专题讲座1-星载高光谱数据模拟

1、1 星载高光谱遥感成像仿真技术及其应用赵慧洁赵慧洁2010.10.152提纲一、目的及意义一、目的及意义二、成像仿真技术研究二、成像仿真技术研究三、基于仿真数据的光谱特征分析初探三、基于仿真数据的光谱特征分析初探四、结论四、结论3目的及意义主要矛盾：主要矛盾：数据爆炸数据爆炸 VS. 信息饥渴信息饥渴 波段多波段多 信噪比差信噪比差本质问题：本质问题：数据的应用能力？数据的应用能力？解决途径：解决途径： 光谱的稳定的特征光谱的稳定的特征 数据处理方法数据处理方法实现方法：实现方法： 面向具体应用的载荷指标设计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针对确定载荷性能指标的应

2、用能力分析限制高光谱遥感应用限制高光谱遥感应用促进高光谱遥感应用促进高光谱遥感应用4成像仿真技术框架5 德国航天研究中心（德国航天研究中心（DLR），光学遥感系统性能分析软件），光学遥感系统性能分析软件（SENSAT和和SENSOR），分别用于星载红外侦察传感器或对地），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像光谱仪PRISM的应用潜力分析和参数指标优化设计。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（从紫外到长美国空军研究实验室和光谱科学有限

3、公司，全光谱（从紫外到长波红外）地面场景模型波红外）地面场景模型MCScene，为特征提取等算法验证和传感，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。器设计提供了准确、稳定、有效的手段。 美国国防部和美国国防部和MIT 林肯实验室，针对林肯实验室，针对Warfighter搭载的成像光谱搭载的成像光谱仪开展了高光谱技术评价计划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，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。以及确定高价值应用的系统软件。

4、 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6SENSOR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美国林肯实验室，端到端的高光谱成像系统数学模型FASSP，支，支持高光谱传感器系统设计和参数优化研究。持高光谱传感器系统设计和参数优化研究。 加拿大空间局与加拿大空间局与ABB公司，针对公司，针对CATSI的高光谱成像仪技术评价的高光谱成像仪技术评价计划计划HITAP，为数据应用、任务计划与仪器设计提供仿真

5、试验平，为数据应用、任务计划与仪器设计提供仿真试验平台。台。 美国佛罗里达理工学院（美国佛罗里达理工学院（FIT）和）和Kestrel公司，高光谱成像仪模公司，高光谱成像仪模型程序（型程序（HIMP），用于），用于MightySat II.1卫星空间调制型干涉成像卫星空间调制型干涉成像光谱仪（光谱仪（FTHSI）的在轨性能预测。）的在轨性能预测。 美国美国Rochester技术研究所，数字图像与遥感图像生成模型技术研究所，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，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。据处理算法测试

6、等方面。7成像仿真实例- 光学遥感系统仿真软件光学遥感系统仿真软件SENSOR 由德国航天中心和瑞士苏黎世由德国航天中心和瑞士苏黎世大学联合开发大学联合开发 可模拟可模拟0.4-2.5m的的高光谱成像高光谱成像数据数据 用于欧空局用于欧空局APEX（Airborne PRISM Experiment）项目传感）项目传感器的器的应用潜力分析和参数指标优应用潜力分析和参数指标优化设计化设计8成像仿真实例- 数字成像与遥感图像生成软件数字成像与遥感图像生成软件DIRSIG 由美国由美国Rochester理工学院开发理工学院开发 可模拟可模拟0.38-20m的的复原光谱辐复原光谱辐亮度图像数据亮度图像

7、数据 用于用于评价地物分类、目标探测、评价地物分类、目标探测、数据融合等具体应用算法的能力数据融合等具体应用算法的能力，分析现有遥感系统的改进方向以分析现有遥感系统的改进方向以及演示下一代成像系统的功能及演示下一代成像系统的功能9成像仿真发展趋势 物理仿真物理仿真 数字仿真数字仿真 单像元光谱模拟单像元光谱模拟成像数据模拟成像数据模拟 全色图像模拟全色图像模拟 多光谱成像数据模拟多光谱成像数据模拟 高光谱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

