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高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

萊森光學(xué) ? 來源:萊森光學(xué) ? 作者:萊森光學(xué) ? 2022-05-17 10:16 ? 次閱讀

高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在地物分布反演方向。這一應(yīng)用是基于提取光譜影像中不同地物在不同波段對(duì)電磁波的不同反射率特征,并與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量已知礦物得到的參照光譜進(jìn)行對(duì)比,從而通過未知地物與已知礦物間相同的特征吸收波長(zhǎng)來確定地物的種類。

1高光譜遙感的技術(shù)背景

含有金屬離子(如鐵,鎳,鉻等)的礦物,光譜特征往往集中于可見光和近紅外波段(VNIR),受這些金屬離子的電子過程的影響,電磁波在通過這些礦物時(shí),會(huì)在VNIR波段上呈現(xiàn)出被反射或被傳遞的現(xiàn)象。在波長(zhǎng)1400nm和1900nm的波段上,電磁波主要被水分子吸收,同時(shí)氫氧基的吸收特征也位于波長(zhǎng)1400nm的波段。地質(zhì)領(lǐng)域常用的化合物中,AL-OH的吸收波段位于2200nm,Mg-OH位于2300nm,而2320-2350nm波長(zhǎng)波段上的特征則是碳酸鹽礦物吸收的結(jié)果(Awadetal.,2018)。

2高光譜成像光譜儀的發(fā)展

世界上最早的高光譜光譜儀是美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)于上世紀(jì)七十年代早期開發(fā)的掃描式光譜成像儀系統(tǒng),1981年NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開發(fā)出了第一款空基高光譜成像光譜儀系統(tǒng),其在1.2μm~2.4μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)擁有128個(gè)波段。1993年JPL又開發(fā)出了更加先進(jìn)的空基高光譜成像光譜儀,這一系統(tǒng)把光譜分辨率提高到了10nm的水平,即在0.4-2.5μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)共有224個(gè)連續(xù)的光譜波段,是目前較為常用的高光譜機(jī)載成像光譜儀系統(tǒng)。世界上第一枚成功的高光譜遙感衛(wèi)星是NASA在NMP項(xiàng)目框架下研發(fā)的Earth-Observing(EO)-1衛(wèi)星,這顆軌道高度705km的太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道角度為98.7°。它可以提供從0.4μm~2.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)帶有220個(gè)連續(xù)光譜波段的高光譜影像。

3高光譜影像的數(shù)據(jù)處理

在遙感地質(zhì)學(xué)的研究中,為遂行礦物制圖和地質(zhì)調(diào)查等研究目的,工作人員需要對(duì)獲取的高光譜影像進(jìn)行一系列諸如光譜重建,端元提取和信息分析等一系列的數(shù)據(jù)處理過程,產(chǎn)出高光譜影像數(shù)據(jù)的產(chǎn)品,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

3.1光譜重建

高光譜遙感的光譜重建主要包括傳感器標(biāo)定,建立坐標(biāo)和大氣校正三個(gè)主要步驟。其目的是將傳感器接收到的輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的地表反射率信號(hào),為后續(xù)的高光譜數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。傳感器標(biāo)定利用同一傳感器在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)目標(biāo)地物成像獲取的光譜數(shù)據(jù)和該傳感器在空基/天基平臺(tái)搭載的條件下對(duì)目標(biāo)地物成像獲取光譜間的對(duì)比,來評(píng)估傳感器光子計(jì)量與輻射探測(cè)間的關(guān)系,進(jìn)而建立傳感器的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和單通道光譜效應(yīng)函數(shù)模型或傳感器標(biāo)定的理論模型。從而消除傳感器對(duì)獲取光譜數(shù)據(jù)的影響,完成定標(biāo)。一般來說,使用高光譜遙感數(shù)據(jù)的研究人員得到的數(shù)據(jù)都是已經(jīng)經(jīng)過傳感器定標(biāo)的純輻射數(shù)據(jù)。同時(shí),搭載這些高光譜成像光譜儀的載具往往同時(shí)搭載有衛(wèi)星定位和慣性導(dǎo)航系統(tǒng),可以準(zhǔn)確地給出當(dāng)傳感器獲取地物反射光譜時(shí)所處的位置,并給出傳感器高度信息,依托這兩類數(shù)據(jù),研究人員可以為光譜影像精確地建立地理坐標(biāo)系。對(duì)高光譜遙感影像的大氣校正,其目的是消除地球大氣層中的水蒸氣,氧氣,氣溶膠以及其他成分因其在特定波段對(duì)電磁波的吸收作用所造成的對(duì)傳感器所獲取的目標(biāo)地物光譜的干擾和影響。在經(jīng)過大氣校正后,傳感器所探測(cè)到的輻射信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)化為地表反射光譜信號(hào),從而進(jìn)行地物分類等地質(zhì)學(xué)研究。

