高光谱遥感监测土壤含水量研究进展

土壤含水量是监测旱情墒情的关键参量,近年来在利用高光谱遥感数据监测土壤含水量方面,国内外进行了大量的研究。文章首先在分析利用不同波段监测土壤含水量的原理及优缺点基础上,指出高光谱遥感监测的独特优势和问题。并以此为出发点,从机理上归纳了土壤含水量对土壤反射率的整体影响,以及对不同波段响应的差异。在此基础上,从物理机理和统计方法两个方面,总结了土壤含水量与土壤反射率的关系。并分析和评价了各模型及统计方法中的关键问题和优缺点。以往研究土壤含水量与土壤反射率关系的实验方法中往往存在一些问题,文章也一一指出并提出了解决方案。同时,探讨了高光谱在消除植被影响,更好地反演土壤含水量方面的可行性。最后对未来的研究方向进行了展望。     

多角度偏振高光谱的农田土壤肥力模型研究

随着精准农业这一理念的提出,快速精确获取农业信息成为人们关注的重点。偏振遥感因其结合了多角度遥感的特点,高光谱遥感和微波遥感的特点,从而能在不破坏地物的基础上提高探测和识别地物的准确度。以往的研究主要以单一土壤肥力指标为主。该实验通过实测吉林省典型地区农田土壤在不同状态下的光谱曲线,探讨了在确定最佳观测条件下的土壤肥力综合指标IFI与土壤光谱曲线的关系。结果表明光线探测天顶角、探测方位角、偏振状态均会在一定条件下影响土壤光谱曲线,但对光谱的形状和走向影响不大。在保证设备可达条件下,设计出遥感中监测土壤肥力的最佳方式。通过对光谱数据进行一阶微分和倒数的对数运算,在选定的特征波段上建立相应的肥力模型。结果表明土壤肥力与光谱反射比呈现明显的负相关关系,和光谱吸光度呈现明显的正相关关系,与光谱反射比的一阶微分相关关系不确定。在利用光谱反射比、光谱一阶反射比和吸光度特征参数进行土壤肥力估算时,发现光谱反射比与土壤肥力的二次函数拟合优度最佳,在560和860 nm处决定系数分别达到0.876和0.867。     

空间大气遥感高光谱成像仪光学系统设计

多模式高光谱成像仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据多模式空间大气遥感的研究目标,采用扫描系统、离轴抛物面望远系统和双光谱仪级联色散光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个瞬时视场1.8°×0.045°、相对孔径1/2、工作波段250~500nm的星载天底-临边多模式高光谱成像仪光学系统,分成250~330nm和320~500nm两个波段同时探测,利用光学设计软件ZEMAX-EE中进行了光线追迹和优化设计,色散方向不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于9.5μm,在250~330nm波段,光谱分辨率为0.17nm,在320~500nm波段,光谱分辨率为0.37nm,均满足小于等于0.6nm的指标要求,高光谱成像仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.9以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

无人机高光谱成像仪场地绝对辐射定标及验证分析

利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,对航飞中搭载的高光谱成像仪进行了场地绝对辐射定标。采用朗伯性较好、且光谱性能均一,反射率分别为4.5%,20%,30%,40%,50%和60%的6块高光谱辐射性能灰度靶标,利用反射率基法对高光谱成像仪进行绝对辐射定标。为了验证辐射定标结果,实验中另外铺设了四块高光谱性能辐射刃边靶标用以模拟在自然地物中出现反射峰或吸收峰时采用辐射定标系数计算表观辐亮度所产生的差异。结果表明因仪器噪声较大,在前15个波段(蓝光波段)误差较大。在靶标光谱较为均一的波段定标反演误差较小,一般小于10%,而在靶标光谱出现反射峰区段则误差较大,但一般在10%～25%之间。     

宽视场航空高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径航空高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴两镜消像散望远镜和改进型Offner光谱仪匹配的结构型式,设计了一个视场40°、相对孔径1/2.2、工作波段0.4~1.0μm的航空高光谱成像仪光学系统,在传统Offner光谱仪中插入同心弯月透镜来提高Offner光谱仪的相对孔径和成像质量.运用光学设计软件ZEMAX对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结构进行了分析.结果表明:光学系统各个波长的光学传递函数在奈奎斯特频率28lp/mm处均达到0.67以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6.5%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且体积小、重量轻,适合航空遥感应用.     

