星载高光谱遥感成像仿真技术及其应用赵慧洁2010.10.151提纲一、目的及意义二、成像仿真技术研究三、基于仿真数据的光谱特征分析初探四、结论2目的及意义主要矛盾：数据爆炸 VS. 信息饥渴波段多 信噪比差本质问题：数据的应用能力？解决途径： 光谱的稳定的特征 数据处理方法实现方法： 面向具体应用的载荷指标设计 针对确定载荷性能指标的应用能力分析限制高光谱遥感应用促进高光谱遥感应用3成像仿真技术框架4 德国航天研究中心（DLR），光学遥感系统性能分析软件（ SENSAT和SENSOR），分别用于星载红外侦察传感器或对地观 测光谱仪设计阶段的性能预测和参数优化分析、欧空局机载成像 光谱仪PRISM的应用潜力分析和参数指标优化设计。 美国空军研究实验室和光谱科学有限公司，全光谱（从紫外到长 波红外）地面场景模型MCScene，为特征提取等算法验证和传感 器设计提供了准确、稳定、有效的手段。 美国国防部和MIT 林肯实验室，针对Warfighter搭载的成像光谱 仪开展了高光谱技术评价计划HTAP，建立定量的高光谱成像仪性 能评价框架和体系，开发了系统性能预测模型、估计使用效用以 及确定高价值应用的系统软件。 SENSET仿真原理FASSP功能模块MCScene场景定义HTAP计划处理流程 国内外现状与发展趋势5SENSOR仿真原理SENSOR优化、评价流程HITAP成像模型原理HITAP载荷技术指标评价流程DIRSIG模型原理国内外现状与发展趋势 美国林肯实验室，端到端的高光谱成像系统数学模型FASSP，支 持高光谱传感器系统设计和参数优化研究。 加拿大空间局与ABB公司，针对CATSI的高光谱成像仪技术评价 计划HITAP，为数据应用、任务计划与仪器设计提供仿真试验平 台。 美国佛罗里达理工学院（FIT）和Kestrel公司，高光谱成像仪模型 程序（HIMP），用于MightySat II.1卫星空间调制型干涉成像光 谱仪（FTHSI）的在轨性能预测。 美国Rochester技术研究所，数字图像与遥感图像生成模型 DIRSIG，其模拟数据被广泛应用于成像光谱仪参数性能评估、数 据处理算法测试等方面。6成像仿真实例- 光学遥感系统仿真软件SENSOR 由德国航天中心和瑞士苏苏黎世 大学联联合开发发 可模拟拟0.4-2.5m的高光谱谱成像 数据 用于欧空局APEX（Airborne PRISM Experiment）项项目传传感 器的应应用潜力分析和参数指标标 优优化设计设计7成像仿真实例- 数字成像与遥感图像生成软件DIRSIG 由美国Rochester理工学院开发发 可模拟拟0.38-20m的复原光谱谱 辐辐亮度图图像数据 用于评评价地物分类类、目标标探测测 、数据融合等具体应应用算法的能 力，分析现现有遥感系统统的改进进 方向以及演示下一代成像系统统的 功能8成像仿真发展趋势 物理仿真 数字仿真 单像元光谱模拟成像数据模拟 全色图像模拟 多光谱成像数据模拟 高光谱数据模拟 对整个系统建立粗略的仿真模型对场景和遥感器分别建立精细的仿真模型为具体遥感任务建立面向具体应用的仿真模型和数据模拟方法9高光谱成像仿真技术研究系统构成10模拟数据的特点： 空间分辨率、光谱分辨率、信噪比、MTF等为仪器 本身和数据定标阶段的等效参数 接近实际遥感系统分发给用户的辐亮度（1级）数 据 应用处理的结果可近似反映算法对实际数据的应 用能力模拟的第一个层面：复原入瞳辐亮度数据模拟1112l 模拟数据实例（AVIRIS海湾数据）模拟数据很好地反映了大气的选择吸收特性，其反演出的反射率与输入反 射率基本一致，说明模拟数据真实可靠。