3.2端元提取

隨著高光譜遙感技術(shù)的興起,大量的端元提取技術(shù)也隨之蓬勃發(fā)展起來。其中較為常用的有空間-光譜協(xié)同端元提取法和主成分分析法(PCA)。在這兩種方法中,SSEE法又是目前應(yīng)用最廣。在得到SSEE算法輸出的端元后,這些端元會(huì)與光譜庫(kù)中已知礦物的光譜以光譜吸收波段為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,挑選出其中與已知礦物最為接近的候選端元,并定名為相應(yīng)的礦物,用于下一步的礦物識(shí)別。

3.3礦物識(shí)別分類

在得到經(jīng)過定名的光譜端元后,這些端元會(huì)被作為參照系與整張高光譜影像中的每一個(gè)像素所攜帶的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,并將相似光譜所屬像素標(biāo)記為相對(duì)應(yīng)的礦物,從而完成礦物的識(shí)別分類,生產(chǎn)出光譜礦物圖。較為常用的幾種分類方法包括將端元光譜和像素?cái)y帶光譜均轉(zhuǎn)化為矢量并比較其夾角大小進(jìn)而完成分類的光譜角法(SAM);對(duì)上述兩光譜進(jìn)行線性最小二乘法計(jì)算并借此完成對(duì)比的光譜特征適應(yīng)法(SFF)和將上述兩光譜投影到多維空間,并對(duì)比兩個(gè)向量的幾何差別的歐幾里得距離法等等多種方法。目前光譜角法是最常用的遙感數(shù)據(jù)分類方法,但其結(jié)果也存在著一定的問題,等待著學(xué)者的進(jìn)一步研究與完善。

4 結(jié)

高光譜遙感地質(zhì)學(xué)正隨著精密光學(xué)儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而快速發(fā)展著,截至目前,其主要的研究工作集中在地質(zhì)制圖方向上,而在地質(zhì)研究領(lǐng)域中也越來越重視遙感數(shù)據(jù),野外數(shù)據(jù)和地球物理數(shù)據(jù)的綜合考慮。遙感地質(zhì)學(xué)正在彌合遙感技術(shù)與傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的鴻溝,向著多學(xué)科交叉領(lǐng)域進(jìn)一步前進(jìn)。

