常用传感器实训报告

高光谱遥感

一、 实训目的：

1、高光谱遥感技术的最初应用就是在地质上，蚀变带是找矿的重要依据，同时，蚀变带在2.2微米处具有光谱吸收特征，其吸收光谱的半带宽在10纳米到50纳米之间。因此，具有10纳米光谱分辨率的成像光谱仪就有能力直接通过遥感发现蚀变带，以确定找矿的靶区。同时，通过对植被光谱特征的分析也是找矿的依据，由于矿物中金属离子对植被的侵蚀，会引起植被的病变，使得植被近红外高反射峰就会向短波方向移动5--20纳米，称为“红边蓝移”现象。高光谱遥感就有能力发现这种现象。

2、人类“鸟瞰”地球的梦想催生了遥感这门科学的兴起，高光谱遥感是遥感科学最前沿的领域。新中国建立后特别是最近的20多年，中国的高光谱遥感科技研究取得了长足的发展，在某些方面的应用技术实现了出口。但是，由于缺乏持续性的支持，我们在仪器研制方面还处于落后局面。人类鸟瞰地球的梦想遥感通俗讲就是遥远的感知，是通过电磁波和记录的相互作用，以波谷和空间两维成像的方式来勘测记录的技术。

3、高光谱(hyper spectral)遥感是上世纪末地球观测系统中最重要的技术突破之一，它克服了传统单波段、多光谱遥感在波段数、波段范围、精细信息表达等方面的局限性，以较窄的波段区间、较多的波段数量提供遥感信息，能够从光谱空间中对地物予以细分和鉴别，在资源、环境、城市、生态等领域得到了广泛应用。本文介绍了高光谱遥感技术的原理，列举了高光谱技术的运用，以及叙述了其前景与展望。

因此学好高光谱遥感对我们了解遥感这门学科有很好的促进作用。

二、实训内容：

1、高光谱遥感的发展：、

19xx年10月，前苏联发射了第一颗人造地球卫星，拉开了人类进入航天遥感的序幕，他们把相机放在卫星上，围着地球转，对地面进行拍摄。19xx年，美国发射了陆地卫星，这是航天遥感的标志性事件。

二十世纪八十年代遥感领域最重要的发展之一就是高光谱遥感的兴起。从二十世纪九十年代开始，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[1]。在二十一世纪，高光谱遥感成为了光电遥感的主要手段。高光谱遥感（Hyper Spectral Remote Sensing）克服了传统单波段、多光谱遥感在波段数、波段范围、精细信息表达等方面的局限性，以较窄的波段区间、较多的波段数量提供遥感信息，能够从光谱空间中对地物予以细分和鉴别，在资源、环境、城市、生态等领域得到了广泛应用。它利用很多窄的电磁波波段获取物体有关数据的技术，它可在电磁波的紫外、可见光、近红外、中红外以至热红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。这样，在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成了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5-50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[3]。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，经过计算机的图像处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的。

2、高光谱数据的组成：、

高光谱成像获取的地球表面图像包含了丰富的空间、辐射和光谱三重信息。高光谱遥感数据最主要的特点是将传统的图像维与光谱维信息融合为一体，在获取地表空间图像的同时，得到每个地物的连续光谱信息，从而实现依据地物光谱特征的地物成份信息反演与地物识别。高光谱数据是一个光谱图像的立方体(见图一)，它由以下三部分组成：

1]空间图像维：在空间图像维p高光谱数据与一般的图像相似。一般的遥感图像模式识别算法是适用的信息挖掘技术。

2]光谱维：从高光谱图像的每一个像元中可以获得一个“连续”的光谱曲线。采用基于光谱数据库的“光谱匹配”技术p可以实现识别地物的目的。同时大多数地物都具有典型的光谱波形特征，尤其是光谱吸收特征。这些特征与地物化学成分是密切相关的，因此对光谱吸收特征参数(吸收波长位置、吸收深度、吸收宽度)的提取将成为高光谱信息挖掘的主要方面。

3]特征空间维：高光谱图像提供的是一个超维特征空间，挖掘高光谱信息需要深切了解地物在高光谱数据形成的N维特征空间中分布的特点与行为。研究发现，高光谱的高维空间是相当空的，数据分布不均匀，且趋向于集中在超维立方体空间的角端。典型数据的差异性可以映射到一系列低维的子空间，因此迫切需要发展有效的特征提取算法，以发现保持重要差异性的低维子空间，从而有效地实现信息挖掘。

