机载高光谱数据处理关键技术研究

发布时间：2020-07-27 19:51

【摘要】：机载高光谱成像技术因其高空间分辨率的特点,进一步推动了高光谱成像技术在灾害监测、精细农业、森林病虫害监测和预防等领域的应用。针对具体的应用,需要通过处理和分析遥感影像提取重要信息来解决相关的问题。论文深入地研究了机载高光谱数据处理的关键技术,包括非均匀性校正、高光谱图像压缩和高光谱图像解混。论文详细地介绍了这些关键技术的原理和数学模型,并通过机载高光谱数据验证了关键技术的有效性和可行性。论文的主要内容和创新点包括:1)论文分析了机载高光谱图像非均匀性产生的原因,研究了国内外经典的非均匀性校正方法。结合“side-slither”定标技术和两点多段的非均匀性校正方法,提出了一种基于“side-slither”定标技术的非均匀性校正方法。论文详细阐述了该方法的原理和具体实现步骤,利用机载短波红外高光谱数据验证了方法的有效性和可靠性,并定量化地评价了该方法的非均匀性校正效果。实验结果表明,基于“side-slither”定标技术的非均匀性校正方法可以成功地消除积分球和太阳之间的等效色温差异引入的非均匀性校正误差;该方法在提高图像质量的同时最大程度地保留了原始图像信息,有利于提高高光谱图像的定量化应用的精度。2)论文分析了高光谱图像压缩的必要性,基于高光谱图像分类和矢量量化压缩的策略,提出了一种基于非监督分类的高光谱图像有损压缩方法。论文详细地阐述了该算法的原理和数学模型,利用机载可见近红外高光谱图像验证了算法的可行性,并评价了算法的分类精度和压缩效果。实验结果表明,该算法可以同时实现高光谱数据的分类和压缩,取得了高压缩比结果和良好的分类效果,满足了高光谱数据同时分类和压缩的应用需求。3)论文研究了高光谱混合像元解混方法,提出了一种基于全色图像和高光谱图像的线性光谱解混方法。论文详细地阐述了该算法的数学模型及实现步骤,利用机载可见近红外高光谱图像验证了算法的有效性和确定了算法的适用范围。实验结果表明,当全色图像中各端元之间是可辨别的,该算法能取得较好的解混效果,同时可以获取高精度的目标光谱信息。4)论文通过模拟全色图像与高光谱图像之间的失配,研究了全色图像与高光谱图像之间的失配误差对线性解混精度的影响。数学模型及实验结果表明,像元的解混误差会随着全色图像与高光谱图像之间失配误差的增大而增大。5)论文提出了一种成像系统的最大可接纳失配误差的量化方法。以全色图像为参考标准,根据全色图像与高光谱图像之间失配误差引入解混误差的结果,确定了最大可接纳失配误差的范围是0.55-1.41个像元。该结果为仪器研制过程中全色探测器和高光谱探测器之间的误差分配提供了参考依据。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP751
【图文】：

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成像仪可以同时获取地物的空间信息、光谱信息和辐射信息。图 1- 1 是光/红外成像光谱仪（Airborne visible/infrared imaging spectrometer , AV在美国加利福利亚野外获取的高光谱图像，可以看到地物的两维空间维光谱信息，而且还可以观察到不同波段图像之间的差异性。（3）光数多，可以获取地物在某一光谱范围内连续且精细的光谱曲线。分析光司（ASD）的 FieldSpace3 光谱辐射计[2]可以在 350-2500nm 的谱段范围量地物的光谱信号，这些光谱信号可以转换为地物的光谱反射率曲线是 FieldSpace3 光谱辐射计测量得到地面几种地物的光谱反射率曲线。可以看到，不同地物的光谱反射率曲线具有明显的差异，同种地物的下的光谱反射率曲线也有明显的区别。高光谱遥感技术就是利用物质之差万别的光谱特征来识别不同的目标。鉴于高光谱遥感技术的突出特点以及优势，高光谱遥感技术被应用于[3]、资源调查[4]和城市规划[5]等诸多领域。随着探测器焦平面技术、精械加工技术等的迅速发展,机载高光谱成像仪的空间分辨率不断提高步推动了高光谱遥感技术的应用范围, 比如灾害监测、精细农业、森林监测和预防。

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灾害、火灾等自然灾害或人为灾害的发生会带来一个国家或地区影响很大。在灾害发生后，受制察和救援人员无法抵达灾区以及获取详细的灾区种迅速获取信息的方式用于灾害监测[6]，可以快实时灾情图，并标识受灾区域的交通路况、以及人员所在区域等信息，向第一时间无法到达现场信息等。核心是充分利用现代信息技术对作物生长情况的实际情况进行合理灌溉、施肥、喷药，以更加。机载高光谱成像仪利用其高空间分辨率和实时物和害虫等管理[7]。例如，通过检测土壤的水分- 2 FieldSpace3 光谱辐射计测量得到几种地物的反射 2 Reflectivity curves of several ground targets achieved

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监测机载高光谱遥感技术，具有高空间分辨率、实时性好以及容经应用于火灾监测[37]，飓风监测[38]、火山活动监测[39]、洪涝监测[41]等。例如，日本的地球科学和灾害预防研究所（Nationor Earth Science and Disaster Prevention，NIED）开发了一种新光谱成像仪[42]，该仪器覆盖了可见近红外、短波红外和长波要用于监测火山活动。2008 年 4 月 8 日，使用该仪器监测到樱木岛火山（Sakurajima volcano）喷发，通过可见近红外图像引起的火山碎屑流的面积，同时长波红外图像可以用于分析。之外，在灾害救援过程中，机载高光谱技术还可以用来支持等区域受困人员的搜索和营救活动。比如，无人机搭载 RGB相机用于检测人体形状[43]，无人机搭载 CCD 相机和热红外相员[44]，无人机搭载红外传感器用于跟踪人的移动[45]。图 1- 3见近红外波段的无人机对失踪人员的搜索结果。

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