高光谱遥感的城市用地信息提取

高光谱遥感的城市用地信息提取高光谱分辨率遥感在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数据的技术。其成像光谱仪可以收集到上百个非常窄的光谱波段信息。高光谱遥感是当前遥感技术的前沿领域，它利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获得有关数据，它包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感的出现是遥感界的一场革命，它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱遥感中能被探测。国际遥感界的共识是光谱分辨率在λ/10数量级范围的称为多光谱(Multispectral)，这样的遥感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段，如美国LandsatMSS，TM，法国的SPOT等；而光谱分辨率在λ/100的遥感信息称之为高光谱遥感(HyPerspectral)；随着遥感光谱分辨率的进一步提高，在达到λ/1000时，遥感即进入超高光谱(ultraspectral)阶段。概述以成像光谱技术为依托,高光谱遥感利用地物的分子光谱吸收和微粒散射特性在探测和识别地表和大气的物质种类、评价和测量光谱所反映出的物质含量、确定一个光谱混合的空间单元内各组分的面积比、描绘各类地物的空间分布、通过周期性的数据监测各类地物的变化等应用领域发挥了越来越大的作用。采用成像光谱数据对城市地物从光谱特征上进行精细分类识别,这一点是非常有意义的。光谱分辨率是指遥感器各波段光谱带宽,表示传感器对地物光谱的探测能力,它包括遥感器总的探测波谱的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。若遥感器所探测的波段愈多,每个波段的波长范围愈小,波段间的间隔愈小,则它的光谱分辨率愈高。高光谱分辨率成像光谱遥感,利用地表物质与电磁波的相互作用及其所形成的光谱福射、反射、透射、吸收及发射等特征研究地表物体(包括大气),将地物性质的光谱与其空间和几何关系的图像结合在一起,并获取包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。概述光谱分辨率高传统多光谱遥感图像光谱分辨率一般大于100nm,且仅有几个波段,而高光谱遥感光谱分辨率达到纳米级,一般10-20nm。研究表明,地表物质在0.4-2.5um光谱区间内均有可以作为识别标志的光谱吸收带,其带宽约20-40nm,成像光谱仪的高分辨率可以捕捉到这一信息。图谱合一高光谱遥感获取的地表图像包含丰富的空间、福射和光谱三重信息。这些信息表现了地物空间分布的影响特征,同时也可能以其中某一像元或像元组为目标获得它们的福射强度以及光谱特征。光谱波段多在某一光谱段范围内连续成像。成像光谱仪能够获得地物在一定范围内连续的精细的光谱曲线,它真实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。这些光谱知识通过不同的表现和组合方式可以转化为不同的特征,可以为目标探测和识别提供更广泛的特征分析空间。优势不同的物质都有它自己特有的谱分布,成像光谱仪对目标进行光谱探测,就是以物质对电磁波的反射和福射特性作为依据,根据搭载平台的不同,分为机载成像光谱仪和星载光谱仪系统两种。AVIRIS是美国JPL发的著名机载系统,在高光谱遥感应用技术研究方面起到了开创性的重要作用,经过多年不断改进,在信噪比方面性能优良。