就数据统计特征而言，在高光谱数据分析中，二次变量(协方差)扮演着极为重要的角色，因此在分类与信息挖掘中需同时兼顾一次变量(例如均值)和二次变量，统计距离测量将主要采用Bhattacharyya距离算法。由于高光谱特征空间的不均匀性分布，在分类与信息挖掘中要提高分类识别精度，需要很多的训练样本及更丰富的光谱数据库、知识库，以便准确地确定地物在高光谱超维空间的密度分布函数。

3、高光谱遥感技术构成

高光谱遥感技术是集新型探测器技术、精密光学机械、微弱信号探测、高速信号处理技术、计算机信息处理技术为一体的综合性技术，是属于多学科交叉技术。主要由高光谱遥感的信息获取系统--成像光谱仪和高光谱图像信息处理系统二大部分组成，比较而言，高光谱遥感中比较重要的关键技术有：

3.1 新型探测器焦平面技术：首光，成像光谱仪的发展是依赖于探测器焦平面技术的发展．目前世界上用于可见、近红外波段的硅焦平面探测器技术已十分成

熟，国际上已有多种采用面阵CCD的高质量成像光谱仪。而红外波段的成像光谱仪的发展更是受益于红外焦平面器件性能的提高，在短波红外光谱段，目前常用的器件有InSb，HgCdTe等。

3.2 新型的光谱仪技术和精密光学技术：成像光谱仪中的光谱仪是整个系统中的核心部分，和传统的单色仪相比，成像光谱仪中的光谱仪的光谱分辨本领的要求没有这么高，但系统的光学F数往往是非常小的，这对光学设计的要求是非常高的。除了光栅和组合棱镜等色散器件，许多新分光谱技术也被纷纷采用，目前常用的有傅里叶变换光谱仪、渐变速光片光谱仪、旋转滤光片轮光谱仪、声光调制器光谱仪等。

3.3 高速信号处理技术：为了既随记录更多的有效信息，又能减少数据记录和传畅的压力，正对成像光潜数据的实时无损压缩技术应运而生，成为数据处理的一个新的研究领域。目前计算机技术的飞速的发展，也带动了各种记录技术的发展，无论是磁带、磁盘、光盘等设备，它们的记录的速度、容量在不断的上升，而价格却在不断下降，这对高光谱遥感技术的发展具有很大的促进。

3.4 高光谱遥感数据定量化技术：从高光谱遥感的应用要求出发，数据必须从定性的解释走向定量的计算，只有这样才能充分发挥高光谱数据的优越性。因此，成像光谱仪的光谱和辐射定标和数据的定量化反演就变得非常重要。

3.5 高光谱遥感信息处理技术：高光谱遥感数据具有多、高、大、快等特点，即波段多(几十个到几百个)，光谱分辨率高(纳米数量级)，数据量大(每次处理数据一般都在千兆以上)，数据率高(从每秒数兆到每秒致百兆)。作为高光谱数据的处理，主要要解决以下几个技术重点：

[1]海量数据的高比例“非失真”压缩技术；

[2]高光谱遥感数据的高速化处理技术；

[3]光谱及辐射量的定量化和归一化技术；

[4]高光谱遥感数据特征图像提取及三维谱像数据的可视化技术；

[5]地物光谱模型及识别技术；

[6]以及高光谱遥感数据在地质、农盒、植被、海洋、环境、大气中应用模型的建立。

4、农业遥感：

一、现代的高光谱遥感技术发展很快，已经能够动态、快速、准确、及时地提供各种对地观测数据。精准农业要求生产和资源利用上的“精”和管理发展上的“准”。高光谱遥感在农业科研和应用技术上有以下的相关工作：

1、作物个体生长状况与作物叶片光谱关系的研究；

2、利用多时相的高光谱数据提取出光谱物征对不同植被和作物进行识别和分类；

3、对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷量等生物物理参数进行估算；

4、遥感信息模型研究；

5、利用植被指数进行地表覆盖分析或作物长势的动态监测；

二、农作物长势监测。

高光谱遥感在精准农业中的发展有很多趋势。用于精准农业的新型遥感技术仍是当前研究的主要内容之一，它还需要基础农业信息系统的设计与建立，GIS支持下农作物征兆信息提取和农业诊断系统和MIS，支持下的决策支持系统模型研究。

