04高光谱遥感成像原理

武汉大学龚龑《高光谱遥感》1第3节高光谱遥感成像原理武汉大学遥感信息工程学院龚龑《高光谱遥感》第二章地物光谱数据的获取与分析武汉大学龚龑《高光谱遥感》2第二章第3节高光谱遥感成像原理一、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武汉大学龚龑《高光谱遥感》31.光谱仪、成像仪、辐射计之间的关系一、高光谱遥感成像的基本概念光谱仪成像仪辐射计光谱维信息空间维信息辐射能信息光谱分辨能力二维成像能力辐射分辨能力武汉大学龚龑《高光谱遥感》4大理石在不同观测天顶角发射率的变化情况0.20.30.40.50.60.70.80.9189101112波长(um)发射率75604530150一、高光谱遥感成像的基本概念光谱仪（光谱信息）成像仪（空间信息）辐射计（辐射信息）成像光谱仪光谱辐射仪成像辐射仪武汉大学龚龑《高光谱遥感》52.光谱分辨率一、高光谱遥感成像的基本概念•光谱分辨率（SpectralResolution）指探测器在波长方向上的记录宽度，又称波段宽度（Bandwidth）。武汉大学龚龑《高光谱遥感》6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、高光谱遥感成像的基本概念2.光谱分辨率武汉大学龚龑《高光谱遥感》7一、高光谱遥感成像的基本概念•空间分辨率(SpatialResolution)成像光谱仪的空间分辨率是由仪器的角分辨力（AngularResolvingPower）,即仪器的瞬时视场角（InstantaneousFieldofView,IFOV）决定的。3.空间分辨率武汉大学龚龑《高光谱遥感》8瞬时视场角IFOV以毫弧度（mrad）为计量单位。IFOV所对应的地面大小被称为地面分辨单元（GroundResolutionCell）。IFOVHGRC一、高光谱遥感成像的基本概念pixelGRC=2.tg(IFOV/2).H武汉大学龚龑《高光谱遥感》9地面扫描幅宽__仪器的视场角（FieldofView，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（GroundSwath，GS）一、高光谱遥感成像的基本概念4.仪器的视场角武汉大学龚龑《高光谱遥感》10一、高光谱遥感成像的基本概念HGroundSwathlineGS=2.tg(FOV/2).H4.仪器的视场角武汉大学龚龑《高光谱遥感》11HGroundSwathline一、高光谱遥感成像的基本概念IFOVpixelGRC•仪器的视场角(FOV)与瞬时视场角(IFOV)的关系？武汉大学龚龑《高光谱遥感》12一、高光谱遥感成像的基本概念•瞬时视场角(IFOV)较小，可以获得较高的空间分辨率。•仪器的视场角(FOV)较大，可以获得较宽的地面扫描幅宽。因此，在仪器设计时，FOV和IFOV是必须考虑的重要参数。4.仪器的视场角武汉大学龚龑《高光谱遥感》135.调制传递函数一、高光谱遥感成像的基本概念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?武汉大学龚龑《高光谱遥感》14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。一、高光谱遥感成像的基本概念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）5.调制传递函数武汉大学龚龑《高光谱遥感》15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。一、高光谱遥感成像的基本概念（李宏升，2019）5.调制传递函数武汉大学龚龑《高光谱遥感》166.信噪比•信噪比（SignalNoiseRatio,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。一、高光谱遥感成像的基本概念•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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》177.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（dwelltime）。一、高光谱遥感成像的基本概念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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》18第二章第3节高光谱遥感成像原理一、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武汉大学龚龑《高光谱遥感》19•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。二、高光谱遥感成像关键技术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武汉大学龚龑《高光谱遥感》201.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。二、高光谱遥感成像关键技术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(chargecoupleddevice)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.武汉大学龚龑《高光谱遥感》212.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术二、高光谱遥感成像关键技术•光栅器件•色散器件•滤光片技术•精准机械动力技术狭缝、光纤空间扫描光谱技术武汉大学龚龑《高光谱遥感》223.