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ENVI高光譜分析技術(shù) 董彥卿 主要內(nèi)容 1 高光譜簡介2 高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理3 物質(zhì)制圖與識(shí)別 探測 1 高光譜遙感簡介 光學(xué)遙感技術(shù)的發(fā)展 全色 黑白 彩色攝影 多光譜掃描成像 高光譜遙感高光譜分辨率遙感 HyperspectralRemoteSensing 用很窄 10 2 而連續(xù)的光譜通道對(duì)地物持續(xù)遙感成像的技術(shù) 在可見光到短波紅外波段其光譜分辨率高達(dá)納米 nm 數(shù)量級(jí) 通常具有波段多的特點(diǎn) 光譜通道數(shù)多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)以上 而且各光譜通道間往往是連續(xù)的 因此高光譜遙感又通常被稱為成像光譜 ImagingSpectrometry 遙感 從光譜影像上獲得光譜曲線 高光譜圖像 空間成像的同時(shí) 記錄下成百個(gè)連續(xù)光譜通道數(shù)據(jù) 從每個(gè)像元均可提取一條連續(xù)的光譜曲線 對(duì)高光譜圖像的處理實(shí)質(zhì)是對(duì)像元光譜曲線的定量化處理與分析 高光譜成像技術(shù) 成像光譜儀 與地面光譜輻射計(jì)相比 成像光譜儀不是在 點(diǎn) 上的光譜測量 而是在連續(xù)空間上進(jìn)行光譜測量 因此它是光譜成像的 與傳統(tǒng)多光譜遙感相比 其光譜通道不是離散而是連續(xù)的 因此從它的每個(gè)像元均能提取一條平滑而完整的光譜曲線 成像光譜儀系統(tǒng)介紹 航空成像光譜儀系統(tǒng)國內(nèi)系統(tǒng) MAIS OMIS 1 OMIS 2 PHI WHI LASIS國外系統(tǒng) AIS AVIRIS TRWIS GERIS HYDICEAISA DAIS CASI HYMAP AVIRIS Spectralcoverage VIStoNIR 400 2500nm Spectralbands 224Spectralresolution 10nmFOV 30 IFOV 1 0mradDigitization 12bits HYMAP Spectralcoverage VIS 400 800nm 15nmbands NIR 881 1335nm 14nmbands SWIR1 1400 1813nm 12nmbands SWIR2 1950 2543nm 16nmbands Spectralbands 126FOV 60 IFOV 2 5mrad along track 2 0mrad across track Pixelsperline 512 航天成像光譜儀系統(tǒng) Hyperion EO 1 國家 美國時(shí)間 2000年11月衛(wèi)星發(fā)射成功掃描帶寬 7 5km 空間分辨率 30米 在0 4 2 5 m共有220波段 可見光 近紅外 400 1000nm 60波段 短波紅外 900 2500nm 160波段 環(huán)境與減災(zāi)小衛(wèi)星星座 HJ 1B 2 高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理 傳感器定標(biāo)大氣校正 傳感器定標(biāo) 傳感器定標(biāo)是針對(duì)設(shè)備本身 建立傳感器每個(gè)探測元件輸出的數(shù)據(jù)量化值 DN 與它所對(duì)應(yīng)像元內(nèi)的實(shí)際地物的輻射亮度之間的定量關(guān)系 陳述彭等 1998 輻射亮度 輻射率 單位可為 W cm2 nm sr ENVI提供針對(duì)特定傳感器的定標(biāo) 包括ASTER AVHRR MODIS MSS TM QuickBird WorldView等 通用方法 包括 平場域定標(biāo) 