北大-高光谱遥感监测20150714

高光谱遥感地物识别田庆久（025-89687317;[e-mail]）南京大学国际地球系统科学研究所2015年7月14日---定量遥感精品课程---引言基本概念优势与局限遥感器发展遥感成像方式处理与分析技术识别与应用展望目录电磁波与地物相互作用电磁波与地物表面及大气的相互作用与其频率密切相关。任何物质都会反射、吸收、透射和辐射电磁波，不同性质、结构的物质会产生不同频率的电磁波。电磁波产生的方式多种多样，包括电磁振荡，晶格或分子的热运动，晶体分子或原子的电子能级跃迁，分子、原子核振动与转动能级、内层电子能级、原子核内能级电子跃迁。从辐射源（如太阳）入射到物体上的辐射可分成吸收、透射和反射三个分量。根据能量守恒定律，++=1，其中、、分别是吸收、透射和反射比。一、引言400800120016002000240001020304050607080Reflectance(%)Wavelength(nm)VegetationSoilRockWater典型地物反射光谱特征水汽红外透过率光谱液态水红外透过率光谱以水体波谱特征为例：水分子有3种基谐振动模式，它们都位于中红外，并随水状态（固、液、气）而变化，可见光和反射红外区只出现水的倍频和合频谱带。矿物岩石中只要有水，就会在1.45μm和1.9μm处出现两个特征谱带，二者同时出现是含水的鉴定证据，若只有1.45μm谱带，则存在羟基，而不是水分子。图气态H2O的3个基频振动模式图液态H2O的3个基频振动模式液态水分子由3个原子组成，它有3个简正频率ν1，ν2和ν3，对应3个波长：λ1＝3．106μm——对称的O-H基伸缩运动；λ2＝6.08μm——H-O-H键的弯折运动；λ3＝2．903μm——非对称的O-H伸缩运动，它们部是基频模式。倍频：2ν1，2ν2、和2ν3，相应波长则为λ1/2，λ2／2和λ3／2。合频：ν＝ν3十ν2，其波长为：1/λ=1/λ2+1/λ3，→λ=1.87μm或者v’＝2v1十ν3，λ’＝0．962μm。H20的基频、倍频与合频气态液态固态υ12.743.1063.17υ26.476.086.36υ32.662.9032.96υ2+υ31.8751.932.022υ31.381.451.52υ1+υ2+υ31.141.211.253υ30.910.981.02表H2O的可见光/短波红外吸收特征在土壤、矿物、岩石的光谱上，只要含水，就有两个吸收带，一个在1.45μm附近(倍频2ν3)，另一个在1．9μm附近(组合合频ν3十ν2。这两个带的有无，常用作含水分与否的诊断依据。如果这两个带很狭窄，说明水分子占据确切有序的位置；反之则说明水分子杂乱无序。谱带的确切位置和形状反映了水分子与无机物的特定关系。图以不同含水材料的光谱说明了这一效应。倍频）2ν3和合频ν3十ν2以及谱形、位置的变化均在图中清晰可见。图光谱线型及位置的变化与水分子两个谐音振动有关（倍频2ν3和合频ν3十ν2）2160-2220nm•矿物的精细光谱特征图矿化蚀变在反射光谱特性图常见矿物光谱吸收特征图由于矿物混合而引起的碳酸岩光谱特征变决定矿物光谱特征的因素除化学成分外，晶体结构是影响矿物光谱特征的另一重要因素图。矿物吸收特征的尖锐程度取决于矿物的结晶程度，结晶程度越好吸收特征越明显。无水硬石膏（黑色）解理状石膏（红色）•油气烃烃类物质在2.27-2.46μm吸收带的形状为一宽谷（近0.2μm宽）、双峰（2.31和2.348μm）的强吸收带，吸收强度大于15%。这一吸收带为甲基（-CH3）、亚甲基（CH2）和芳烃（-CH）分子基团振动的倍频与合频所致，无其它原油组分的干扰因素。不同地质时代、不同组分的原油波谱曲线，在2.27-2.46μm的吸收带都很稳定，仅存在吸收程度上的差异。重质原油比轻质原油在2.27-2.46μm吸收带要强烈得多，说明重质烃对此吸收带造成的影响要大。