GSD10m的地面反射率数据（678nm波段） GSD10m、VIS23km、SNR200的复原入瞳辐亮度模拟数据 （a）678nm波段（b）1111 nm波段 （c）1388 nm（水汽吸收）波段（d）1538 nm波段 植被模拟数据反演反射率（蓝）与真实反射率（绿）对比模拟的第一个层面：复原入瞳辐亮度数据模拟13VIS 5KmVIS 23Km 不同大气能见度下的模拟数据FLAASH大气校 正软件对能见度 （大气气溶胶类 型及含量等）估 计不准确，会引 起反射率反演误 差对实测数 据进行大气校正 时，最好同步测 量气溶胶参数， 以得到准确的地 面反射率。模拟的第一个层面：复原入瞳辐亮度数据模拟14行数：2000列数：2000波段数：280量化位数：12bits空间分辨率：30m光谱分辨率：5/10nm（VNIR/SWIR）光谱范围：400-2500nm信噪比：200/150 （VNIR/SWIR）MTF（Nyquist）：0.260km * 60km宽宽幅数据示意图图（540nm）模拟的第一个层面：复原入瞳辐亮度数据模拟15模拟的第二个层面：原始DN值数据模拟模拟数据的特点： - 接近实际遥感系统获得的原始像面（0级） 数据 - 预处理后得到相当于地面系统分发给用户的 辐亮度（1级）数据 - 应用处理的结果可较准确反映算法对实际数 据的应用能力16光栅色散型高光谱成像仪模拟DN值图像DN值图像重排17时空调制型傅里叶变换成像光谱仪模拟DN值图像18仿真模型与软件集成19仿真模型集成与验证主控分系统20仿真模型集成与验证平台与成像位置计算分系统21仿真模型集成与验证DN值图像模拟分系统22模拟数据初步验证23东天山铜矿试验区 v星载成像光谱数据：Hyperion，2002.12.9； v机载成像光谱数据：HyMap，2002.10； v地面样品光谱数据：PIMA，2004.10.18。 vHyMap数据处理：辐亮度大气校正交轨亮度校 正几何粗校正拼接镶嵌 v由HyMap反射率数据 模拟 Hyperion 几何粗校正的 辐亮度数据（ L1G ）。v比较： v图像目视效果与统计量 v辐亮度光谱相似性模拟数据初步验证24（a）模拟拟数据549.10nm （b）实测实测数据548.92nm（c）模拟拟数据2306.20nm （d）实测实测数据2304.71nm MinMaxMeanStdSNR模拟数据549.10nm2.4322356.9743593.7726610.50078725.0实测 数据548.92nm2.7975007.0875004.0942900.48710134.5相对误 差（%）13.061.607.86-2.81-模拟数据2306.20nm0.0219780.2930400.1164300.04150910.4实测 数据2304.71nm0.0225000.2937500.1248710.04187113.1相对误 差（%）2.320.246.760.86-550nm图像比较接近（信噪比略有不足），2305nm图像基本一致（除了条带效应未模拟）。 模拟数据初步验证25（a）基岩辐辐 亮度光谱谱（b）方解石 辐辐亮度光谱谱黑：实测实测 红红：模拟拟 采样点光谱相关系数光谱角（rad） 基岩0.98440.1548 方解石0.99500.0803 角闪石0.99100.1125滑石+绿泥石0.99380.0813滑石0.99690.0577辐亮度光谱在600nm之后较一致，幅值略有差别； 在600nm之前，趋势上存在一定差异，主要由大气模型引起，正在改进。统计模拟数据与实测数 据中十余种地物辐亮度 光谱，对应光谱的相关 系数在0.98以上。模拟数据初步验证26（a）实测实测 数据识别矿识别矿 物（b）实测实测 数据识别矿识别矿 物光谱谱（c）模拟拟数据识别矿识别矿 物（d）模拟拟数据识别矿识别矿 物光谱谱识别矿 物光谱特征位置（nm ） 实测数据模拟数据 角闪石/绿泥 石2264.32286.0 2306.2 滑石+绿泥石2284.52286.0 2316.3 滑石2314.82316.3 2356.7方解石绿帘石高岭石+绿泥石高岭石绿泥石绿帘石+滑石虽然模拟与实测辐亮度光谱较 一致，但FLAASH反演反射率 有差别，模拟数据识别矿物种 类更多，需进一步加强辐亮度 与反射率的对应机理分析。