高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术二、高光谱遥感成像关键技术•巨大的数据量引起的采集速率问题（星载情况）•大数据量的记录、存储问题（采集值-输出值）•数据的实时压缩、处理技术（FT）武汉大学龚龑《高光谱遥感》234.成像光谱仪的光谱与辐射定标技术二、高光谱遥感成像关键技术目的：建立影响相应值与辐射值之间的关系定标是定量分析和反演的基础•整机的实验室光谱定标•实验室辐射定标•机上光谱校正•机上辐射量校正光谱定标辐射定标光谱响应函数各波段对辐射量的响应能力武汉大学龚龑《高光谱遥感》24第二章第3节高光谱遥感成像原理一、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武汉大学龚龑《高光谱遥感》25三、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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》261.摆扫型成像光谱仪三、成像光谱仪的空间成像方式摆扫型(Whiskbroom)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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》27原理三、成像光谱仪的空间成像方式•45斜面的扫描镜（RotatingScanMirror）•电机(ElectricMotor)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1.摆扫型成像光谱仪武汉大学龚龑《高光谱遥感》28三、成像光谱仪的空间成像方式•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。1.摆扫型成像光谱仪原理武汉大学龚龑《高光谱遥感》29可以达到很大的视场角(FOV可达90度)三、成像光谱仪的空间成像方式像元配准好，不同波段在任何时刻都凝视同一像元。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。•视场角•像元配准•定标•波段范围1.摆扫型成像光谱仪优点武汉大学龚龑《高光谱遥感》30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。三、成像光谱仪的空间成像方式1.摆扫型成像光谱仪不足武汉大学龚龑《高光谱遥感》312.推扫型成像光谱仪•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-trackScanning）。三、成像光谱仪的空间成像方式为什么用面阵探测器？（HRV）武汉大学龚龑《高光谱遥感》32三、成像光谱仪的空间成像方式•垂直于运动方向完成空间维扫描。2.推扫型成像光谱仪原理武汉大学龚龑《高光谱遥感》33三、成像光谱仪的空间成像方式•平行于运动方向完成光谱维扫描。原理2.推扫型成像光谱仪武汉大学龚龑《高光谱遥感》34三、成像光谱仪的空间成像方式2.推扫型成像光谱仪原理(指向镜)武汉大学龚龑《高光谱遥感》35三、成像光谱仪的空间成像方式•凝视时间•空间分辨率和光谱分辨率•仪器体积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。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。由于没有光机扫描运动设备，仪器的体积较小。2.推扫型成像光谱仪优点武汉大学龚龑《高光谱遥感》36三、成像光谱仪的空间成像方式•视场角•定标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。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。2.推扫型成像光谱仪不足武汉大学龚龑《高光谱遥感》37三、成像光谱仪的空间成像方式•摆扫型与推扫型成像光谱仪实例对比OMIS（摆扫）PHI（推扫）武汉大学龚龑《高光谱遥感》38三、成像光谱仪的空间成像方式•摆扫型与推扫型成像光谱仪实例对比武汉大学龚龑《高光谱遥感》39第二章第3节高光谱遥感成像原理一、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武汉大学龚龑《高光谱遥感》40四、成像光谱仪的光谱成像方式将进入探测器的能量分解为不同波长的电磁波。•光谱成像方式要解决的问题是什么？主要的光谱成像方式：•色散型（简单）•干涉型（难点）•其它类型武汉大学龚龑《高光谱遥感》411.棱镜、光栅色散型成像光谱仪四、成像光谱仪的光谱成像方式•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。武汉大学龚龑《高光谱遥感》42四、成像光谱仪的光谱成像方式•摆扫条件下光谱色散原理二维影像空间上一个点色散为一条线一维灰度集合1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪武汉大学龚龑《高光谱遥感》43四、成像光谱仪的光谱成像方式•推扫条件下光谱色散原理二维影像空间上一条线色散为多条线二维灰度集合附图ZKYP52-21.棱镜、光栅色散型成像光谱仪武汉大学龚龑《高光谱遥感》44•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）四、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武汉大学龚龑《高光谱遥感》452.干涉成像光谱仪四、成像光谱仪的光谱成像方式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武汉大学龚龑《高光谱遥感》46a.时间调制型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四、成像光谱仪的光谱成像方式时间调制动态生成干涉