8、型和数据模拟方法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10高光谱成像仿真技术研究系统构成11模拟数据的特点：模拟数据的特点：空间分辨率、光谱分辨率、信噪比、空间分辨率、光谱分辨率、信噪比、MTFMTF等为等为仪器仪器本身和数据定标阶段的等效参数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接近实际遥感系统分发给用户的辐亮度（辐亮度（1 1级）级）数据数据 应用处理的结果可近似反映算法对实际数据的应应用处理的结果可近似反映算法对实际数据的应用能力用能力模拟的第一个层面：复原入瞳辐亮度数据模拟1213l 模拟数据实例（模拟数据实例（AVIRISAVIRIS海湾数据）海湾

9、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。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14VIS 5KmVIS 23Km 不同大气能见度下的模拟数据不同大气能见度下的模拟

10、数据 FLAASH大气校大气校正软件对能见度正软件对能见度（大气气溶胶类（大气气溶胶类型及含量等）估型及含量等）估计不准确，会引计不准确，会引起反射率反演误起反射率反演误差差对实测数对实测数据进行大气校正据进行大气校正时，最好同步测时，最好同步测量气溶胶参数，量气溶胶参数，以得到准确的地以得到准确的地面反射率。面反射率。模拟的第一个层面：复原入瞳辐亮度数据模拟15 行数：行数：2000 列数：列数：2000 波段数：波段数：280 量化位数：量化位数：12bits 空间分辨率：空间分辨率：30m 光谱分辨率：光谱分辨率：5/10nm （VNIR/SWIR） 光谱范围：光谱范围：400-2500

11、nm 信噪比：信噪比：200/150 （VNIR/SWIR） MTF（Nyquist）：）：0.260km * 60km宽幅数据示意图（宽幅数据示意图（540nm）模拟的第一个层面：复原入瞳辐亮度数据模拟16模拟的第二个层面：原始DN值数据模拟模拟数据的特点：模拟数据的特点：- - 接近实际遥感系统获得的接近实际遥感系统获得的原始像面原始像面（0 0级）级）数据数据- - 预处理后得到相当于地面系统分发给用户的预处理后得到相当于地面系统分发给用户的辐亮度（辐亮度（1 1级级）数据）数据- - 应用处理的结果可应用处理的结果可较准确反映较准确反映算法对实际数算法对实际数据的应用能力据的应用能力1

12、7光栅色散型高光谱成像仪模拟模拟DN值图像值图像DN值图像重排值图像重排18时空调制型傅里叶变换成像光谱仪模拟模拟DN值图像值图像19仿真模型与软件集成仿真模型与软件集成仿真模型集成与验证仿真模型集成与验证主控分系统主控分系统仿真模型集成与验证仿真模型集成与验证平台与成像位置计算分系统平台与成像位置计算分系统仿真模型集成与验证仿真模型集成与验证DN值图像模拟分系统值图像模拟分系统23模拟数据初步验证24东天山铜矿试验区v星载成像光谱星载成像光谱数据：数据：Hyperion，2002.12.9；v机载成像光谱机载成像光谱数据：数据：HyMap，2002.10；v地面样品光谱地面样品光谱数据：数据

13、：PIMA，2004.10.18。vHyMap数据处理：辐亮度数据处理：辐亮度大气校正大气校正交轨亮度校交轨亮度校正正几何粗校正几何粗校正拼接镶嵌拼接镶嵌v由由HyMap反射率数据反射率数据 模拟模拟 Hyperion 几何粗校正的几何粗校正的辐亮度数据（辐亮度数据（ L1G ）。v比较：比较：v图像目视效果与统计量图像目视效果与统计量v辐亮度光谱相似性辐亮度光谱相似性模拟数据初步验证 （a）模拟数据）模拟数据549.10nm （b）实测数据）实测数据548.92nm （c）模拟数据）模拟数据2306.20nm （d）实测数据）实测数据2304.71nmMinMaxMeanStdSNR模拟数据