模拟数据初步验证27误差分析 v模拟过程中忽略了HyMap反射率数据本身具有的误差。 v由于无配套大气参数，模拟过程利用了标准大气模式， 与Hyperion数据实际获取时的大气状况不一致。 v模拟数据的中心波长位置与Hyperion数据有细微偏差。 如下表，相对于10nm的波段采样间隔和FWHM，此差异较 小，对辐亮度影响不大。vHymap数据和Hyperion数据的几何校正误差共同形成定 位偏差，导致用于对比的像元光谱的实际位置不同。 v未模拟条带、smile等Hyperion数据中的非理想特性。对上述几项进行改进，可得到更真实的模拟数据。所有波段差异Max（nm）Min（nm）中心波长0.0417-1.5993FWHM0.5634-0.6143模拟数据初步验证28星-机-地准同步高光谱成像数据获取v星载成像光谱数据：HJ-1超光谱成像仪准同步；v机载成像光谱数据：PHI,已进行了辐亮度复原和几 何粗校正，正进行反射率反演 ；v地面成像光谱数据：自研AFHI，已完成辐亮度复原 ， 正进行拼接镶嵌；v地面光谱数据：ASD（20余种地物，5000余条）；v大气参数：CE318。为仿真模型的验证奠定了良好的数据基础。其他的验证试验29大气参数同步测量大气参数同步测量定标布光谱同步测量定标布光谱同步测量几何与辐射性能参几何与辐射性能参 数验证各类靶标数验证各类靶标星-机-地准同步高光谱成像数据获取30测量光谱：测量光谱：50005000余条；余条； 地物种类：地物种类：2020余种余种星-机-地准同步高光谱成像数据获取31地面成像光谱仪数据：地面成像光谱仪数据：l l作业高度：作业高度：20m20ml l空间分辨率：空间分辨率：0.2m0.2ml l光谱分辨率：光谱分辨率：7nm7nml l光谱范围：光谱范围：440-1000nm440-1000nm星-机-地准同步高光谱成像数据获取32基于仿真数据的光谱特征分析初探数据源： v东天山局部HyMap反射率数据（铜矿 分布区：94520”-9410E，4210- 421230”N） 模拟数据： v遥感器复原辐亮度数据（1级数据） v模拟数据经ENVI-FLAASH大气校正得 到地面反射率33模拟成像参数： v成像时间：6月1日 6:30 （GMT） v轨道高度：650Km v观测天顶角：180 v大气类型：中纬度夏季 v气溶胶类型：乡村，能见度23Km v光谱范围：450 - 1000 nm (VNIR), 1000 - 2500 nm (SWIR) v空间分辨率：30 m v光谱分辨率：10 nm v信噪比: 200/ 150 (VNIR/SWIR) 地面反照率0.3，太阳 天顶角30 vMTF ：0.2 (Nyquist频率) v量化位数：12bit v动态范围：20(VNIR), 11 (SWIR) uw/(cm2*sr*nm)基于仿真数据的光谱特征分析初探34模拟成像参数（续） 在上述参数基础上，每次变化一项质量指 标，生成系列模拟数据： v空间分辨率：10、15、50、75、100m v光谱分辨率：5、15、20、25、30nm v信噪比：100/50、300/250、400/350、500/450 （VNIR/SWIR） vMTF(奈奎斯特)：0.25/0.2、0.2/0.1、0.1/0.05 、0.05/0.01（静态/动态） v能见度：2、5、10、23、50km v观测天顶角：180、170、160、150基于仿真数据的光谱特征分析初探35基于仿真数据的光谱特征分析初探36u由地质资料与