對(duì)數(shù)殘差 內(nèi)部平均反射率法和經(jīng)驗(yàn)線性 針對(duì)熱紅外數(shù)據(jù) 還提供大氣校正工具 相對(duì)通道發(fā)射率 歸一化發(fā)射率 殘差等定標(biāo)工具 為什么做大氣糾正 太陽輻射通過大氣以某種方式入射到物體表面然后再反射回傳感器原始影像包含物體表面 大氣 以及太陽的信息如果我們想要了解某一物體表面的光譜屬性 我們必須將它的反射信息從大氣和太陽的信息中分離出來 大氣散射 直接反射 鄰接反射 為什么要大氣校正 大氣校正方法 基于輻射傳輸模型LOWTRAN模型MORTRAN模型ATCOR模型6S模型基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型平場域定標(biāo)對(duì)數(shù)殘差內(nèi)部平均反射率法經(jīng)驗(yàn)線性基于簡化輻射傳輸模型的黑暗像元法基于統(tǒng)計(jì)的不變目標(biāo)法基于植被指數(shù)的大氣阻抗植被指數(shù)法 ENVI大氣校正模塊 ENVI的大氣校正模塊的模型為MODTRAN4 模型 它是由SpectralSciences Inc SSI 和AirForceResearchLabs AFRL 合作開發(fā) ITTVIS進(jìn)行整合和圖形化 ENVI的大氣校正模塊能夠?qū)Ω吖庾V 多光譜影像進(jìn)行校正 高光譜包括 HyMAP AVIRIS HYDICE HYPERION Probe 1 CASI AISA等 多光譜包括 ASTER AVHRR IKONOS IRS Landsat MODIS SeaWiFS SPOT QuickBird等 以及航空 860nm 1135nm 數(shù)據(jù) 多光譜與高光譜的模型基礎(chǔ)一樣 MODTRAN4 這個(gè)模塊通過高光譜像素光譜上的特征來估計(jì)大氣的屬性 可以有效地去除水蒸氣 氣溶膠散射 漫反射的鄰域效應(yīng) 采用向?qū)讲僮髁鞒?還包括快速大氣校正功能 使用ENVI大氣校正模塊 輸入文件準(zhǔn)備 數(shù)據(jù)是經(jīng)過定標(biāo)后的輻射亮度 輻射率 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)帶有中心波長 wavelenth 值 如果是高光譜還必須有波段寬度 FWHM 這兩個(gè)參數(shù)都可以通過編輯頭文件信息輸入 EditHeader 數(shù)據(jù)類型支持四種數(shù)據(jù)類型 浮點(diǎn)型 floating 4 bytesignedintegers 2 bytesignedintegers 以及2 byteunsignedintegers 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型 ENVI標(biāo)準(zhǔn)柵格格式文件 且是BIP或者BIL 波譜范圍 flaash能夠做的數(shù)據(jù)光譜范圍是0 4 2500 m 使用ENVI大氣校正模塊 基本參數(shù)設(shè)置 傳感器基本信息設(shè)置 使用ENVI大氣校正模塊 大氣模型 水氣反演設(shè)置 WaterRetrieval 水氣反演設(shè)置 采用兩種方式對(duì)水氣進(jìn)行反演 利用水氣反演模型恢復(fù)影像中每個(gè)像元的水氣量使用水氣去除模型 數(shù)據(jù)必須具有15nm以上波譜分辨率 且至少覆蓋以下波譜范圍之一 1050 1210nm 對(duì)應(yīng)1135nm 870 1020nm 對(duì)應(yīng)940nm 770 870nm 對(duì)應(yīng)820nm 單一的水氣因數(shù)用于整體影像 默認(rèn)是1 對(duì)于多光譜數(shù)據(jù)使用水氣反演模型 可以在多光譜設(shè)置中手動(dòng)設(shè)置水氣波段 氣溶膠模型 AerosolModel 提供四種標(biāo)準(zhǔn)MODTRAN氣溶膠模型Rural 鄉(xiāng)村 