图烃类物质的光谱吸收特征分子基团相应的矿物特征吸收峰的位置与特点H2O红外区只能出现水的倍频和合频所形成的1.875μm，1.454μm，1.379μm，1.135μ，0.942μm吸收峰；矿物岩石中只要有水，就会出现1.4μm和1.9μm两个特征谱带，二者同时出现是含水的鉴定证据，只有1.4μm谱带，说明存在羟基，而不是水。OH-在2.778μm附近有一种氧-氢伸缩振动引起的峰；OH-1出现的位置不同，同一种振动出现几种谱带（如滑石），倍频在1.4μm产生极常见谱带；较强的合频谱带位于2.2μm和2.3μm，分别取决于羟基基团是绕铝配位还是绕镁配位；闪石族一般都含镁，最强谱带远于2.3μm；层状硅酸盐种，二八面体—OH绕铝配位在2.2μm附近有主要谱带，而三八面体—OH绕镁配位在2.3μm附近有强谱带。CO3-在近红外区有5个显著特征谱带分别在2.55μm、2.35μm、2.16μm、2.00μm、1.90μm处，前两者较强，属于双重谱带，后三者较弱，通常在谱带的短波长方向一边由肩峰，具体的谱带吸收峰位置会有稍微飘移；铜碳酸岩在0.8μm附近的宽谱带由立方八次配位Cu2+产生；菱锰矿谱带很多，分别在0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.55μm附近。氧化物和氢氧化物具有象磁铁矿表现为整个波长范围内吸收特点和诸如针铁矿和赤铜矿表现为透明-不透明光谱行为。硫化物和硫酸盐最常见谱带在1.1μm附近，表现为八面体Fe2+特征谱以及0.85μm附近的Fe3+的光谱特征。NH4+基团在短波红外区主要有2.02μm和2.12μm两个特征谱带。有机质由C-H伸缩基频引起的3.4µm吸收峰；一级倍频引起的1.7µm处吸收峰和合频引起的2.3µm处吸收峰。金属离子相应的矿物特征峰吸收峰位置与特点常见矿物Fe2+0.43μm、0.45μm、0.51μm、0.55μm、1.0-1.1μm角闪石、辉石、黑云母等Fe3+0.4μm、0.45μm、0.49μm、0.70μm、0.87μm绿泥石、阳起石、赤铁矿Mn2+0.34μm、0.37μm、0.41μm、0.45μm、0.45μm菱锰矿Cr3+0.4μm、0.55μm、0.7μm置换Al3+，如红宝石表相应金属离子的矿物特征吸收峰的位置波段范围（nm）引起吸收的有机物文献来源400-500腐殖质StonerandBaumgardner,1981,mathews,1973620-700腐殖质StonerandBaumgardner,1981,mathews,19731201油BenDoretal.,19971203油-纤维素-蜡BenDoretal.,19971358、1367纤维素、木质素、淀粉BenDoretal.,19971465、1582纤维素、木质素、淀粉、胶质BenDoretal.,19971726、1761纤维素、木质素、淀粉、蜡、腐殖酸BenDoretal.,19971769纤维素、木质素、淀粉BenDoretal.,19971932纤维素、木质素、淀粉、蜡、腐殖酸BenDoretal.,19972068纤维素、糖类、果胶BenDoretal.,19972111纤维素、糖类、蛋白质BenDoretal.,19972142、2169淀粉、木质素、蜡、丹宁酸BenDoretal.,19972193蛋白质BenDoretal.,19972309腐殖酸、蜡、淀粉BenDoretal.,19972331纤维素、木质素、葡聚糖BenDoretal.,19972337胶质、蛋白质BenDoretal.,19972347纤维素、木质素、糖类BenDoretal.,19972386胶质、蛋白质BenDoretal.,1997可见光到近红外波段土壤有机成分的吸收波段2020/6/613序号波段(微米)光谱特征成因作物化学组分10.43电子跃迁叶绿素a20.46电子跃迁叶绿素b30.64电子跃迁叶绿素b40.66电子跃