14、模拟数据549.10nm2.4322356.9743593.7726610.50078725.0实测数据实测数据548.92nm2.7975007.0875004.0942900.48710134.5相对误差（相对误差（%）13.061.607.86-2.81-模拟数据模拟数据2306.20nm0.0219780.2930400.1164300.04150910.4实测数据实测数据2304.71nm0.0225000.2937500.1248710.04187113.1相对误差（相对误差（%）2.320.246.760.86- 550nm550nm图像比较接近（信噪比略有不足），图像比较接近（

15、信噪比略有不足）， 2305nm2305nm图像基本一致（除了条带效应未模拟）。图像基本一致（除了条带效应未模拟）。 模拟数据初步验证（a）基岩辐）基岩辐亮度光谱亮度光谱（b）方解石）方解石辐亮度光谱辐亮度光谱黑：实测黑：实测红红：模拟：模拟 采样点光谱相关系数光谱角（rad）基岩0.98440.1548方解石方解石0.99500.0803角闪石0.99100.1125滑石+绿泥石0.99380.0813滑石0.99690.0577辐亮度光谱在辐亮度光谱在600nm600nm之后较一致，幅值略有差别；之后较一致，幅值略有差别；在在600nm600nm之前，趋势上存在一定差异，主要由大气模型引起

16、，正在改进。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统计模拟数据与实测数据中十余种地物辐亮度据中十余种地物辐亮度光谱，光谱，对应光谱的相关对应光谱的相关系数在系数在0.980.98以上。以上。模拟数据初步验证（a）实测数据识别矿物）实测数据识别矿物（b）实测数据识别矿物光谱）实测数据识别矿物光谱（c）模拟数据识别矿物）模拟数据识别矿物（d）模拟数据识别矿物光谱）模拟数据识别矿物光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2264.32286.02306.2滑石+绿泥石2284.52286.02316.3滑石2314.82316.32356.

17、7方解石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虽然模拟与实测辐亮度光谱较一致，但一致，但FLAASH反演反射率反演反射率有差别，模拟数据识别矿物种有差别，模拟数据识别矿物种类更多，类更多，需进一步加强辐亮度需进一步加强辐亮度与反射率的对应机理分析与反射率的对应机理分析。模拟数据初步验证误差分析误差分析v模拟过程中忽略了模拟过程中忽略了HyMapHyMap反射率数据本身具有的误差。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，由于无配套大气参数，模拟过程利用了标准大气模式，与与HyperionHyperion数据实际获取时的大气

18、状况不一致。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模拟数据的中心波长位置与HyperionHyperion数据有细微偏差。数据有细微偏差。如下表，相对于如下表，相对于10nm10nm的波段采样间隔和的波段采样间隔和FWHMFWHM，此差异较，此差异较小，对辐亮度影响不大。小，对辐亮度影响不大。vHymapHymap数据和数据和HyperionHyperion数据的几何校正误差共同形成定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。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、未模拟条带、smilesmile等等HyperionHyp

19、erion数据中的非理想特性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。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29星星- -机机- -地准同步高光谱成像数据获取地准同步高光谱成像数据获取v星载成像光谱数据：星载成像光谱数据：HJ-1HJ-1超光谱成像仪准同步；超光谱成像仪准同步；v机载成像光谱数据：机载成像光谱数据：PHI,PHI,已进行了辐亮度复原和几已进行了辐亮度复原和几何粗校正，正进行反射率反演何粗校正，正进行反射率反演 ；v地面成像光谱数

20、据：自研地面成像光谱数据：自研AFHIAFHI，已完成辐亮度复原，已完成辐亮度复原， 正进行拼接镶嵌；正进行拼接镶嵌；v地面光谱数据：地面光谱数据：ASDASD（2020余种地物，余种地物，50005000余条）；余条）；v大气参数：大气参数：CE318CE318。为仿真模型的验证奠定了良好的数据基础。为仿真模型的验证奠定了良好的数据基础。其他的验证试验其他的验证试验30星-机-地准同步高光谱成像数据获取31星-机-地准同步高光谱成像数据获取32星-机-地准同步高光谱成像数据获取33基于仿真数据的光谱特征分析初探基于仿真数据的光谱特征分析初探数据源：数据源：v东天山局部东天山局部HyMap反射

