从可见光到热红外全谱段探测的星载多光谱成像仪器技术发展概述

从可见光到热红外的全谱段探测的多光谱成像仪器能够同时对可见光、近红外、短波红外、中波红外、长波红外光谱范围内的多个谱段进行探测,是目前得到广泛研究及应用的成像光谱仪器。这类仪器在国土资源、环境监测、城市遥感、海洋监管等方面均有较高的应用价值。本文概述了此类仪器的国内外研究发展现状,对国外Landsat系列载荷、MODIS、国内的资源系列载荷、高分五号全谱段光谱成像仪等代表性仪器的技术指标和特点进行了总结。通过分析认为更加全面和精细的光谱覆盖、成像方式的改进与技术指标提高、定标手段和定量化水平提高、数据的持续性及稳定性是未来发展的趋势。

全谱段光谱成像仪系统设计及实现

全谱段光谱成像仪是"高分五号"卫星上的一个重要的对地观测有效载荷,具有谱段多、空间分辨率高、辐射定标精度高的特点。载荷设计寿命8年,以60km幅宽、推扫成像方式,获取地球表面0.45~12.5μm谱段范围的辐射数据。可见近红外短波谱段(B1-B6)星下点空间分辨率20m,绝对辐射定标精度5%;中长波红外谱段(B7-B12)星下点空间分辨率40m,绝对辐射定标精度1K(300K时)。该载荷集成度高、技术指标先进,使中国多光谱光学遥感器在谱段数量、空间分辨率、辐射分辨率和辐射定标精度上都有了大幅提升。文章对载荷的方案、技术特点和先进性等进行了介绍,并对后续的应用方向进行了展望。

全谱段光谱成像仪高精度辐射定标技术

高分五号卫星作为国内首颗明确提出定量化应用的卫星,定标精度要求达到了目前发射型号的最高水平。全谱段光谱成像仪作为其主要载荷,是国内高分辨率全谱段多光谱遥感器中光谱范围最宽(0.45~12.5μm)、谱段最多(12个)的载荷。它采用三反离轴光学系统分视场成像、在汇聚光路中使用分色片、红外探测器焦面前放置微型组合滤光片等光谱细分措施,实现3个探测器焦面上12个谱段的同时对地成像,1台载荷获得地物温度反演所需数据,提高数据匹配和实效性。它通过2个定标机构分别实现可见短波谱段全光路全口径漫反射板定标和中长波谱段半光路全口径黑体定标,经实验室定标、场地定标、星上定标获得星上定标系数,为用户定量应用提供了良好保障,经验证,可见短波谱段定标精度为2.6%、中长波红外谱段定标精度为0.9K。

一种适用于高分五号全谱段光谱成像仪影像的云检测算法

云的存在严重制约了遥感影像的处理和应用。通过分析云和典型地物的光谱特性差异,结合高分五号卫星全谱段光谱成像仪(VIMI)的波段设置,提出一种适用于高分五号卫星全谱段光谱成像仪的云检测算法。依照地物光谱特性的差异分别检测出厚云区域和薄云区域,两者合并得到初步云掩膜,通过比率判别和雪指数去除其中的高亮岩石和冰雪,得到最终的云掩膜。实验结果表明:该云检测算法可以取得较好的检测效果,准确率可达90%以上,并且运行效率较高。

全谱段H点标准加入法研究

改进了 H点标准加入法。这种方法称为“全谱段 H点标准加入法”,当分析物质和干扰物质同时存在于样品中时 ,这种方法可获得分析物质的无偏差分析浓度。全谱段 H点标准加入法 ,采用干扰物质吸收光谱图上多个成直线的波长点 ,以 H点标准加入法和 K比例 H点标准加入法为判据 ,测定多组分体系 ,并以水杨酸 -对硝基苯甲酸 -对氨基苯甲酸的不同混合物为例 ,对方法进行验证 ,结果满意。并采用先进的 Windows应用程序设计语言 Visual Basic4.0设计出具有Windows“图形用户界面”特点的应用程序 ,这使得原本枯燥杂乱的多数据计算。

