目的。 影像匀色相邻的遥感图像，由于成像日期、季节、天气、环境等因素可能有差异， 不仅存在几何畸变问题，而且还存在辐射水平差异导致同名地物在相 邻图像上的色彩亮度值不一致。如不进行色调调整就把这种图像镶嵌起 来，即使几何配准的精度很高，重叠区复合得很好，但镶嵌后两边的影 像色调差异明显，接缝线十分突出，既不美观，也影响对地物影像与专 业信息的分析与识别，降低应用效果。要求镶嵌完的数据色调基本无差 异，美观。遥感影像匀色后保证影像整体色彩一致性。 影像镶嵌将不同的图像文件合在一起形成一幅完整的包含感兴趣区域的图像，通 过镶嵌处理，可以获得更大范围的地面图像。参与镶嵌的图像可以是不 同时间同一传感器获取的，也可以是不同时间不同传感器获取的图像， 但同时要求镶嵌的图像之间要有一定的重叠度。 影像去云雾影像数据常常有云雾覆盖，针对有云雾覆盖的影像，可以通过后期技术 处理去除薄云雾，达到影像最佳效果。 影像纠正依据控制点，利用相应软件模块对数据进行几何精校正，这一步骤包括 利用地面控制点（GCPs）找出实际地形，计算配准中控制点的误差，利 用DEM消除地形起伏引起的位移，然后对图像进行重采样等。形成符合 某种地图投影或图形表达要求的新影像。 即插即用无使用门槛，可与各类GIS软件系统无缝衔接 第 1 页
大气校正说明文档 步骤一：辐射定标 本实验采用的是绝对辐射定标，直接建立遥感影像DN 值与接收到的能量的 之间的关系。 建立关系所采用的公式是：offset DN gain L += * 其中，λ λ λ λ λ λ min max min max min max DN DN L L e fullDNrang L L gain --= -= ， λ min L offset = Lmax λ和Lmin λ通过参看遥感影像的头文件进行确定。fullDNrange 取的是 255。 具体操作如下： 1） 打开遥感影像文件及其头文件 2） 根据头文件信息计算gain 和offset 的值 3） 在envi 的Basic Tools 中打开 Band Math 像，将本步骤采用的公式 写入band math 中，计算出L 。
至此，就完成了遥感影像的辐射定标过程。 步骤二：未进行大气校正所得到的反射率 本步骤讲述如何从经过辐射定标的遥感影像直接生成地物的反射率的影像，制作该影像的目的是为了与后面经过大气校正后的影像进行对比。 本步骤所采用的公式是：))cos(*/(**2 θπρESUN d L = 其中，L 是由上步所算出来的，d 指的是实际的日地距离，单位是天文距离，ESUN 指的是太阳平均辐射强度，θ为太阳天顶角。 d 值可以由观测时间查阅相关资料获得。ESUN 值也可以由相关资料获取。 θ可以从头文件中获得。 具体操作如下： 1） 查阅相关资料，确定参数θ、d 、ESUN
2）在envi的Basic Tools中打开Band Math像，将本步骤采 用的公式写入band math中 3）确定变量b2为上步所算的L，并由此计算出未进行大气校正的反射率。 由此，我们就得到了未经大气校正的反射率。 步骤三：进行大气校正，得到地物反射率 由于大气的影响，会使得遥感影像的反射率发生较大的变化，为了得到地表
高光谱分辨率遥感 用很窄（10-2l）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，每个像元均可提取一条连续的光谱曲线，因此高光谱遥感又通常被称为成像光谱（ImagingSpectrometry）遥感。 高光谱遥感具有不同于传统遥感的新特点： （1）波段多——可以为每个像元提供几十、数百甚至上千个波段； （2）光谱范围窄——波段范围一般小于10nm； （3）波段连续——有些传感器可以在350~2500nm的太阳光谱范围内提供几乎连续的地物光谱； （4）数据量大——随着波段数的增加，数据量成指数增加； （5）信息冗余增加——由于相邻波段高度相关，冗余信息也相对增加。 优点： （1）有利于利用光谱特征分析来研究地物； （2）有利于采用各种光谱匹配模型； （3）有利于地物的精细分类与识别。 ENVI高光谱数据处理流程： 一、图像预处理 高光谱图像的预处理主要是辐射校正，辐射校正包括传感器定标和大气纠正。辐射校正一般由数据提供商完成。 二、显示图像波谱 打开高光谱数据，显示真彩色图像，绘制波谱曲线，选择需要的光谱波段进行输出。 三、波谱库 1、标准波谱库 软件自带多种标准波谱库，单击波谱名称可以显示波谱信息。 2、自定义波谱库 ENVI提供自定义波谱库功能，允许基于不同的波谱来源创建波谱库，波谱
来源包括收集任意点波谱、ASCII文件、由ASD波谱仪获取的波谱文件、感兴趣区均值、波谱破面和曲线等等。 3、波谱库交互浏览 波谱库浏览器提供很多的交互功能，包括设置波谱曲线的显示样式、添加注记、优化显示曲线等 四、端元波谱提取 端元的物理意义是指图像中具有相对固定光谱的特征地物类型，它实际上代表图像中没有发生混合的“纯点”。 端元波谱的确定有两种方式： （1）使用光谱仪在地面或实验室测量到的“参考端元”，一般从标准波谱库选择； （2）在遥感图像上得到的“图像端元”。 端元波谱获取的基本流程： （1）MNF变换 重要作用为：用于判定图像内在的维数；分离数据中的噪声；减少计算量；弥补了主成分分析在高光谱数据处理中的不足。 （2）计算纯净像元指数PPI PPI生成的结果是一副灰度的影像，DN值越大表明像元越纯。 作用及原理： 纯净像元指数法对图像中的像素点进行反复迭代，可以在多光谱或者高光谱影像中寻找最“纯”的像元。（通常基于MNF变换结果来进行）
