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2025-01-21 09:30:56機載高光譜
機載高光譜是安裝在航空器上的遙感技術(shù)，用于獲取地表物體的高光譜信息。其基本原理是通過光譜儀收集地表反射的太陽光，形成連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)，進而分析地物的化學(xué)成分和物理特性。機載高光譜廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦產(chǎn)勘探、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，能夠提供精確的地表信息，支持資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害評估等工作，為科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用提供重要數(shù)據(jù)支持。

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2023-01-10 13:08:36高光譜遙感數(shù)據(jù)處理系列（一）高光譜數(shù)據(jù)讀取與可視化
高光譜遙感數(shù)據(jù)處理系列（一）地表反射的太陽輻射包含著豐富的信息，從太陽外層大氣的吸收到地球大氣的吸收，經(jīng)過與地物的相互作用反射回大氣，最 終被傳感器捕獲。高光譜遙感可以在每個像元獲取高分辨率的光譜數(shù)據(jù)，這些光譜信息提供了一種理解事物的新的維度。下圖展示了幾種典型地物的光譜?？梢钥闯霾煌匚镎宫F(xiàn)出顯著不同的光譜特征。除此之外，同種地物在不同狀態(tài)下，也可能在特定波段展現(xiàn)出顯著不同的光譜特征。通過比對光譜數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對地物區(qū)分，狀態(tài)區(qū)分，異常監(jiān)測等難以通過傳統(tǒng)遙感手段實現(xiàn)的應(yīng)用。高光譜遙感被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)、礦業(yè)、環(huán)境、保險、等領(lǐng)域。太陽輻射與典型地物反射率通常彩色影像有紅綠藍三個波段，多光譜影像有幾到十幾個波段，而高光譜影像有著幾十到上百個波段。波段的增加除了提高了信息量，還使得數(shù)據(jù)量成比例增加。這種數(shù)據(jù)量對計算機的性能提出了較高的要求，更多的是要求對處理者新的思路和方法。在接下來的文章中，我們將詳細介紹高光譜數(shù)據(jù)的處理流程與方法，希望能在此過程中給讀者以新的思考。Hyperspectral light sheet microscopy | Nature CommunicationsENVI (The Environment for Visualizing Images) 是美國Exelis Visual Information Solutions 公司的旗艦產(chǎn)品。它是由遙感領(lǐng)域的科學(xué)家采用交互式數(shù)據(jù)語言IDL (Interactive Data Language) 開發(fā)的遙感圖像處理軟件。ENVI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、環(huán)境保護、氣象、石油礦產(chǎn)勘探、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防&安全、地球科學(xué)、公用設(shè)施管理、遙感工程、水利、海洋、測繪勘察和城市與區(qū)域規(guī)劃等領(lǐng)域。雙擊ENVI圖標打開ENVI軟件，可以看到ENVI軟件的主界面由以下六個部分組成：①菜單欄、②工具欄、③圖層管理窗格、④圖像顯示部分、⑤工具箱、⑥狀態(tài)欄。ENVI軟件的布局如圖所示，首先點擊 依次點擊①菜單欄->File->Open，在彈出的對話框中選取所需要的文件， 一般的ENVI文件由兩部分組成，文件本體和頭文件（.hdr）。文件本體記錄了文件的數(shù)據(jù)信息，而頭文件中記錄了關(guān)于這些數(shù)據(jù)信息的描述。