全谱段光谱分析的块状商品煤种类鉴别

常规的煤炭鉴别方法需进行繁琐的制样过程,且需结合多种化学参数指标进行综合判定,以得到较为准确的分析结果。提出一种基于500~2 350nm的可见-近红外全谱段光谱分析技术与多层感知器(multilayer perceptron,MLP)分类方法相结合的块状商品煤鉴别方法。该方法具有非接触、无前期制样、无化学分析的优势,可快速高效的获取煤炭的分类信息。采用地物光谱仪采集煤炭原始光谱数据,对噪声过大、影响后续处理的谱段进行删除,剩余部分采用小波阈值去噪法进行噪声去除。将去噪后的数据分成三个数据集:可见-近红外光谱(500~900nm)数据集、短波红外光谱(1 000~2 350nm)数据集、全谱段光谱(500~2 350nm)数据集。对以上三个数据集进行主成分分析,将提取出的25个主成分输入多层感知器分类模型。多层感知器模型由输入层、隐藏层(两层)、softmax分类器构成。对三个数据集进行分类精度的对比,并采用随机森林(random forest,RF)与支持向量机(support vector machine,SVM)两种分类算法进行进一步的验证分析。结果表明:对块状商品煤分类,全谱段光谱分析技术由于数据信息量丰富,能够得到更优的分类效果,在训练样本数为132时,采用MLP分类器的分类精度最高,为98.03%;随机森林与SVM的分类结果验证了全谱段数据集的优越性与普适性。该研究为煤炭的在线分析、便携式煤炭检测仪器的研发提供了可靠的技术支持。

高分五号卫星全谱段光谱成像仪在轨几何定标方法及精度验证

高分五号卫星全谱段光谱成像仪(VIMS)覆盖了可见近红外、短中波红外和长波红外谱段,对生态环境监测、国土资源调查等领域具有重要的应用价值。在轨几何定标作为地面处理系统中不可缺少的环节,对光学卫星遥感影像能否充分发挥其应用潜能影响巨大。通过采用基于探元指向角的在轨几何定标模型,设计了一套适用于全谱段影像的在轨几何定标方案,利用高精度的资源三号卫星影像从参考影像绝对定标和波段间相对定标两个方面进行内外定标参数的解算。结果表明:在无控制点的情况下,影像平面定位精度优于20m,内部相对精度优于0.5个像素。

全谱段多角度光学成像大气折光误差分析

星载全谱段成像仪能够同时对可见光、近红外、短波红外、中波红外、长波红外光谱范围内的多个谱段进行探测,在热污染排放检测、农作物长势分析等方面发挥重要作用。然而,当光线穿越大气层时,受大气折射的影响,不同谱段存在程度不一的偏折现象,降低了影像的几何定位精度、谱段间的配准精度,影响全谱段影像的应用效能与价值。针对全谱段多角度成像大气折光误差特性,采用高分五号全谱段光谱成像仪相机参数与大气参数,利用基于椭球分层的光学卫星大气折光改正模型,对全谱段多角度成像在不同区域、不同时间的大气折光误差差异进行了系统性的分析。实验结果表明,当侧摆角为45°时,大气折光引起的蓝波段的绝对几何定位误差约为6.491 m,相对几何定位误差可达2.698 m,对蓝波段与长波红外波段谱段间的配准精度的影响可达0.161 m。

基于姿态误差时空补偿的高分五号02星全谱段影像定位精度提升方法

提出一种顾及姿态误差时空变化的全谱段光谱成像仪(VIMS)定位精度提升方法。通过分析高分五号02星(GF-5B卫星)181 d的星敏感器低频误差规律,以分段傅里叶级数模型为基础,利用时序化、多空间补偿策略,统一了非基准与基准定姿模式之间的低频误差特性,补偿低频误差对影像几何定位的影响。研究结果表明,所提方法将VIMS可见光近红外影像无地面控制几何定位精度从4.274 pixel优化至1.867 pixel,且对不同时相、不同区域的光学影像均有良好的精度提升效果。

全谱段光谱成像仪遥感影像云检测算法

云的存在影响着遥感影像的广泛应用。基于高光谱观测卫星全谱段光谱成像仪的空间分辨率高和波段范围广的特点,提出一种适用于全谱段光谱成像仪数据的改进多通道阈值云检测算法。首先,根据云层在可见光到热红外通道的变化特征分离潜在云像素和清晰像素;然后,将温度概率、变异概率和亮度概率相结合,分别生成陆地和水体的云概率掩模;在此基础上,利用潜在云像素和云概率掩模得到潜在云层;最后,对潜在云层应用晴空恢复测试来减轻陆地水体以及冰雪上空云的误判。将改进的多通道阈值云检测算法结果与传统的多通道阈值云检测算法结果进行定量对比分析。结果表明:改进的算法能适用于不同的地表场景且得到较好的检测效果,平均总体精度为92.0%,差异度总体降低3%,平均云像元正确率和晴空像元正确率分别为92.4%和91.8%,错分和漏分误差显著降低;尤其在高亮地表,在城市和冰雪上空的平均云像元正确率分别提高4%和5%,差异度分别降低4%和2%。所提算法的云识别效果优于传统的多通道阈值云检测算法的结果,并且运行效率较高。