21、率数据（铜矿反射率数据（铜矿分布区：分布区：94520”-9410E，4210-421230”N）模拟数据：模拟数据：v遥感器复原辐亮度数据（遥感器复原辐亮度数据（1级数据）级数据）v模拟数据经模拟数据经ENVI-FLAASH大气校正得大气校正得到地面反射率到地面反射率34模拟成像参数：模拟成像参数：v成像时间：成像时间：6月月1日日 6:30 （GMT）v轨道高度：轨道高度：650Kmv观测天顶角：观测天顶角：180v大气类型：中纬度夏季大气类型：中纬度夏季v气溶胶类型：乡村，能见度气溶胶类型：乡村，能见度23Kmv光谱范围：光谱范围：450 - 1000 nm (VNIR), 1000 -

22、 2500 nm (SWIR)v空间分辨率：空间分辨率：30 mv光谱分辨率：光谱分辨率：10 nm v信噪比信噪比: 200/ 150 (VNIR/SWIR) 地面反照率地面反照率0.3，太阳，太阳天顶角天顶角30vMTF ：0.2 (Nyquist频率频率)v量化位数：量化位数：12bitv动态范围：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基于仿真数据的光谱特征分析初探35模拟成像参数（续）模拟成像参数（续）在上述参数基础上，每次变化一项质量指在上述参数基础上，每次变化一项质量指标，生成系列模拟数据：标，生成系列模拟数据：

23、v空间分辨率：空间分辨率：10、15、50、75、100mv光谱分辨率：光谱分辨率：5、15、20、25、30nmv信噪比：信噪比：100/50、300/250、400/350、500/450（VNIR/SWIR）vMTF(奈奎斯特奈奎斯特)：0.25/0.2、0.2/0.1、0.1/0.05、0.05/0.01（静态（静态/动态）动态）v能见度：能见度：2、5、10、23、50kmv观测天顶角：观测天顶角：180、170、160、150基于仿真数据的光谱特征分析初探基于仿真数据的光谱特征分析初探36基于仿真数据的光谱特征分析初探基于仿真数据的光谱特征分析初探37u由地质资料与地面调查研究得到

24、该实验区的主要矿由地质资料与地面调查研究得到该实验区的主要矿物：物：方解石、蛇纹石、富铝绢云母、滑石、盐化等方解石、蛇纹石、富铝绢云母、滑石、盐化等五种矿物五种矿物。u采用不同空间分辨率、光谱分辨率、采用不同空间分辨率、光谱分辨率、SNRSNR、MTFMTF模拟模拟数据进行矿物识别与填图应用能力分析；数据进行矿物识别与填图应用能力分析；u光谱特征提取综合考虑光谱特征提取综合考虑吸收特征位置、吸收宽度与吸收特征位置、吸收宽度与吸收深度吸收深度；u端元提取采用基于端元提取采用基于高阶统计的方法高阶统计的方法；u矿物识别主要基于矿物识别主要基于主次吸收特征的光谱匹配识别主次吸收特征的光谱匹配识别方方

25、法，识别准则采用法，识别准则采用光谱特征相似度量方法光谱特征相似度量方法（包括反（包括反射率幅值与特征位置、深度、宽度等）射率幅值与特征位置、深度、宽度等）基于仿真数据的光谱特征分析初探基于仿真数据的光谱特征分析初探3815m空间分辨率结果（空间分辨率结果（75%缩小）缩小）30m空间分辨率结果空间分辨率结果10m空间分辨率结果（空间分辨率结果（75%缩小）缩小）50m空间分辨率结果空间分辨率结果75m空间分辨率结果空间分辨率结果100m空间分辨率结果空间分辨率结果39蛇纹石光谱比较蛇纹石光谱比较v 蛇纹石图像中蛇纹石图像中分布集中分布集中，在在2320nm2320nm左右左右具有较强的具有较

26、强的光谱吸收特征；光谱吸收特征；v 10m-50m10m-50m图像中的蛇纹石图像中的蛇纹石2320nm2320nm光谱特征明显光谱特征明显；v 75m75m、100m100m图像中由于混合图像中由于混合像元的存在，蛇纹石光谱像元的存在，蛇纹石光谱特征特征漂移到漂移到2340nm2340nm左右左右，并且并且100m100m图像中的吸收特图像中的吸收特征变浅征变浅v 100m100m图像中未能实现准确图像中未能实现准确识别识别40盐化光谱比较盐化光谱比较v 盐化图像中盐化图像中分布较分散分布较分散，在，在2240nm2240nm、2340nm2340nm左右左右具有较强的光谱吸收特具有较强的光