迁叶绿素a50.91C-H伸展第三谐波蛋白质60.93C-H伸展第三谐波油70.97O-H弯曲第一谐波水分、淀粉80.99O-H伸展第二谐波淀粉91.02N-H伸展蛋白质101.04C-H伸展C-H变形油111.12C-H伸展第二谐波木质素121.20O-H弯曲第一谐波水分、纤维素、淀粉、木质素131.40O-H弯曲第一谐波水分141.42C-H伸展C-H变形木质素151.45C-H伸展第一谐波淀粉、糖、木质素、水分161.49O-H伸展第一谐波淀粉、糖171.51N-H伸展第一谐波蛋白质、氮181.53O-H伸展第一谐波淀粉191.54O-H伸展第一谐波淀粉、纤维素201.58O-H伸展第一谐波淀粉、糖211.69C-H伸展第一谐波木质素、淀粉、蛋白质、氮42个植物化学组分的光谱特征及成因机理序号波段(微米)光谱特征成因作物化学组分221.78C-H伸展第一谐波/O-H伸展/H-O-H变形纤维素、糖、淀粉231.82O-H伸展C伸展第二谐波纤维素241.90O-H伸展C-H伸展淀粉251.94O-H伸展C-O变形水分、木质素、蛋白质、氮261.96O-H伸展O-H弯曲糖、淀粉271.98N-H不对称蛋白质282.00O-H变形O-H弯曲淀粉292.06N=H弯曲第二谐波/N=H弯曲/N-H伸展蛋白质、氮302.08O-H伸展O-H变形糖、淀粉312.10O-H弯曲/C-O伸展/C-O-C伸展第三谐波淀粉、纤维素322.13N-H伸展蛋白质332.18N-H弯曲第二谐波/C-H伸展/C-H伸展/蛋白质、氮342.24C-H伸展蛋白质352.25O-H伸展淀粉362.27C-H伸展/O-H伸展/CH2弯曲/CH2伸展纤维素、糖、淀粉372.28C-H伸展/CH2变形淀粉、纤维素382.30N-H伸展/C=O伸展/C-H弯曲第二谐波蛋白质、氮392.31C-H弯曲第二谐波油402.32C-H伸展CH2变形淀粉412.34C-H伸展/O-H变形/C-H变形第二谐波纤维素422.35CH2弯曲第二谐波/C-H变形第二谐波纤维素、蛋白质、氮42个植物化学组分的光谱特征及成因机理许多地物在可见光至热红外波段内都具有与它们组分有关的光谱吸收特征，而且许多地物的光谱吸收特征具有专一性。矿物中的OH―、CO3=、SO4=及H2O等离子成分在可见至热红外波谱范围内具有强烈吸收特征；植被在0.7μm处的红边存在10—40nm的位移变化而指示一定的环境效应；土质中含较高浓度Cu、Zn等重金属元素可引起植被红边向短波方向移动。而这些精细的光谱特征只有传感器光谱分辨率具有高于10nm灵敏度时才能测到。遥感机理应用高光谱遥感技术对地面物体进行探测，是以各种物体的电磁辐射的反射、透射、吸收和发射特征为基础的。地球表面物体由于其电子，离子、分子以及晶体的振动和转动等物理过程而具有光谱特性。不同的地物由于其组成成分、内部结构和表面状态以及时间、空间环境的不同，它们辐射、反射、吸收和透射电磁波的性能也不同。•遥感信息产生机理太阳大气层遥感器吸收角散射天空漫射辐照地气耦合环境反射辐射路径辐射散射目标辐射目标反射透射辐射1.大气-遥感器2.太阳-大气-目标-大气-遥感器3.大气-目标-遥感器4.环境-大气-遥感器5.环境-大气-目标-大气-遥感器目标环境•遥感信息传输机理入瞳辐射扫描系统成象光学探测器电子系统A/D转换DN输出传感器系统滤波或色散元件平台姿态与运动高光谱遥感器接收到入瞳辐射后通过探测器产生电信号，在经过增益和模数转换（A/D）产生遥感影像数值（DN）。遥感器的空间响应、光谱响应和辐射响应决定了输出图像的信息特征。进入传感器的辐射量通过光学系统后，由分光器件分成不同的光谱段后到达探测器焦平面转换为测量值。该测量值的大小直接与探测器的光谱响应率相关，从而又与光学系统的透过率和探测器的光谱灵敏度相关联。dESEs)()(21bEGEss*')),,((bdxdydyxEGINTDN•遥感信息成像机理