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萊森光學(xué)-多旋翼無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)光譜范圍400-1000nm/900-1700nm,由高性能高光譜相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、高清相機(jī)、GNSS模塊、機(jī)載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)載供電模塊、地面站模塊等部分組成。核心載荷高光譜相機(jī)完全自主研發(fā),采用1英寸大靶面CCD圖像傳感器具有高光譜分辨率、高靈敏度、大視場(chǎng)及優(yōu)異的成像性能,配合定制開發(fā)的高性能穩(wěn)定云臺(tái),能夠有效降低飛行過程中無人機(jī)抖動(dòng)引起的圖像扭曲與模糊;同時(shí)與GPS同步觸發(fā),實(shí)現(xiàn)可見光照片匹配同步GPS信息;通過地面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)時(shí)觀測(cè)飛行器采樣點(diǎn)并可利用地面端設(shè)置采集的航線預(yù)覽及矯正功能;有輻射度校正、反射率校正、區(qū)域校正等批處理能力。輔助相機(jī)可實(shí)時(shí)可見、監(jiān)控拍攝效果,有圖像實(shí)時(shí)回傳功能;有輻射度校正、反射率校正、區(qū)域校正等批處理能力,光譜相機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)曝光、自動(dòng)掃描速度匹配、輔助攝像頭功能、支持遠(yuǎn)程遙控、支持巡航、慣導(dǎo)采集模式,數(shù)據(jù)支持Envi等主流遙感軟件,實(shí)時(shí)常用植被指數(shù)計(jì)算功能、光譜及圖像數(shù)據(jù)預(yù)覽、建庫(kù)、建立指標(biāo)解譯庫(kù)等功能。

萊森光學(xué)-多旋翼無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)與大疆M600 pro/M300RTK無人機(jī)完美適配,支持同類型的多種無人機(jī);系統(tǒng)支持配件升級(jí)及定制化開發(fā),為教育科研、智慧農(nóng)業(yè)、林業(yè)調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、軍事反偽裝等行業(yè)高端應(yīng)用領(lǐng)域提供高性能解決方案。

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高光譜成像相機(jī)/便攜式高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

光譜范圍400-1000nm或900-1700nm,分辨率優(yōu)于3nm

獨(dú)有高光通量分光成像設(shè)計(jì)、信噪比靈敏度高

高性能CMOS/CCD/InGaAs(TE Cooled)圖像傳感器,數(shù)據(jù)格式支持ENVI,支持多區(qū)域ROI

可選配電控自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)、自動(dòng)曝光、自動(dòng)成像掃描匹配

全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì),點(diǎn)列斑直徑小于0.5像元

多種焦距物鏡鏡頭(12.5/25mm/35mm/75mm)可根據(jù)用戶需求更換物鏡

多種光學(xué)附件可選:戶外太陽(yáng)光源、實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)勻化光源工作臺(tái)、三腳架(野外專用)、數(shù)據(jù)線、電源線、電源(外置電源模塊)、儀器便攜式手提箱(定制三防箱)、專業(yè)高光譜采集軟件

萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀是萊森光學(xué)(LiSen Optics)專門用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品,由于其操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。iSpecField系列地物光譜儀光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm,采用了工業(yè)級(jí)觸控顯示屏手柄探頭,手柄探頭同時(shí)采用了獨(dú)有光學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)置攝像頭(相機(jī))、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制,同時(shí)地物光譜儀主機(jī)與工業(yè)級(jí)觸控顯示屏手柄探頭一體化設(shè)計(jì),可野外現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行地物光譜操作測(cè)量,野外操作更加便捷方便,非常適合復(fù)雜的野外地物光譜測(cè)量。

萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀主要技術(shù)特點(diǎn)

光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm,固定全息光柵一次性快速掃描分光

2048像素面陣BT-CCD,256/512像元InGaAs,高像素雙路探測(cè)器同步測(cè)量,光譜精度高、分辨率高

主機(jī)與工業(yè)級(jí)觸控顯示手柄探頭一體化結(jié)構(gòu),野外測(cè)量無需額外電腦,操作靈活

最短積分時(shí)間30微秒,測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大,7吋高清觸控顯示遠(yuǎn)程觸發(fā)一鍵測(cè)量

內(nèi)置>800萬像素自動(dòng)對(duì)焦攝像頭(相機(jī))、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制

GPS定位、地物圖像、角度測(cè)量、距離測(cè)量、空氣溫濕度測(cè)量與光譜實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)同步

SpecAnalysis專用地物分析軟件,兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件,嵌入了USGS數(shù)據(jù)庫(kù)和NDVI等13個(gè)植被指數(shù)