使用記事本文件可以直接打開hdr文件，可以看到其中包括了：操作記錄Samples：柵格列數(shù)Lines：柵格行數(shù)Bands：波段數(shù)Header offset：文件開頭到實際數(shù)據(jù)起始位置的偏移量File type：文件類型Data type：數(shù)據(jù)存儲類型，用數(shù)字表示bit位數(shù)Interleave：存儲順序Map Info：圖像采用的投影系統(tǒng)參數(shù)，坐標系統(tǒng)及單位Coordinate System String：詳細的坐標系統(tǒng)信息Wavelength：每個波段所對應(yīng)的波長兩個文件應(yīng)該放在同一目錄下面，ENVI在讀取時會自動進行關(guān)聯(lián)。    任選其中一個文件都可以打開該文件，但是ENVI對兩個文件的處理方式有所不同。如果選擇.hdr文件，ENVI會直接載入顯示文件的第 一個波段，如下圖所示。使用鼠標滾輪可以對圖像進行縮放操作，使用②工具欄中的工具可以對圖像進行拖動縮放等一系列操作。加載成功的圖像會顯示在③圖層管理區(qū)，通過點擊圖像前面的勾選框來控制圖像在④圖像顯示區(qū)的顯示與否。使用如果打開文件本體，ENVI會彈出Data Manager窗口 該窗口包含三個部分，分別是①波段信息、②文件信息、③RGB波段選取。①中展示了所有波段的名稱，②中是經(jīng)過處理后的頭文件信息，③是進行RGB合成的波段選取，點擊三種顏色的方框后，在①中單擊選擇波段，選擇完成后點擊Load Data。如果只想要顯示一個波段的灰度影響可以在①中選中目標波段后直接點擊Load Greyscale。RGB 合成象素值的彩色圖，就是將三個波段的數(shù)據(jù)分別通過紅、綠、藍三個通道加載，然后進行渲染。將多波段影像數(shù)據(jù)添加到地圖中之后，可使用多波段柵格數(shù)據(jù)集中的任意三個可用波段的組合來創(chuàng)建 RGB 合成圖。與僅處理一個波段相比，通過將多個波段共同顯示為RGB 合成圖通常可從數(shù)據(jù)集收集到更多信息。來源：簡書    通常我們選取650nm、550nm和450nm分別賦給RGB通道進行合成以獲得最 佳的顯示效果。顯示效果如下圖：在②工具欄中選擇按鈕，ENVI會在圖上顯示框標，并彈出光譜特征（Spectral Profile)窗口。光譜特征窗口中顯示了框標中心白點所在像元的光譜曲線。如下圖所示：點擊光譜特征窗口中的    ，可以對光譜曲線進行一些操作，如平滑，計算NDVI，顯示RGB波段所在位置等：小結(jié)    本文介紹了高光譜影像的基本原理以及簡單的讀取及可視化操作。使用ENVI軟件可以實現(xiàn)大部分簡單的高光譜數(shù)據(jù)處理。在接下來的教程中，我們將從植被指數(shù)提取、高光譜濾波、非監(jiān)督分類與監(jiān)督分類等方面介紹ENVI軟件的使用。除此以外，我們還將介紹基于Python的高光譜處理，從編程角度介紹高光譜相關(guān)知識，以及高光譜數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)處理的結(jié)合。參考：【1】百度百科【2】 www.jianshu.com/p/d0765ee89b86
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2023-02-03 15:37:09?高光譜遙感數(shù)據(jù)處理系列（二）基于高光譜數(shù)據(jù)的植被指數(shù)計算
高光譜遙感數(shù)據(jù)處理系列（二）反射率與植被指數(shù)來自地物反射/發(fā)射的光通過鏡頭被相機捕獲，使得傳感器被曝光。由于光電效應(yīng)，傳感器上的每個像素傳感器上的電荷開始累計。經(jīng)過相機芯片的轉(zhuǎn)換，這些光信號以數(shù)字的形式存儲下來，這些數(shù)字被稱為DN值。輻射亮度 （Radiance），簡稱輻亮度 ， 指面輻射源在單位立體角 、 單位時間內(nèi) ， 在某一垂直于輻射方向單位面積 （法向面積） 上輻射出的輻射能量 ， 即輻射源在單位投影面積上 、 單位立體角內(nèi)的輻射通量 。輻亮度是最常用的度量光強弱的物理量之一。輻亮度可以進一步用于反射率的計算。DN值可以看作由輻亮度與相機屬性主導(dǎo)的變量。去除DN值中由于相機屬性引起的變化，將其轉(zhuǎn)化為輻亮度的過程稱為輻射定標。通常該過程由相機廠商進行處理，或者廠商會提供用于定標的關(guān)鍵參數(shù)。物體反射的輻射能量占總輻射能量的百分比，稱為反射率。不同物體的反射率也不同，這主要取決于物體本身的性質(zhì)(表面狀況），以及入射電磁波的波長和入射角度，反射率的大小范圍總是小于等于1，利用反射率可以判斷物體的性質(zhì)。在使用無人機進行實際觀測時，通常使用地物輻亮度除以白板或反射布所在像元的輻亮度作為反射率。從空間量化植被覆蓋、生物化學(xué)、結(jié)構(gòu)和功能是研究和理解全 球變化、生物多樣性和農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。