Hymap为澳大利亚IntegratedSpectronics公司开发的机载扫描型成像光谱仪,是商业化光机扫描型高光谱成像仪的代表设备。AHI是长波红外成像光谱仪,在7-12.5μm波段进行高空间分辨率、高信噪比的光谱成像,最初的设计目标是用于地下矿藏探测应用的研究。OMIS是我国自主研发的光机扫描型机载成像光谱仪,由中科院上海技术物理研究所研制,已经成功运行多年,是国际上具有代表性的系统之一。在生态环境调查,海洋水环境遥感等许多领域得到了广泛的应用。高光谱成像仪的发展Hymap影像随着成像光谱技术的研究与发展,机载系统已经从研究走上了实用化和商业化的道路,星载系统也已经成功应用于对地遥感观测研究。Hyperion搭载于E0-1卫星成功发射,主要验证了在轨高光谱技术,评估了星载高光谱成像仪的对地观测感测能力,是第一台成功运行的星载高光谱成像仪。火星探测器高光谱成像仪CRISM是第一台用成像光谱技术观测火星的设备,采用推帚式成像方式,探测火星表面矿物分布。月球矿物制图仪M3具有高空间和高光谱分辨率、高信噪比的特点,其光谱范围扩展到2.5-3μm的波段,以探测少量OH和H2O成分的存在。我国也已成功发射了星载成像光谱系统。这些星载成像光谱系统的光谱范围从可近红外、短波红外至热红外波段,波段数从几十个到几百个,光谱分光方式有棱镜、光栅和傅里叶变换方式,成像方式有线阵探测器光机扫描方式和面阵探测器推帚方式。高光谱成像仪的发展原理分析高光谱遥感与传统多光谱遥感相比,同时包含有地球表面的图像和地物的光谱维信息,是一种综合性的遥感技术,具有谱段连续和图谱合一的特征。在一定的波长范围内,比如可见光到近红外波段或者可见光到短波红外波段,这些相邻波段存在光谱重叠,导致可以连续光谱成像,那么连续的光谱曲线就可以从高光谱立方体的图像像元中被提取出来,如下图所示这就是光谱的“指纹效应”。根据高光谱成像光谱仪得到的图像,利用所记录观测到的各种地物精细光谱信息,可以对地物的细节信息进行反演。高光谱遥感技术图谱合一的性质为遥感应用从定性分析转变到定量分析奠定了技术基础。高光谱遥感数据由于光谱非常精细,地物类型非常多,例如仅仅小麦,不同品种、不同生长阶段、不同营养状况、甚至不同地域生长,其光谱都会存在微小差异,这些差异不仅可以消除分类的时域和空域特征,还可以用来进行更精细的定量化分析,这需要数据库的支持。运用数据库技术可以提高遥感信息的管理与分析能力,提高数据信息提取的水平,同时为地物的识别和匹配应用提供基础。没有数据库的支持,只能进行小区域的人工辅助的分类和应用,无法成为一种可以普遍或者大范围应用的技术,因此光谱库是高光谱遥感应用的基础数据库。光谱库中包含由光谱仪在野外或者实验室测得的各类地物反射光谱数据的集合。不同的地物具有不同的光谱特征,这已成为利用高光谱遥感数据识别地物和提取地表信息的主要思想和手段。由于高光谱遥感数据巨大的数据量和城市地物光谱的复杂性,建立城市地物光谱库是非常必要的。光谱库能够为城市地物分类提供城市地物的参考光谱,可以应用到对像元的分类;光谱库在准确地解译遥感图像信息、提高遥感城市分类识别水平和精度、快速地实现城市地物的匹配都起着至关重要的作用。光谱数据库国外不同光谱库地物类型光谱库名称地物类型JPL160种不同粒度的常见矿物USGS423种矿物、17种植物和一些混合物IGCP-264专门研究遥感地物反射光谱特性ASTER矿物、岩石等8类JHU火成岩、变形岩、沉积岩、雪等目前国际上有代表性地物波谱库有美国喷气推进实验室JPL反射光谱数据库、美国地质调查局USGS地物反射光谱数据库、美国约翰霍普金斯大学JHU地物反射光谱数据库、ASTER地物反射光谱数据库和IGCP-264数字化地物反射光谱数据库。具体的国外不同光谱库包括的地物类型和种类如表所示。自从20世纪70年代始,我国的遥感研究学者们也陆续建立起了10多个反射光谱数据库。