1]精准农业中的作物长势监测；

2] 高光谱遥感与精准农业研究的基础问题还有待解决，如环境胁迫作用下的遥感机理和遥感标志研究，遥感与GIS, 的集成对作物胁迫作用的诊断理论以及作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异性机理和环境胁迫作用与产量形成的遥感定量关系；

3] 对植被的叶面积指数、生物量、全氮量、全磷量等生物物理参数进行分析和估算；

4]最具潜力和效益的应用前景就是研究作物的光谱特征农学遥感机理，将其应用于遥感估产，做到对农作物长势的动态监测、病虫害的早期诊断和产量的预报； 5、为实现精准农业作为大农业的发展要求，高光谱遥感的发展趋势就是遥感信息定量化和“定性”、“定位”一体化快速遥感技术。遥感信息定量化：

1、将遥感信息定量化，实现全球海量观测数据的定量管理、分析和预测、模拟是当前重要的发展方向之一。遥感技术的发展，最终目标是解决实际应用问题。遥感信息定量化使高光谱遥感信息的定量分析与应用成为现实。高光谱遥感器的光谱分表率已达数纳米，空间分辨率仅几米，对应图像任一像元反演的地物光谱，可与地面实测值相比拟，这将便于实验室地物光谱分析模型直接应用到高光谱遥感的处理和分析研究，以及利用计算机自动进行地物的光谱分类和匹配识别研究。

2、遥感信息定量化，将使不同种类光学遥感数据的信息复合技术发生质的飞跃，使复合后的信息不仅达到空间分辨率的归一化，而且其辐射值仍保持着目标结构和成分的物理信息，这将在全球变化和全球资源环境状况监测和调查等应用研究中具有重要意义：

1]通过遥感信息的定量化，将定量反演的地物光谱与实测值相比较，可对空中遥感器性能进行校验，如波长漂移、增益、信噪比等性能，以及对遥感数据的精度进行全面的评价。

2]通过遥感信息的定量化，使遥感定量分析专题应用模型（如农作物估产、土壤湿度和干旱监测、初级生产力的计算等模型）具有高质量的定量遥感数据为输入参数而加以广泛地推广和应用。

3]“定性”、“定位”一体化快速遥感技术：

“定性”、“定位”一体化快速遥感技术现在的遥感系统，主要还是单台遥感器为主，仍没有“定性”、“定位”一体化的组合遥感器。超多波段、超光谱分辨的成像光谱仪在目标识别方面具有更强的能力，但目标图象的“定位”问题却留给信息处理阶段。高光谱遥感应用的不断深入，在“动态监测”越来越成为人们共识的情况下，发展高效率的快速遥感技术就成为必须考虑的问题。为此，利用高光谱成像仪目标识别能力很强的同时，快速实现图定位”一体化快速遥感技术:

[2.1]星-机-地一体化的技术体系，实现不同波谱范围、高空间分辨率、高光谱分辨率等多种遥感数据的信息融合，提高识别精度；

[2.2]三维成像仪与地学编码图像的准确匹配、同步生成；

[2.3]无控制或极少控制点实现遥感图像的准确定位；

[2.4]高效率，缩短遥感作业周期；

6、海洋遥感

海洋遥感以光谱能量为载体，传递海水水体介质和能量的存在形式和变化的信息。海洋遥感的主要研究内容有：海岸带的环境监测与管理及海岛测绘；海洋水色监测；海洋动力与环境要素监测。海岸带环境监测与管理主要包括：海岸线及其演变、滩涂和岛滩地形地貌、沿岸工程环境等。海洋水色探测主要包括：海洋碳通量的研究，认识其控制机理和变化

规律，例如全球海洋初级生产力计算模型的研究；海洋生态系统与混合层物理性质的关系研究，例如海洋水色卫星的数据验证某些数据模型所预测的浮游植物分布的真实性。海洋动力与环境要素研究主要包括：海面风场、浪场、流场、潮汐、锋面等的研究。

在海洋遥感中，其光谱信息取决于多种物质的复杂集合体，它包括纯水、无机盐、溶解的有机物质、浮游植物、碎屑、矿物性悬浮体等。各种信息重叠干扰，造成各种目标物成分的反射模型及其光谱曲线不同，呈现随机性，物质和能量解释具有不确定性和时空的可变性。在利用遥感数据提取光谱知识时，既不可能逐个定量地考虑这些因素，也无法为其产生的综合效果建立整体分析模型，因此如何确定海水光谱信息中不同成分的贡献率就显得尤其重要，而海洋高光谱特性的研究，可以获得目标物的诊断性光谱特性，实现遥感信息模型参数或条件约束的确定。