27、谱吸收特征；征；v 10m10m、15m15m图像中的盐化图像中的盐化2240nm、2340nm光谱特征明显光谱特征明显；v 30m30m图像中盐化光谱特征发生漂移图像中盐化光谱特征发生漂移至至2330nm2330nm ，且只有，且只有1 1个吸收特征，个吸收特征，未能准确识别；未能准确识别；v 50-100m50-100m图像中盐化虽然具有两个图像中盐化虽然具有两个吸收特征，由于混合像元效应等，吸收特征，由于混合像元效应等，光谱特征漂移到光谱特征漂移到2260nm2260nm、2360nm2360nm，未能实现准确识别未能实现准确识别41u光谱范围：光谱范围：400-2500nm400-25

28、00nm；u光谱分辨率：光谱分辨率：10nm10nm； uSNRSNR：200:1(VNIR),150:1(SWIR)200:1(VNIR),150:1(SWIR)；u大气能见度：大气能见度：23km23km；u观测天顶角：观测天顶角：180180度度；uMTFMTF：0.2Nyquist频率频率。其他参数设置情况其他参数设置情况42- 不同不同空间分辨率的模拟数据应用试验结论：空间分辨率的模拟数据应用试验结论：l空间分辨率降低，识别端元种类明显减少，空间分空间分辨率降低，识别端元种类明显减少，空间分布细节减弱。布细节减弱。l空间分布较少的矿物，随着空间分辨率下降，混合空间分布较少的矿物，随着

29、空间分辨率下降，混合像元效应明显，无法有效探测与识别。像元效应明显，无法有效探测与识别。l若想得到包含若想得到包含9种以上蚀变矿物类型的填图结果，数种以上蚀变矿物类型的填图结果，数据的空间分辨率需要高于据的空间分辨率需要高于30m。435 nm光谱分辨率结果光谱分辨率结果10 nm光谱分辨率结果光谱分辨率结果15、20 nm光谱分辨率结果光谱分辨率结果25、30 nm光谱分辨率结果光谱分辨率结果44蛇纹石光谱比较蛇纹石光谱比较v 蛇纹石图像中蛇纹石图像中分布集中分布集中，在，在2320nm2320nm左右左右具有较强的光谱具有较强的光谱吸收特征；吸收特征；v 5nm-20nm5nm-20nm图

30、像中的蛇纹石图像中的蛇纹石2320nm2320nm光谱特征明显光谱特征明显；v 25nm25nm、30nm30nm图像中由于光谱图像中由于光谱分辨率下降，蛇纹石光谱特分辨率下降，蛇纹石光谱特征征变浅变浅，但在，但在2320nm2320nm仍具有仍具有较明显的吸收特征较明显的吸收特征；v 5nm-30nm5nm-30nm图像中均能实现准图像中均能实现准确识别。确识别。45- 不同不同光谱分辨率的模拟数据应用试验结论：光谱分辨率的模拟数据应用试验结论： 光谱分辨率降低，识别端元种类减少不明显，但空光谱分辨率降低，识别端元种类减少不明显，但空间分布细节有所减弱，部分矿物出现混淆。间分布细节有所减弱，部分矿物出现混淆。 采用基于高阶统计特性的方法时，数据的光谱分辨采用基于高阶统计特性的方法时，数据的光谱分辨率对填图结果的影响不明显。率对填图结果的影响不明显。46信噪比信噪比100/50（VNIR/SWIR）结果）结果信噪比信噪比200/150（VNIR/SWIR）结果）结果信噪比信噪比300/250、400/350、500/450结果结果47蛇纹石光谱比较蛇纹石光谱比较v 蛇纹石图像中蛇纹石图像中分布集中分布集中，在，在2320nm2320nm左右左右具有较强的光谱具有较强的光谱吸收特征；吸收特征；v SNR100(VNIR)/50(SWIR