實際上，遙感在很大程度上依賴于使用源自光譜反射率的植被指數(shù) (Vegetation Indices, VI)。VI 是幾個波段反射率的數(shù)學(xué)變換，旨在最 大限度地提高對特定生物物理現(xiàn)象（例如，綠度、含水量或光合作用活動）的敏感性，同時最 大限度地降低對土壤特性、太陽光照、大氣條件和傳感器觀察等因素的敏感性。典型植物的反射光譜。植物光譜最顯著的特這就是紅光范圍的強吸收與近紅外區(qū)域的強反射，兩個波段之間的快速上升波段稱為紅邊。紅光波段的強吸收是由于植被葉綠素的吸收，而近紅外波段的強反射是由于植被的葉片結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。通過兩個波段進行差分或比值可以凸顯出植被在這兩個波段的反射特性的差別。同時，差分或比值運算可以去除兩個波段中包含的背景信號及噪聲。不同的波段或組合形式側(cè)重展現(xiàn)了不同的植被特性。植被指數(shù)是對地表植被狀況的簡單、有效和經(jīng)驗的度量。目前已經(jīng)出現(xiàn)了上百種不同的植被指數(shù)。ENVI中包含了其中7類 27種植被指數(shù)。主界面功能區(qū)在主界面⑤工具箱中搜索欄中可以方便地對所有工具進行檢索，輸入 Vegetaton Indices Parameters ，打開該工具如下所示：鼠標單擊所需要的植被指數(shù)，然后點擊 Choose 選擇文件的存儲位置。此外ENVI還提供了將數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存的選項 Memeory，但是這些數(shù)據(jù)在ENVI關(guān)閉后會被刪除。所以選擇存儲到內(nèi)存時，ENVI會彈出二次確認對話框，繼續(xù)選中Memeory確認即可。ENVI的幫助文件中詳細展示了各種植被指數(shù)的公式及參考文獻。在菜單欄 Help 中打開-> 在左側(cè) Contents 選項卡中的Vegetation Analysis。關(guān)于植被指數(shù)的發(fā)展和使用場景還可以參考 Xue J, Su B. Significant remote sensing vegetation indices: A review of developments and applications[J]. Journal of sensors, 2017.在獲取植被指數(shù)后，可以利用這些指數(shù)進行地表參數(shù)估算或者進一步進行實際應(yīng)用，ENVI中提供了幾種植被指數(shù)的實際應(yīng)用工具，包括林木健康分析（Forest Health Vegetation Analysis）、農(nóng)作物脅迫（Agricultural Stress Vegetation Analysis）、易燃性分布分析（Fire Fuel Vegetation analysis），以及植被抑 制（Vegetation Suppression）。這些應(yīng)用工具結(jié)合幾類不同植被指數(shù)對植被進行評估，以林木健康分析為例，首先在主界面⑤中搜索欄中輸入 Forest Health Vegetation Analysis ，雙擊打開林木健康分析工具：該工具通過三類不同的植被指數(shù)：綠度指數(shù)，葉色素指數(shù)，冠層水分或光能利用率指數(shù)。ENVI內(nèi)置了模型進行閾值篩選，綜合分析多種指數(shù)，將植被的健康狀況分為9種。波段運算如果需要使用內(nèi)置植被指數(shù)以外的指數(shù)進行運算，可以使用ENVI中的Band Math工具。這里分別對窄波段和寬波段植被指數(shù)的計算進行介紹。窄波段歸一化植被指數(shù)：首先在主界面⑤中搜索欄中輸入 Band Math，雙擊打開波段運算工具：在Band Math中輸入所需要的表達式，這里需要注意的是，ENVI默認用b1，b2...來表示不同的變量，比如這里我們用到了兩個波段680nm和800nm，分別用變量b1和b2來表示。在Enter an expression中輸入(b2-b1)/(b2+b1)，點擊ok，會彈出變量與實際使用波段的匹配對話框。首先在①中單擊選擇需要賦值的變量，接下來在②中選擇所對應(yīng)的波段（如果不同波段是分開存儲的，選擇Map Variable to Input File可以將整個文件賦給某個變量）。在有所變量選擇完畢后，點擊OK。結(jié)果如下圖所示：寬波段NDVI：通常機載成像光譜儀的光譜分辨率可以達到亞納米/納米級。而常用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)如Landsat系列和MODIS產(chǎn)品的光譜分辨率較寬，針對這些衛(wèi)星遙感產(chǎn)品開發(fā)的植被指數(shù)基本都是寬波段植被指數(shù)。