大气校正（ENVI） 大气校正是定量遥感中重要的组成部分。本专题包括以下容： 大气校正概述 ENVI中的大气校正功能 1大气校正概述 大气校正的目的是消除大气和光照等因素对地物反射的影响，广义上讲获得地物反射率、辐射率或者地表温度等真实物理模型参数；狭义上是获取地物真实反射率数据。用来消除大气中水蒸气、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧等物质对地物反射的影响，消除大气分子和气溶胶散射的影响。大多数情况下，大气校正同时也是反演地物真实反射率的过程。
图1 大气层对成像的影响示意图 很多人会有疑问，什么情况下需要做大气校正，我们购买或者其他 途径获取的影像是否做过大气校正。 通俗来讲，如果我们需要定量反演或者获取地球信息、精确识别地物等，需要使用影像上真实反映对太的辐射情况，那么就需要做大气校正。我们购买的影像，说明文档中会注明是经过辐射校正的，其实这个辐射校
正指的是粗的辐射校正，只是做了系统大气校正，就跟系统几何校正的 意义是一样的。 目前，遥感图像的大气校正方法很多。这些校正方法按照校正后的 结果可以分为2种： 绝对大气校正方法：将遥感图像的DN(Digital Number)值转换为地表反射率、地表辐射率、地表温度等的方法。 相对大气校正方法：校正后得到的图像，相同的DN值表示相同的地物反射率，其结果不考虑地物的实际反射率。 常见的绝对大气校正方法有： 基于辐射传输模型 MORTRAN模型 LOWTRAN模型 ATCOR模型 6S模型等 基于简化辐射传输模型的黑暗像元法 基于统计学模型的反射率反演； 相对大气校正常见的是： 基于统计的不变目标法 直方图匹配法等。 既然有怎么多的方法，那么又存在方法选择问题。这里有一个总结供 参考： 1、如果是精细定量研究，那么选择基于基于辐射传输模型的大
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
高光谱遥感及其发展与应用综述 摘要：高光谱遥感是20世纪80年代兴起的新型对地观测技术。文中归纳了高光谱遥感技术波段多、波段宽度窄，光谱分辨率高，数据量大、信息冗余，“图谱合一”等特点，具有近似连续的地物光谱信息、地表覆盖的识别能力极大提高、地形要素分类识别方法灵活多样、地形要素的定量或半定量分类识别成为可能等优势，简单介绍了高光谱遥感在国外及国内的发展情况。在此基础上，概述了高光谱遥感在地质矿产、植被生态、大气科学、海洋、农业等领域的应用。 关键词：高光谱遥感；发展；应用 1高光谱遥感 高光谱分辨率遥感是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据。它的基础是测谱学。测谱学早在20世纪初就被用于识别分子和原子及其结构，20世纪80年代才开始建立成像光谱学。它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。成像光谱仪为每个象元提供数十至数百个窄波段光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。 1.1高光谱遥感的特点 （1）波段多，波段宽度窄。成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。与传统的遥感相比，高光谱分辨率的成像光谱仪为每一个成像象元提供很窄的(一般<10nm) 成像波段，波段数与多光谱遥感相比大大增多，在可见光和近红外波段可达几十到几百个，且在某个光谱区间是连续分布的，这不只是简单的数量的增加，而是有关地物光谱空间信息量的增加。 （2）光谱响应范围广，光谱分辨率高。成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延伸到近红外，甚至到中红外。成像光谱仪采样的间隔小，光谱分辨率达到纳米级，一般为10nm左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。 （3）可提供空间域信息和光谱域信息，即“谱像合一”，并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。在成像高光谱遥感中，以波长为横轴，灰度值为纵轴建立坐标系，可以使高光谱图像中的每一个像元在各通道的灰度值都能产生1 条完整、连续的光谱曲线，即所谓的“谱像合一”。（4）数据量大，信息冗余多。高光谱数据的波段众多，其数据量巨大，而且由于相邻波段的相关性高，信息冗余度增加。 （5）数据描述模型多，分析更加灵活。高光谱影像通常有三种描述模型：图像模型、光谱模型与特征模型。 1.2高光谱的优势 高光谱遥感的光谱分辨率的提高，使地物目标的属性信息探测能力有所增强。因此，较之全色和多光谱遥感，高光谱遥感有以下显著优势: (1)蕴含着近似连续的地物光谱信息。高光谱影像经过光谱反射率重建，能获取