宽视场大相对孔径高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的应用需求。根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为40°、相对孔径为1/1.8、工作波段为0.35~1.05μm的航空遥感高光谱成像仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理,运用光学设计软件Zemax对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,设计的光学系统在各个波长的光学传递函数均不小于0.82,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的5%。这便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且系统体积小、重量轻,适合于航空遥感应用。     

矿区复垦农田土壤重金属含量的高光谱反演分析

以矿区复垦农田土壤为研究对象,利用实验室获取的土壤重金属元素砷(As)、锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)和铅(Pb)的含量与土壤可见近红外高光谱数据建立重金属元素含量的定量估算模型。为了保证模型预测的精度和稳定性,首先,对原始光谱数据进行平滑处理,并进行光谱变换,即：一阶导数,标准正态变量变换及连续统去除变换;然后,通过相关性分析提取不同变换光谱的特征波段;最后,将最小二乘支持向量机与传统的多元线性回归和偏最小二乘回归方法的结果相比较。研究表明：(1)以不同变换光谱数据建立反演模型均有较好的稳定性并达到一定精度,其中以最小二乘支持向量机方法优于偏最小二乘回归优于多元线性回归模型(除少数几个情况外);(2)从不同光谱变换数据中提取的光谱特征对反演模型结果有一定影响,其中以连续统去除和标准正态变量变换建模结果较好,一阶导数变换稍差。因此,利用高光谱遥感技术来定量估算土壤重金属含量是可行的,而且,必要的光谱预处理对提高估算模型的精度很有帮助。     

傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究

根据光学传递函数理论,定义了光谱成像仪的光谱传递函数. 针对基于Michelson干涉仪的时间调制傅里叶变换（FT）光谱成像仪,基于Sagnac干涉仪、Fresnel干涉仪、Lloyd干涉仪的空间调制FT光谱成像仪,推导出相应的光谱调制传递函数和光谱相位传递函数解析表达式,并分析了其物理意义. 光谱传递函数为评价相应光谱成像仪在光谱域的性能提供了一种量化的判据. 与空间域的光学传递函数相结合,成为反映光谱成像仪综合性能的客观依据. 关键词： 傅里叶变换 光谱成像仪 光谱传递函数     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性

为了确定超光谱成像仪热控指标和开展热设计,研究了超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性。介绍了超光谱成像仪的工作原理以及热光谱特性的含义,分析了棱镜的环境热效应,论述了棱镜热光谱特性研究内容及技术路线,推导了温度变化时棱镜偏转角以及角色散的函数关系,进一步得到光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律。借助有限元分析,比较了K9、熔石英两种材料的棱镜的入射角、顶角、材料色散、光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律,确定了棱镜的热控指标,并设计了热光谱试验。理论分析和试验结果表明由于热变形引起的光谱带宽和光谱分辨率改变可以忽略不计,光谱平移主要由材料折射率温度系数决定;棱镜材料色散(dn/dλ)对温度变化不敏感,因此温度变化对其光谱带宽影响不明显; 本文研究方法合理,结果可信,对确定棱镜的热控指标和优化热设计具有指导意义。     

基于综合高光谱指数的区域土壤盐渍化监测研究

选取新疆塔里木盆地北缘渭干河-库车河三角洲绿洲盐渍化土壤、植被及其光谱反射率为研究对象,对实测土壤、植被高光谱进行包络线、倒数、对数、均方根、一阶微分等各种光谱变换,分析并确定反映盐渍化程度最敏感的波段,结果表明：实测高光谱土壤、植被一阶微分光谱变换对土壤盐渍化响应程度最敏感;基于实测综合光谱指数的盐渍化监测高光谱模型可以准确提取土壤盐渍化信息,明显优于传统遥感方法中单纯利用植被指数或者土壤盐分指数的模型,对土壤盐渍化的高精度遥感监测研究具有较好促进作用。     

土壤氧化铁的高光谱响应研究

通过分析野外采集的13个土种的不同氧化铁含量原始土样和人工配制不同氧化铁含量土样的高光谱特征,研究了氧化铁对土壤反射率、土壤线参数、土壤有机质高光谱特征、土壤反射率光谱曲线形态的影响。研究结果表明,随氧化铁含量的增加,350～570 nm波段反射率降低,570～2 500 nm波段的反射率增加,氧化铁去除量与反射率变化量之间的相关性不明显;氧化铁含量与土壤线斜率呈线性负相关,与截距呈线性正相关,且均达到极显著相关水平,表明利用土壤线参数反演氧化铁含量具有可行性;在622～851 nm波段,氧化铁对有机质的高光谱特征具有明显的抑制作用;通过去包络线和统计F值与光谱角值表明,氧化铁对土壤反射光谱曲线形态有影响。     