為了使用機載成像光譜儀進行寬波段植被指數(shù)的計算需要先對波段進行聚合，這里我們以Landsat系列的寬波段為例進行手動寬波段NDVI計算（Vegetaton Indices Parameters中也提供了一些寬波段VI的計算，這里另外介紹手動波段聚合的操作方法）。Landsat 9 的傳感器如下所示：Band 1 Visible (0.43 - 0.45 μm) 30-m.Band 2 Visible (0.450 - 0.51 μm) 30-m.Band 3 Visible (0.53 - 0.59 μm) 30-m.Band 4 Red (0.64 - 0.67 μm) 30-m.Band 5 Near-Infrared (0.85 - 0.88 μm) 30-m.在⑤工具箱中搜索欄中Sum Data Parameters,打開波段聚合工具。在①中選擇輸入文件，然后點擊 Spectral Subset ，在彈出的波段選擇窗格中，對要進行聚合的波段進行選?。ò醋hift進行連續(xù)多選，按住Ctrl進行多選）。點擊OK進行確認。Sum Data Parameters 提供了多種波段聚合函數(shù)，這里選擇Mean函數(shù)進行聚合。依次對幾個波段進行聚合后的，我們得到以下文件。接下來可以用Band Math進行寬波段NDVI的計算，計算方法同上。小結(jié)自遙感領(lǐng)域出現(xiàn)以來，植被指數(shù)扮演著重要的角色，并且一直在發(fā)展完善。本文介紹了反射率和植被指數(shù)的概念，植被指數(shù)的原理，使用ENVI進行植被指數(shù)計算，以及手動窄/寬波段植被指數(shù)的計算。了解其背后的植物生理學(xué)知識，是正確使用這些指數(shù)的必要條件。
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2023-05-26 14:15:35力高泰新品 ‖ 機載高精度N2O、CH4、CO2溫室氣體測量平臺
根據(jù)世界氣象組織WMO溫室氣體公報（第18期，2022/10/26），世界平均地表CO2、CH4和N2O的濃度持續(xù)增高，其中CO2為415.7±0.2 ppm，CH4為1908±2 ppb，N2O為334.5±0.1 ppb。現(xiàn)有溫室氣體觀測方法包括遙感衛(wèi)星的柱濃度測量、大氣本底濃度測量、城市高塔大氣濃度測量、渦度相關(guān)通量觀測、近地面大氣廓線測量、土壤溫室氣體通量測量、地基傅里葉變換光譜法遙測等。對于更高時空分辨率的地表測量需求，如近地表溫室氣體泄漏監(jiān)測、特定區(qū)域溫室氣體排放強度評估、衛(wèi)星遙感溫室氣體數(shù)據(jù)驗證等，都需要創(chuàng)新的觀測技術(shù)和方法。目前，遙感衛(wèi)星可用于大氣柱濃度溫室氣體的測量，結(jié)合使用高塔和無人機觀測，可以對區(qū)域尺度的溫室氣體排放進行評估。其中，由于無人機溫室氣體觀測具有機動靈活的特點，可以幫助研究者們獲取更高時空分辨率的數(shù)據(jù)，成為衛(wèi)星遙感和定點高塔觀測數(shù)據(jù)的有益補充。衛(wèi)星、飛機和無人機的典型測量范圍 圖源/ Bing Lu等，2020前人的部分工作包括：在固定翼飛機上（SkyArrow ERA，意大利Magnaghi Aeronautica S.p.A.公司）搭載LI-7500 二氧化碳和水汽分析儀（Gioli B等，2006，2007；Carotenuto F等，2018），測量大氣邊界層的CO2通量以及估算點源CO2釋放強度；搭載LI-7700甲烷分析儀（Gasbarra D等，2019），研究垃圾填埋場的CH4排放。LI-7500應(yīng)用于Sky Arrow ERA 測量平臺 圖源/trevesgroup.com近些年來，隨著激光光譜技術(shù)的進步，光反饋-腔增強激光吸收光譜技術(shù)（OF-CEAS）脫穎而出。這種新技術(shù)在極大提高測量精確度（詳見下文的說明）的同時，實現(xiàn)了光腔縮小的目標。如LI-COR推出了系列高精度溫室氣體分析儀，光腔體積只有6.41cm3，極大縮短了測量響應(yīng)時間——小于2秒；另外這種技術(shù)能耗低，僅為22w，兩節(jié)鋰電支持8個小時的測量。重量也僅有10.5kg，非常適合在無人機上使用。為滿足新興科研需求，北京力高泰科技有限公司與天津飛眼無人機科技有限公司合作，共同開發(fā)出了機載高精度N2O、CH4、CO2溫室氣體測量平臺。采用光反饋-腔增強激光吸收光譜技術(shù)（OF-CEAS），高精度測量N2O、CH4、CO2濃度，適合移動式大氣濃度測量。