7、环境检测

遥感技术在环境污染监测中的应用发展很快，现在已可测出水体的叶绿素含量，泥沙含量，水温，水色；可测定的大气温度，湿度，CO等主要污染物的浓度分布；可测定固体废弃物的堆放量，分布及其影响范围等，还可以对环境污染事故进行遥感跟踪调查；预报事故发生点，污染面积，扩散程度及方向，估算污染造成的损失并提出相应的对策。近几年来，随着全球问题的日益突出，具有全球覆盖，快速，多光谱，大信息的遥感技术已成为全球环境变化监测中一种主要的技术手段。国际上相继提出了一系列的全球环境遥感监测计划

遥感在环境监测中的运用有以下几个方面：

1、水环境监测：包括

[a]水体浑浊度分析；

水中悬浮微粒对入射进入水体的光发生散射和反射，增大水体的反射率。浑浊度的不同的水体其光谱衰减特性也不同，随着水的浑浊度的增加，衰减系数增大，最易透过的波段从0.50um附件向红色区移动。所以测定悬沙浓度的最佳波段是0.65-0.8um间，此外，若采用蓝光波段反射率和绿光波段反射率的比值，则可以判断两种水体浑浊度的大小。

[b]石油污染检测；

由于石油和水体在光谱特征上存在许多差别，因此可以在若干光谱段多能将他们分开。此外，还根据油膜和海水在微波段发射差异，还可以利用微波辐射测量两者亮度的差别，从而显示出海面油污染分布的情况。

[c]城市污水检测；

在城市污水中含有大量有机物时候，当有机物严重污染时变成黑色，使得水体反射率明显降低，在黑白相片上呈灰黑或黑色色调的条带。使用红外传感器，能根据水中含有的染料，氢氧化合物，酸类等物质的红外辐射光谱弄清楚水污染的状况。水体污染状况在彩红外相片上有很好的显示，不仅可以直接观测到污染物的转移的情况，而且凭借水中泥沙悬浮物和浮游植物的座位判读指示物，可以追踪出污染源。

[d]水体热污染调查；

使用红外传感器，能根据热效应的差异有效的探测出热污染排放源。热红外相片上排热水口的位子，排放热水的分布范围和扩散范围和扩散的状态都十分明显。水温的差别能在在相片上识别出来。因此热红外图象能基本上反映热污染区温度的特征，达到定量解释的目的。

[e]水体富营养化；

水体里浮游植物大量繁殖是水质富营养化的显著标志。由于浮游植物体内含的叶绿素对可见和近红外具有特殊的“陡坡效应”，使得那些浮游植物含量达的水体兼有水体和植物的反射光谱特征。随浮游植物的含量增高，其光谱曲线与绿色植物的反射光谱越接近。

2、大气遥感监测：

大气遥感是利用遥感器监测大气结构，状态及变化。大气遥感器除了监测气温，水蒸汽，大气中的微量成分，气溶胶等三位分布以外，还用来进行行风的测量及地球辐射收支的测量等。

三、实训结果：

过去几十年中，已经获得了大量的实测地面光谱数据，在目标对象的光谱信息方面积累了很多的第一手资料。通过进行信息挖掘，了解光谱响应特征，获得了对分类具有指导性的光谱知识；并且近年来，高光谱遥感仪器获得了很大进展。人们在获取大量高光谱图像数据的同时，也面临着如何最大程度地利用这些海量数据的难题。高光谱技术从遥感的角度提供了大尺度获取地面光谱数据的手段，为人们宏观分类识别地物提供了基础。将这两个方面结合起来最大程度地发挥高光谱技术的优势是一个关键性的问题，因此，光谱信息挖掘就显得非常重要。但总体上仍然落后于高光谱遥感传感器的研究进展，因而这种研究仍然是值得大力开展的。

四、实训总结：

常用遥感器的实训中使我们对遥感器有了更多的了解，在课余时间，我们都不断的努力上网查找资料，也让我们有了更多的自主学习的时间。

五、实训建议：

就是老师实训时间太少，而且我们上课时间也是被不断的压少。强烈建议学校安排多点的实训项目和多点的实训时间。总之一句话：实训真的很重要。

 

第二篇：传感器实训报告5

实训(验)项目报告

项目编号(Item No.)    实验4                Training Item Report