静止轨道全谱段宽覆盖成像光谱仪光学系统设计与高保真分光系统研制

根据静止轨道特点,分析设计覆盖近紫外至长波红外波段的成像光谱仪光学系统,将0.3~12.5μm的光学全谱段细分为5个子谱段并集成于光学系统,每个子谱段均采用4个分光系统在视场内拼接实现宽幅所需的超长狭缝,狭缝总长最长达241.3 mm,通过内扫描实现400 km×400 km地面覆盖。重点研究满足拼接要求的紧凑型长狭缝分光系统,指出其实现高保真分光成像需满足低畸变、低杂散、高信噪比、均匀光谱响应等条件。据此,设计基于凸面闪耀光栅的Offner型和Wynne-Offner型高保真分光系统,并研制各个子谱段的原理样机。给出全谱段长狭缝和凸面闪耀光栅两种核心元件的研制结果,单条狭缝最长达61.44 mm,5个谱段的光栅槽密度范围为8.8~312.1 lp/mm,峰值效率均在70%以上,最高达86.4%。以可见近红外和长波红外两个谱段为例,给出分光系统装调和测试过程,结果表明所研制的分光系统具有高保真性能,各项指标均满足要求。

无人机高光谱岩性和矿物识别技术研究

无人机高光谱遥感技术以其高空间分辨率和高光谱分辨率的技术优势,在大比例尺区域地质填图领域可以发挥重要作用。利用无人机搭载全谱段高光谱成像仪(HD_SAVI)获取0.2 m高空间分辨率影像数据,采用经验线性法对所获取数据进行光谱重建,重建后无人机高光谱影像光谱曲线与地面实测光谱曲线谱形基本一致,典型特征吸收峰位置偏差均在1个像元以内。采集岩性样本构建岩性知识库,利用深度学习算法基于无人机高光谱影像数据开展岩性识别;岩性识别结果与大比例尺地质图对比,岩性空间分布基本一致,地质体边界准确且较清晰。参考典型矿物光谱库进行矿物识别。与同一地区CASI/SASI航空高光谱数据地质填图结果进行对比分析,结果表明:两者提取的矿物在空间分布上具有较高的一致性,但无人机低空高光谱影像空间分辨率较高,识别出的矿物种类更加丰富。无人机高光谱遥感技术可以满足无人区、交通不便地区地质勘查,以及重点区或矿区外围等地区大比例尺地质填图的需要。

全谱段高光谱成像仪光学系统设计

为满足全谱段高光谱成像探测一体化应用需求,开展了可见至长波红外(LWIR)共口径成像光谱仪光学设计。前置像方远心物镜采用离轴三反结构实现,利用视场分离分光和分色片分光相结合的方法实现了可见至LWIR的四谱段划分。后置光谱仪采用非对称式凸面光栅Offner结构,将中波红外(MWIR)与LWIR光谱仪的放大率设置为0.90和0.61,以满足设计指标和成像质量的要求。设计和分析结果表明:所提系统在600 km轨道高度处的幅宽为30 km;可见至短波红外(SWIR)的F数为2.6,可见/近红外(VNIR)光谱分辨率和SWIR光谱分辨率分别优于5 nm和10 nm,像元分辨率为30 m;MWIR谱段和LWIR谱段的F数分别达到2.3和1.5,光谱分辨率分别优于50 nm和100 nm,像元分辨率分别为50 m和74 m;各谱段在Nyquist频率处的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,谱线弯曲和色畸变均小于探测器像元尺寸的1/10。

高分五号全谱段光谱成像仪影像数据质量评价研究

高分五号卫星上搭载的我国自主研发的全谱段光谱成像仪是从可见光到长波红外光谱范围的星载多光谱成像仪,具有广泛的应用前景。对卫星影像进行质量评价,既是对遥感卫星是否满足设计指标的验证与检验,也可以为影像的处理与应用提供参考。利用信噪比、清晰度、信息量、辐射不均一性4个指标对高分五号全谱段光谱成像仪进行影像质量评价,并以美国陆地卫星Landsat 8影像为参考进行对比分析。结果表明:高分五号卫星全谱段光谱成像仪短波红外谱段的信噪比(320.44~388.42)略高于可见近红外谱段(208.24~238.03);近-短波红外谱段的清晰度(0.82~0.91)要高于其余谱段,尤其是长波红外谱段(0.01~0.21);可见短波红外谱段的信息量(9.01~9.97)要高于中长波红外谱段(5.71~8.31);所有12个谱段的辐射不均一性均小于2%。与Landsat 8的比较结果表明:在清晰度方面,全谱段光谱成像仪可见近红外谱段优于Landsat 8,其他谱段接近Landsat 8;在信息量方面,可见短波红外谱段与Landsat 8比较接近,但是B11、B12两个分裂窗谱段差距较大,分别相差5.23和5.61;在信噪比方面GF-5 VIMI仍有待进一步改善,又以B1、B2、B63个谱段落后Landsat 8最大,分别相差280.41、226.84和151.92。