2018年推出LI-7810高精度CH4、CO2、H2O分析儀LI-7815高精度CO2、H2O分析儀2020年推出LI-7820高精度NO2、H2O分析儀2023年推出LI-7825高精度CO2同位素、NH3分析儀測量平臺主要技術(shù)參數(shù)溫室氣體測量響應(yīng)時間（T10-T90）：≤2s測量精度：CO2:  0.04ppm@400ppm（5s數(shù)據(jù)平均）CH4:  0.25ppb@2000ppb（5s數(shù)據(jù)平均）N2O:  0.20ppb@330ppb（5s數(shù)據(jù)平均）LI-7825精度δ13C 1秒信號平均為 < 0.5 ‰；5分鐘信號平均為0.04 ‰δ18O5分鐘信號平均為 < 0.1 ‰@400 ppmδ17O5分鐘信號平均為 < 0.4 ‰@400 ppm起飛重量：45kg工作時間：>45分鐘標準巡航速度：8m/smax巡航速度：15m/s抗風(fēng)能力：max5級風(fēng)使用環(huán)境：-20℃~45℃；可小雨中飛行測量高度：0-2000m應(yīng)用案例A Pilot Experiment使用機載高精度CH4、CO2溫室氣體測量平臺，研究某工業(yè)園區(qū)的溫室氣體排放。測量期間假設(shè)：（1）工業(yè)園區(qū)處于不間斷的常規(guī)運行狀態(tài)；（2）飛行測量期間大氣條件穩(wěn)定；（3）大氣邊界層內(nèi)溫室氣體和氣象條件的垂直變化遠大于水平變化；（4）測量高度的溫室氣體與空氣混合充分，且以平流為主。根據(jù)以上條件，飛行需要滿足的低度應(yīng)大于粗糙度子層（通過風(fēng)溫濕廓線確定，或估算為研究區(qū)內(nèi)建筑物平均高度的3倍），并位于近地層內(nèi)。無人機應(yīng)盡量保持勻速運動并平穩(wěn)飛行，俯仰角不大于5°，橫滾角不大于20°，盡量保持與地面的相對高度穩(wěn)定（仿地飛行）。需要在大氣邊界層湍流發(fā)展顯著的時間段開展測量，一般為上午10:00至下午4:00。同時，為了盡可能減少垂直輸送方向上的誤差，風(fēng)速以2-3級為宜，避免在陰天、雨天等不利氣象條件下開展監(jiān)測。采用基于控制體積的質(zhì)量守恒法對園區(qū)開展走航式測量，此方法也稱為自上而下排放強度反演算法（Top-down Emission Rate Retrieval Algorithm, TERRA）。根據(jù)對園區(qū)不同高度監(jiān)測斷面的測量數(shù)據(jù)，計算得到東西南北四個斷面的平流通量以及垂直向上的溫室氣體排放強度。飛行中的機載高精度CH4、CO2溫室氣體測量平臺樣地與方法Materials and Methods該樣地平均海拔1400m，年降雨量小于300mm，主導(dǎo)風(fēng)向偏西風(fēng)。在2022年12月進行試飛。主要進行兩方面測量：（1）背景樣地大氣CH4、CO2濃度垂直廓線；（2）沿工業(yè)園區(qū)外圍飛行，測量垂直大氣方向上CH4和CO2濃度。另外，飛行過程中會同步采集風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫濕度、大氣壓強、經(jīng)緯度坐標、海拔信息等。測量航跡原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制QA/QC采用滑動均值濾波方法對所有數(shù)據(jù)進行異常值檢驗，對大于5倍測量數(shù)據(jù)標準差的點位，標記為異常值并剔除，用線性插值方法進行數(shù)據(jù)插補。一個測量架次，如果異常數(shù)據(jù)超過30%，標記為無效測量，需要重新補測。實驗結(jié)果Results背景樣地大氣廓線就CO2而言，飛行上升過程測量的CO2濃度要低于在下降過程中測量的濃度。在飛行上升過程中，近地面測得的CO2濃度高，約為715mg/m3；隨著測量高度的攀升，CO2濃度存在下降的趨勢，在1900m至2000m時，CO2濃度降低至約680mg/m3。在下降過程中，2000-1900米區(qū)間內(nèi)存在一個小高峰，濃度約為800mg/m3，約1600m-1700m之間存在一個峰值，濃度約為900mg/m3。CO2 大氣廓線CH4 大氣廓線就CH4而言，飛行上升過程測量的CH4濃度要略低于在下降過程中測量的濃度。近地表的CH4濃度高，約為1.24mg/m3。隨著高度增加，CH4濃度下降，在2020米左右時，CH4濃度降至1.16 mg/m3。工業(yè)園區(qū)在園區(qū)南部，測量得到3處高CO2濃度區(qū)，一處距離地表75-100m處，濃度約為495ppm；第二處距地面175-200m處，濃度約為505ppm；第三處距地面100-125m，濃度約為520ppm。CH4數(shù)據(jù)類似，距離地面100-125m處，存在CH4高濃度區(qū)域，濃度約3794.35ppb。