从1978年腾冲遥感试验,我国正式始了地物反射光谱测量研究；20世纪80年代,中科院空间科技中心在宁芜地区获得各种光谱曲线1000多条；中科院遥感所测量了277种中国典型地物的反射光谱；中科院空间技术中心编写了“中国地球资源光谱信息资料汇编”，其中包含岩石、水体、农作物等1000条地物的光谱曲线;2005年,北京师范大学建立了包含植被、岩矿、水体三种地物的中国典型地物反射光谱数据库,同时结合了光谱库、图像库、知识库和模型库。城市典型地物类别与具体分类地物类型具体代表与分类水体河流、湿地、清洁水体、污染水体植被公路绿化带、公园和小区的各种植被、树木、草地裸土城市中未开发的土地、土路人工表面沥青路、水泥路、大理石路面、红色塑胶跑道、水泥混凝土屋顶、红色屋顶、蓝色屋顶、橡胶表面其他裸露的红砖、建筑垃圾和岩石原料光谱数据库自然界中的地球表面的物体根据其构成物质的不同,在紫外线、可见光、红外线等不同波段呈现不同的电磁福射特性，具有不同的光谱特性。城市具有多种多样的地物类型,同时包含有人工环境和自然环境的地物,具有鲜明的人类改造自然的人工特征。不同的城市地物具有不同的物理和化学特性,如不同材质的建筑物,不同材料的路面以及各种水体和植物等,所以城市不同地物具有不同的光谱特征信息,利用这些光谱特征的区别,可以进行城市地物的分类。城市地物光谱的多样性与复杂性远远超过单纯的自然环境,因此研究不同的城市地物的光谱特征是非常必要的。城市中典型的地物类型有水体、植被、建筑物、道路、裸土等,其中人工表面的地物根据材料的不同分为沥青路、大理石路、沥青屋顶、混凝土屋顶等。城市典型地物光谱特征水体光谱特征城市中的水体情况较复杂,有湖泊水,环城河水,湿地净化水,生活生产污水,人工景观水等。水本身的光学性质和水体的状态共同决定水体的光谱特征,不同浑池程度的水的光谱特征也会有较大的差别。植被光谱特征城市中的植被包括各种树木、道路两旁的绿化带、公园里的草地、科教单位和居民区的绿化植被等。正常绿色植被无论是阔叶林、针叶林、灌木还是草地,都具有相似的光谱曲线和波谱特征。沥青路面光谱曲线水泥路面光谱曲线路面光谱特征白色大理石路面光谱曲线土路路面光谱曲线城市道路根据铺面所用的材料的不同可以分为浙青路、水泥路、柏油路等。在城市的公园、步行街、广场等市民活跃的地方会有大理石路面,在学校里会有塑胶跑道。这些路面的光谱曲线在形状上很类似。城市建筑物光谱特征水泥混凝土光谱特征建筑沥青光谱特征白色橡胶涂层光谱特征蓝色涂料屋顶光谱特征裸露的红砖光谱曲线对于城市建筑物而言,在高光谱遥感数据中采集的只是屋顶的光谱信息。由于不同的建筑物的屋顶的建设材料不同,会导致建筑物的光谱曲线不同,从而将不同的建筑物区分出来。城市中的建筑物屋顶的材料包括有:水泥、沥青、石棉瓦、各种颜色的涂料和铁皮等。城市建筑物光谱特征阴影在城市遥感中由于云层、建筑物和高大的植被会对太阳光有一定的遮挡而产生阴影,造成遥感图像中城市地物的难以辨认。阴影覆盖下的城市地物并不能表现出自身的光谱特性,与原来的光谱差异性较大,对城市地物分类的精度造成很大影响。阴影的光谱曲线和水体的很类似,对分类精度造成了一定的影响。展望高光谱遥感已经成为遥感技术发展和应用领域的热点之一，在地质矿产探测、植被分析和军事目标探测方面得到了广泛的应用，取得了巨大的社会经济效应。在城市方面的研究和应用，在发达国家如美国日本等做了大量的研究，在我国研究实例并不多。随着我国城市进一步发展，越来越多的人居住在城市，对城市环境也越来越重视。而传统的单一地遥感手段和处理方法已经不能满足实际的需求了。因此，利用高光谱遥感开展城市研究有巨大的理论和应用前景，但在高光谱遥感的发展中，还存在很多不断丰富和完善的地方，如建立城市典型地物标准光谱库、解决混合像元问题、阴影的影像等等。谢谢！