镁铁质―超镁铁质岩全谱段遥感识别模型

镁铁质―超镁铁质岩的遥感岩性识别研究一直是遥感岩石学领域的热点之一,其岩石信息对于岩浆型铜镍硫化物矿床的预测十分重要。提出一种综合利用Landsat 8、ASTER和PALSAR-2数据的镁铁质―超镁铁质岩石全谱段遥感识别模型:通过对野外采集岩石样品及光谱库中相关岩石矿物的可见光―热红外谱域的光谱测试与特性分析,结合岩石表面微波散射特性,应用特征空间,贝叶斯线性判别分析、逐步偏最小二乘回归分析等方法,创建镁铁质―超镁铁质岩性指数,并利用提出的岩性指数进行镁铁质―超镁铁质岩的初步提取,再经过基于贝叶斯决策理论的融合处理得到最终的镁铁质―超镁铁质岩石信息。结果表明:该模型能够对镁铁质―超镁铁质岩进行精准定位,识别精度达到94%以上。此外,根据遥感岩性、构造特征的解译与区内已知铜镍硫化物矿床的成矿岩体比较,推断出位于赤石山―小长山―中坡山一带以及小青山附近岩体具有一定的成矿潜力。

静止轨道全谱段高光谱探测技术

地球同步轨道高光谱探测技术具有"图、谱、构、时"的独特优势,成为当前高光谱遥感领域重要发展方向.目前国内的研究主要集中在可见-短波红外的反射光谱波段,对全谱段光谱信息反演及定量化应用关注较少,国际上的模型与技术方法尚处于理论研究阶段,缺乏通用性和适用性分析.

GF5B热红外通道星上定标与验证

以GF5B卫星发射前实验室定标为基础,采用星上0级黑体定标数据,建立了适用于GF5B热红外通道的星上绝对辐射定标模型。通过对2022年01月12日星上黑体定标数据进行处理,获得成像仪热红外通道的绝对辐射定标系数。对星上定标系统精度进行分析,并采用地面同步烟台浮标数据对定标结果进行精度验证,结果表明,在轨后星上定标系统的绝对定标精度为0.9 K;星地验证结果显示B11和B12通道亮温的偏差分别为0.33、0.77 K。说明基于星上黑体的定标方法具有较好的精度,定标结果可靠,可满足遥感数据定量化应用的需要,为实时准确获取热红外通道定标系数提供了方法借鉴。

成像光谱矿物识别方法与识别模型评述

矿物识别和矿物填图是成像光谱应用最成功的领域之一。本文将国内外发展的矿物识别模型归纳为光谱匹配和以知识为基础的智能识别两大类型进行讨论。对光谱匹配方法分别从其方法的分类、光谱相似性测度、整体光谱匹配算法、局部光谱识别、亚像元光谱识别、混合像元分解和矿物端元选择、光谱减维和噪声弱化等方面作了评述。最后,讨论了矿物识别和填图研究中存在的主要问题,指出研究建立全谱段矿物识别方法和技术体系将是今后光谱矿物识别和矿物填图的重要发展方向。

多探测器数据控制与处理系统设计

全谱段光谱成像仪集成可见多光谱、短波/中波红外以及长波红外三种探测器,覆盖十多个谱段,具有目前国内同类遥感仪器最宽光谱信息,同时系统复杂且技术难度较大。为解决全谱段光谱成像仪多探测器同步控制、海量数据存储与集成处理以及探测器在轨增益、级数、积分时间等其他参数调整问题,设计了一种多探测器数据控制与处理系统。该系统硬件以现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制处理单元,采用光耦合差分器件与其它设备进行连接和传输;FPGA软件采用模块化设计思想,自顶向下用硬件描述语言(VHDL)进行设计;利用仿真工具、硬件模拟器进行验证,结果证明了该设计的正确性和有效性。在实际工程应用中,该系统功能全面、接口灵活、可靠性高且易扩展。

高分五号卫星方案设计与技术特点

高分五号卫星是我国首颗大气陆地综合高光谱观测卫星,是国家高分辨率对地观测系统重大专项项目,是实现我国高光谱观测能力的重要标志。卫星运行于高度705km、交点地方时13∶30的太阳同步轨道,装载了6台有效载荷,观测谱段覆盖范围从紫外到长波红外谱段(0.24~13.3μm),最高光谱分辨率达0.03cm-1。卫星具备高光谱与全谱段对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等观测手段,具备在轨定标功能,绝对辐射定标精度优于5%,光谱定标精度最高可达0.008cm-1。卫星可为我国大气、水、生态环境监测,自然资源调查,气候变化研究等提供国产高光谱数据产品。本文概述了高分五号卫星的总体设计方案,总结了卫星的主要技术特点及创新点,并对卫星的应用前景进行了展望。