CO2數(shù)據(jù)的空間網(wǎng)格化CH4數(shù)據(jù)的空間網(wǎng)格化排放強度計算根據(jù)標量守恒方程和散度定理，認為控制體積內(nèi)的質(zhì)量變化與通過控制體積表面的綜合質(zhì)量通量相等?？梢酝ㄟ^在排放源周圍構(gòu)建控制體積，在忽略大氣沉降的情況下，對控制體積四個表面和上表面進行通量計算，然后進行積分，最終獲得排放控制體積內(nèi)部的排放強度。數(shù)據(jù)顯示，該工業(yè)園的CO2的排放強度約為12.539 kg/s ± 0.640 kg/s；CH4排放強度為 21.521 g/s ±3.424 g/s。實驗結(jié)論Conclusions使用機載高精度N2O、CH4、CO2溫室氣體測量平臺，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)μ囟▍^(qū)域的溫室氣體排放強度進行定量評估。參考文獻【1】世界氣象組織溫室氣體公報 - 第18期【2】Bing Lu, Phuong D. Dao, Jiangui Liu, Yuhong He, Jiali Shang. 2020. Recent advances of hyperspectral imaging technology and applications in agriculture. Remote Sensing 12(16): 1-44.【3】Carotenuto F, Gualtieri G, Miglietta F, et al. Industrial point source CO 2 emission strength estimation with aircraft measurements and dispersion modelling[J]. Environmental monitoring and assessment, 2018, 190: 1-15.【4】Gasbarra D, Toscano P, Famulari D, et al. Locating and quantifying multiple landfills methane emissions using aircraft data[J]. Environmental Pollution, 2019, 254: 112987.【5】Gioli B, Miglietta F, Vaccari F P, et al. The Sky Arrow ERA, an innovative airborne platform to monitor mass, momentum and energy exchange of ecosystems[J]. 2006.
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2023-07-25 10:40:14半導(dǎo)體和鈣鈦礦材料的高光譜（顯微）成像
目前在光伏業(yè)界，正在進行一項重大努力，以提高光伏和發(fā)光應(yīng)用中所用半導(dǎo)體的效率并降低相關(guān)成本。這就需要探索和開發(fā)新的制造和合成方法，以獲得更均勻、缺陷更少的材料。無論是電致還是光致發(fā)光，都是實現(xiàn)這一目標的重要工具。通過發(fā)光可以深入了解薄膜內(nèi)部發(fā)生的重組過程， 而無需通過對完整器件的多層電荷提取來解決復(fù)雜問題。HERA高光譜照相機是繪制半導(dǎo)體光譜成像的理想設(shè)備，因為它能夠快速、定量地繪制半導(dǎo)體發(fā)射光譜圖，且具有高空間分辨率和高光譜分辨率的特性。硅太陽能電池的電致發(fā)光光譜成像光伏設(shè)備中的缺陷會導(dǎo)致光伏產(chǎn)生的載流子發(fā)生重組，阻礙其提取并降低電池效率。電致發(fā)光光譜成像可以揭示這些有害缺陷的位置和性質(zhì)。"反向"驅(qū)動太陽能電池（即施加電流）會產(chǎn)生電致發(fā)光，因為載流子在電極上被注入并在有源層中重新結(jié)合。在理想的電池中，所有載流子都會發(fā)生帶間重組，這在硅中會產(chǎn)生1100 nm附近的光（效率非常低）。然而，晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷會產(chǎn)生其他不利的重組途徑。雖然這些過程通常被稱為"非輻射"重組，但偶爾也會產(chǎn)生光子，其能量通常低于帶間發(fā)射。捕獲這些非常罕見的光子可以了解缺陷的能量和分布。在本實驗中，我們使用了HERA SWIR (900-1700 nm)，它非常適合測量硅發(fā)光衰減。測量裝置如圖1所示：HERA安裝在三腳架上，在太陽能電池上方，連接到一個10A的電源。640×512像素的傳感器安裝在樣品上方75厘米處，空間分辨率約為250微米。圖1. 實驗裝置最重要的是，HERA光學(xué)系統(tǒng)沒有輸入狹縫，因此光通量非常高，是測量極微弱光發(fā)射的理想選擇。