豐富測(cè)量光學(xué)配件:標(biāo)準(zhǔn)白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、手槍式光纖探頭、室內(nèi)太陽(yáng)光源、視場(chǎng)角鏡頭、BRDF測(cè)量附件、透反射實(shí)驗(yàn)室支架裝置、遠(yuǎn)程觸發(fā)器等可滿足野外和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量需求,可實(shí)現(xiàn)透射反射率、輻照度、輻亮度等測(cè)試

大容量電池,續(xù)航時(shí)間4-5小時(shí),供電電池模塊可拆卸,可配置備用電池模塊,滿足長(zhǎng)時(shí)間野外測(cè)量

審核編輯:湯梓紅
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    的頭像 發(fā)表于 05-06 14:57 ?1238次閱讀
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    無人機(jī)遙感技術(shù)農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

    農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,病蟲害是使得作物產(chǎn)量減少的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法不僅操作繁瑣且效率低下,因此急需尋找一種高效、快速而又不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成破壞的監(jiān)測(cè)手段。在這一挑戰(zhàn)面前,無人機(jī)遙感技術(shù)的涌現(xiàn)為解決農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)問題提供了全新的途徑
    的頭像 發(fā)表于 04-25 15:13 ?935次閱讀
    無人機(jī)<b class='flag-5'>遙感技術(shù)</b><b class='flag-5'>在</b>農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中的<b class='flag-5'>應(yīng)用研究</b>

    光譜成像技術(shù)如何改善現(xiàn)有遙感技術(shù)的局限性?

    隨著科技的不斷進(jìn)步,遙感技術(shù)地球觀測(cè)、資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中發(fā)揮著日益重要的作用。然而,傳統(tǒng)的遙感技術(shù)分辨率、準(zhǔn)確性和信息獲取能力等
    的頭像 發(fā)表于 02-21 10:52 ?496次閱讀
    <b class='flag-5'>高</b><b class='flag-5'>光譜</b>成像<b class='flag-5'>技術(shù)</b>如何改善現(xiàn)有<b class='flag-5'>遙感技術(shù)</b>的局限性?

    如何開展光譜成像技術(shù)農(nóng)業(yè)遺傳育種中的應(yīng)用研究?

    成像技術(shù)逐漸成為一種有效的工具,能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)遺傳育種提供新的解決方案。 了解光譜成像技術(shù) 光譜
    的頭像 發(fā)表于 02-20 14:54 ?669次閱讀
    如何開展<b class='flag-5'>高</b><b class='flag-5'>光譜</b>成像<b class='flag-5'>技術(shù)</b><b class='flag-5'>在</b>農(nóng)業(yè)遺傳育種中的<b class='flag-5'>應(yīng)用研究</b>?

    光譜成像與遙感技術(shù):哪個(gè)更適合環(huán)境監(jiān)測(cè)?

    略有不同。本文中,我們將深入研究光譜成像和遙感技術(shù),并探討它們環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,以確定哪種
    的頭像 發(fā)表于 01-26 14:43 ?486次閱讀
    <b class='flag-5'>高</b><b class='flag-5'>光譜</b>成像與<b class='flag-5'>遙感技術(shù)</b>:哪個(gè)更適合環(huán)境監(jiān)測(cè)?

    無人機(jī)遙感技術(shù)礦山開發(fā)中的應(yīng)用研究

    、應(yīng)急監(jiān)測(cè)等。隨著礦產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展以及對(duì)高效率、高精度、經(jīng)濟(jì)性礦山區(qū)域管理的要求,無人機(jī)遙感技術(shù)礦山開采和監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。采礦過程的各個(gè)階段可分為勘探、開采和復(fù)墾。
    的頭像 發(fā)表于 11-24 10:00 ?498次閱讀
    無人機(jī)<b class='flag-5'>遙感技術(shù)</b><b class='flag-5'>在</b>礦山開發(fā)中的<b class='flag-5'>應(yīng)用研究</b>