无人机载小型多光谱成像仪的设计

多光谱成像仪足一种有效的对地观测工具,航空机载多光谱成像仪在遥感领域得到广泛的应用。介绍一种新的小型多光谱成像仪的设计,以小型化、轻量化研究为特点,使其与小型无人飞机精密结合,成为一种灵活机动的海洋监测工具,将在海洋污染、赤潮发现、原油泄漏等重大事件临测上发挥作用。     

高光谱成像仪等效焦面装调模组设计

高光谱成像仪CCD组件在装调时,纵向需要满足20 μm焦深要求,横向需要实现光谱维、空间维的对准。为了避免检测时对昂贵的CCD频繁安装、拆除,设计了一种等效焦面装调模组。等效模组按照CCD组件的实测尺寸精密制造,提供了可供显微镜观察的模拟光谱像。通过测量实际光谱像和模拟光谱像的位置差别能够获取修磨垫的修整量,并实现光谱像和CCD像元的横向对准。试验表明,存在工具显微镜测量误差、修磨垫加工误差、互换性误差时,光谱像面各处离焦量均小于焦深。试验中仅用3次迭代即达到MTF为0.3的要求,提高了装调效率和操作安全性。     

顾及土壤类型的土壤Zn含量高光谱遥感反演

目前针对土壤重金属的高光谱反演方法大多集中在单一的研究区域或未考虑土壤类型对反演结果的影响,而土壤类型和成土因素的不同会对土壤属性参数的高光谱反演模型的普适性产生一定程度影响。该研究提出一种顾及土壤类型的重金属高光谱遥感反演方法,根据研究区土壤类型,从土壤样本的实验室光谱中提取对重金属起主要吸附作用的土壤光谱活性物质的特征谱段,分别建立基于土壤光谱活性物质特征谱段的重金属含量估算模型。使用改进的遗传算法(IGA)对特征谱段进行波段优选,使用偏最小二乘回归算法(PLSR)建模,使用决定系数(R²)、相对偏差(RPD)和预测均方根误差(RMSEP)三个指标对不同的建模方法进行评价。以湖南省郴州市东河流域铅锌矿矿区的黄壤和红壤样本数据为例,采集38个黄壤样本和35个红壤样本,从土壤样本的实验室光谱中提取对Zn起主要吸附作用的土壤有机质和黏土矿物的特征谱段,均采用IGA+PLSR方法进行建模。结果表明：不考虑土壤类型即利用全部土壤样本进行建模时,与全谱段建模结果相比,基于土壤有机质和黏土矿物特征谱段的重金属Zn含量反演精度的R²由0.624提升到0....     

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

超光谱成像仪狭缝热光谱特性的分析

介绍了在狭缝超光谱成像仪中的重要作用。推导出在温度水平变化时,狭缝宽度尺寸的变化对超光谱成像仪光谱带宽与信噪比的影响,得到了超光谱成像仪狭缝的热光谱特性。比较了两类常见狭缝的热光谱特性,得出热特征尺寸与其导热率乘积越小的狭缝热光谱特性也越好的结论。     

光机热集成分析在高光谱成像仪紫外镜头中的应用

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化,采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上,建立了紫外镜头的热 结构分析模型,得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果,并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明,在镜头的工作范围内,镜头的调制传递函数在12 lp/mm处均在0.7左右,能满足高光谱成像光谱仪的使用要求,同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。     

土壤高光谱噪声过滤评价研究

以ASD FieldSpec Pro FR测试的土壤高光谱数据为研究对象,探讨光谱噪声分布以及不同滤波器去噪效果定量评价。土壤高光谱曲线目视及其包络线去除、一阶微分和高通滤波分析表明,除起始波段350 nm最前端40 nm范围内有部分噪声外,其他UV/VNIR(350～1 050 nm)范围内基本不存在噪声,而整个SWIR(1 000～2 500 nm)范围内存在一定的噪声,SWIR 2(1 800～2 500 nm) 后半段噪声较大,并且组成光谱仪的3台分光计在相互结合处,噪声比邻近谱段更大。采用六种不同滤波器进行噪声去除,通过构建光谱平滑指数(SI)、横向特征保持指数(HFRI)和纵向特征保持指数(VFRI)进行定量评价各滤波器去噪能力,评价结果对比发现WD和MA既能达到曲线平滑又能较好地保持波段特征。此外在PLSR模型下,以66个土壤样本的光谱为例,将六种滤波器去噪后的一阶微分光谱作为模型输入,比较分析不同滤波器对砂粒含量预测精度影响,精度对比表明,相比滤波器的特征保持能力,平滑能力更能影响砂粒含量精度。本研究为开展光谱预处理和光谱分析技术提供有益探索,并能为光谱学相关应用提供了科学依据。