圖2.A和2.B顯示了兩個波長的電致發(fā)光（EL）圖像：1150 nm（帶間發(fā)射）和1600 nm（缺陷發(fā)射），這是4次掃描的平均值（總采集時間：5分鐘）。通過分析這些圖像，我們可以看到，盡管缺陷區(qū)域的亮度遠低于主發(fā)射區(qū)域，但它們?nèi)员磺逦胤直娉鰜?。此外，具有強缺陷發(fā)射的區(qū)域的帶間發(fā)射相對較弱。我們可以注意到有幾個區(qū)域在兩個波長下都是很暗的；這可能是由于樣品在運輸過程中損壞了電池造成的。圖2.C中以對數(shù)標尺顯示了小方塊感興趣區(qū)域（圖2A和2B中所示）的光譜。圖 2.A 和 B：兩個選定波長（1150 nm 和 1600 nm）的電致發(fā)光（EL）圖像。C：A和B中三個不同區(qū)域?qū)?yīng)的電致發(fā)光光譜（圖像中的彩色方框）。金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光顯微研究通過旋涂等技術(shù)含量低、成本效益高的方法，可以制造出非常高效的太陽能電池和LED。這些方法面臨的一個挑戰(zhàn)是在微觀長度的尺度上保持均勻的成分。光致發(fā)光顯微鏡是表征這種不均勻性的一個特別強大的工具。HERA高光譜相機可以連接到任何顯微鏡（正置或倒置）的c-mount相機端口，并直接開始采集高光譜數(shù)據(jù)，無需任何校準程序。圖3. 與尼康LV100直立顯微鏡連接的HERA VIS-NIR。在本實驗中，我們使用HERA VIS-NIR（400-1000 nm）耦合到尼康LV100直立顯微鏡（圖3）來表征兩種鹵化物前驅(qū)體合金的帶隙分布。將兩種鹵化物前驅(qū)體合金化的優(yōu)點是能夠調(diào)整材料的帶隙；然而，這兩種成分經(jīng)常會發(fā)生逆混合，從而導(dǎo)致性能損失。本實驗的目的是檢測這種逆混合現(xiàn)象：事實上，混合比的局部變化會改變局部帶隙，從而導(dǎo)致發(fā)射不同能量的光子。在這種配置中，激發(fā)光來自汞燈，通過帶通濾光片在350 nm處進行濾光，并通過發(fā)射路徑上的二向色鏡將其從相機中濾除。HERA的高通量使其能夠在大約1分鐘的測量時間內(nèi)收集完整的數(shù)據(jù)立方體（130萬個光譜）。圖4.樣品的光譜綜合強度圖（A：全尺寸；B：放大）。圖4.A和4.B分別顯示了所有波長（400-1000 nm）總集成信號的全尺寸和放大圖像，揭示了長度尺度在1 μm左右的明亮特征。當我們比較亮區(qū)和暗區(qū)的光譜時（圖5.B中的黑色和紅色曲線），我們發(fā)現(xiàn)暗區(qū)實際上也有發(fā)射， 不僅強度較低，而且波長中心比亮區(qū)短。事實上，光譜具有雙峰形狀，很可能與逆混合前驅(qū)體的發(fā)射相對應(yīng)。圖5.A的發(fā)射圖清楚地顯示了帶隙的這種變化。我們現(xiàn)在可以理解為什么低帶隙區(qū)域看起來更亮了--載流子可能從高帶隙區(qū)域弛豫到那里，并且在發(fā)生輻射重組之前無法返回。圖5.A：顯示平均發(fā)射波長的強度圖。B：亮區(qū)和暗區(qū)的發(fā)射光譜（正?；?。東隆科技作為NIREOS國內(nèi)總代理公司，在技術(shù)、服務(wù)、價格上都具有優(yōu)勢。如果您有任何產(chǎn)品相關(guān)的問題，歡迎隨時來電垂詢，我們將為您提供專業(yè)的技術(shù)支持與產(chǎn)品服務(wù)。
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2023-06-12 10:35:36轉(zhuǎn)載 | 高光譜遙感數(shù)據(jù)處理系列（六）監(jiān)督分類
高光譜遙感數(shù)據(jù)處理系列（六）非監(jiān)督分類是一種面對數(shù)據(jù)本身的分類方法，與之相對應(yīng)的：監(jiān)督分類，則是面向先驗知識的分類方法。監(jiān)督分類是指給定已知類型的數(shù)據(jù)，通過建模的方式將這些數(shù)據(jù)與對應(yīng)的類型建立映射關(guān)系，并將這種關(guān)系應(yīng)用到未知類型的數(shù)據(jù)上的過程。如果每種類型用一個數(shù)字來表示，分類任務(wù)可以看做回歸分析的一種特例。主界面分區(qū)ROI工具監(jiān)督分類需要有已知類型的數(shù)據(jù)集作為先驗知識進行訓(xùn)練，稱為訓(xùn)練集。一般可以通過目視解譯，或者實地樣方調(diào)查的方式獲取訓(xùn)練集。構(gòu)建訓(xùn)練集的方法如下：在主菜單②工具欄中點擊打開Region of Interest（ROI) Tool，進行興趣區(qū)選?。篟OI工具最基本的ROI選取過程如上圖所示，首先選擇①工具添加新的ROI范圍，在②中調(diào)整ROI的名稱和顏色，在③中選擇繪制ROI的圖形形狀，④在圖上繪制ROI，完成后右鍵Accept shape type。如果想要繪制帶有空洞的圖形，可以點擊復(fù)選框⑤所示的Multi Part復(fù)選框，然后在影像上繪制兩個疊加的圖形，完成后右鍵 Accept。使用File可以進行ROI圖層的讀取與保存如果選取好了ROI可以使用Options可以利用對ROI本身進行融合（Merge（Union/Intersection）ROI）,計算離散度（Compute ROI Separability），或者使用對ROI范圍內(nèi)的圖像進行統(tǒng)計（Compute Statistics from ROIs）。另外也可以使用ROI對圖像進行裁剪。除了使用不同形狀進行框選，還可以使用像元，自動區(qū)域生長，閾值選取等方式產(chǎn)生ROI。在ENVI的幫助文件中詳細介紹了這些工具的使用方法。在主界面①菜單欄 Help 中打開-> 在左側(cè)Contents選項卡中的:book:ROIs, Vectors, Annotations，請讀者自行查閱。監(jiān)督分類在訓(xùn)練集選擇完畢后就可以進行監(jiān)督分類，ENVI中提供了多種監(jiān)督分類的工具，包括：平行六面體（Parallelepiped）最 小距離（Minimum Distance）馬氏距離（Mahalanobis Distance）最 大似然（Maximum Likelihood）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Net）支持向量機（Support Vector Machine）波譜角（Spectral Angle Mapper）這里我們介紹兩種監(jiān)督分類方法，最 大似然法和波譜角方法。01最 大似然法在ENVI的幫助文件中詳細介紹了各種分類方法的原理。在主界面①菜單欄 Help 中打開-> 在左側(cè)Contents選項卡中Classification->Supervised Methods中，最 大似然法定義為:最 大似然分類假設(shè)每個波段中每個類別的統(tǒng)計數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，并計算給定像素屬于特定類別的概率。每個像素被分配到具有最 高概率（即最 大似然）的類別。根據(jù)該定義，最 大似然法將每個類別投影到特定的分布上，分類問題被轉(zhuǎn)化為分布相似性問題。在主界面⑤中搜索Maximum Likelihood打開最 大似然分類工具。首先要選擇進行訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，需要強調(diào)的是，我們選擇在上篇文中生成的主成分分析的結(jié)果進行分類，而不是影像本身，具體原因在上篇文章中有詳細描述。分類結(jié)果如下所示：02波譜角方法光譜角映射器 (SAM) 是一種基于物理的光譜分類，它使用 n 維角度將像素與參考光譜進行匹配。該算法通過計算光譜之間的角度并將它們視為維數(shù)等于波段數(shù)的空間中的向量來確定兩個光譜之間的光譜相似性。SAM 使用的端元光譜可以來自 ASCII 文件或光譜庫，或者您可以直接從圖像中提取它們（作為 ROI 平均光譜）。SAM 比較端元譜向量與 n 維空間中每個像素向量之間的角度。較小的角度代表與參考光譜更接近。在主界面⑤中搜索Spectral Angle Mapper打開光譜角工具，在端元集合（Endmember Collection：SAM）中導(dǎo)入選取的ROI，將上一步選取的ROI所在范圍的光譜均值作為特定類別的標準光譜。SAM的本質(zhì)是將分類問題轉(zhuǎn)化為對比未知類別數(shù)據(jù)與標準光譜的余弦距離的問題。需要強調(diào)的是，我們選擇主成分分析的結(jié)果進行分類，而不是影像本身，具體原因在上篇文章中有詳細描述。分類結(jié)果如下所示：小結(jié)本文中我們介紹了兩種監(jiān)督分類的方法，相對于非監(jiān)督分類，監(jiān)督分類通過融入先驗知識，提供了有明確類別的結(jié)果，這大大減少了進行后續(xù)處理的成本。但是對于遙感應(yīng)用來說，獲取地面真值的成本較高，通過目視解譯的方式會不可避免地引入人為誤差，給結(jié)果帶來不確定性。正如上一篇文章提到，數(shù)據(jù)和特征決定了分類的上限，而分類的方法只能逼近這個上限。如何構(gòu)建質(zhì)量高、數(shù)量多的訓(xùn)練集，權(quán)衡成本是監(jiān)督分類需要考慮的問題。
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