Urban 城市 Maritime 海洋 Tropospheric 對(duì)流層 能見度在40km以上 兩種氣溶膠反演方法2 Band K T 方法 類似模糊減少法 如果沒有找到適應(yīng)的黑值 一般是陰影區(qū)或者水體 系統(tǒng)將采用能見度值來計(jì)算 所以即使選擇了該選項(xiàng)也要給能見度 選擇None 采用能見度值參與氣溶膠去除 能見度值大約參考值參見表 高級(jí)設(shè)置 光譜定義文件 內(nèi)置AVIRIS HYMAP HYDICE HYPERION CASI AISA 氣溶膠厚度系數(shù) 用于計(jì)算鄰域效應(yīng)范圍 一般值為1 2km CO2混合比率 默認(rèn)為390ppm 使用領(lǐng)域糾正 使用以前的MODTRAN模型計(jì)算結(jié)果 設(shè)置MODTRAN模型的光譜分辨率 推薦值5cm 1 設(shè)置MODTRAN多散射模型 提供三種模型供選擇Isaacs DISORT和ScaledDISORT 默認(rèn)是ScaledDISORT和streams為8 這種模型對(duì)于小于1000nm具有較高的精度 天頂角 方位角 針對(duì)非星下點(diǎn)傳感器 輸出反射率縮放系數(shù) OutputReflectanceScaleFactor 為了降低結(jié)果儲(chǔ)存空間 默認(rèn)反射率乘于10000 輸出結(jié)果 表面反射率影像水氣含量數(shù)據(jù)云圖日志文件FLAASH大氣校正模板文件 定標(biāo)與大氣校正練習(xí) 03 傳感器定標(biāo)與大氣校正 多光譜LandsatTMfast數(shù)據(jù)定標(biāo)輻射定標(biāo) W m2 sr m P28203 傳感器定標(biāo)與大氣校正 高光譜P302 3 物質(zhì)制圖與識(shí)別 探測 波譜庫波譜分析端元波譜收集高光譜制圖與識(shí)別 波譜庫 ENVI波譜庫 安裝目錄下spec lib JetPropulsionLaboratory0 4 2 5um160種純礦物波譜美國地質(zhì)調(diào)查局 USGS 0 4 2 5um500種質(zhì)優(yōu)礦物波譜和幾個(gè)植被波譜Johnshopkinsuniversity0 4 14um礦物波譜IGCP264 項(xiàng)目 26個(gè)質(zhì)優(yōu)樣品應(yīng)用波譜儀測量得到打開波譜庫 spectral spectrallibraries view 顯示波譜曲線 點(diǎn)擊 創(chuàng)建波譜庫 spectral spectrallibraries builder 波譜庫的創(chuàng)建與瀏覽 輸入波長范圍輸入光譜從圖像中獲取外部文件 二進(jìn)制 導(dǎo)入ASD波譜儀波譜庫交互波譜庫查看 編輯和分析波譜分割波譜重采樣 波譜分析工具SpectralAnalyst 波譜分析首先需要打開一個(gè)波譜庫 然后將未知波譜與波譜庫中的波譜進(jìn)行匹配處理 該工具運(yùn)用波譜角分類 波譜特征擬和二進(jìn)制編碼技術(shù) 對(duì)一未知波譜與波譜庫中要素的匹配進(jìn)行排序 輸出一個(gè)列表 按照波譜匹配的好壞依次排列 并紀(jì)錄一個(gè)總體的得分 匹配時(shí)需要設(shè)置三種方法所占的權(quán)重 權(quán)重是任意的 最后輸出一個(gè)總體得分 得分越高 表明匹配效果越好 光譜識(shí)別流程 MNF變換 重要作用用于判定圖像內(nèi)在的維數(shù)分離數(shù)據(jù)中的噪聲減少計(jì)算量彌補(bǔ)了主成分分析在高光譜數(shù)據(jù)處理中的不足計(jì)算時(shí)需要輸入的參數(shù)統(tǒng)計(jì)信息的圖像范圍shiftdiffsubset噪聲統(tǒng)計(jì)文件 可以用到另一副圖像上做變換 MNF統(tǒng)計(jì)文件 反變換的時(shí)候要用 Mnf變換輸出波段選擇 根據(jù)特征值選擇輸出波段 利用MNF變換后的圖像進(jìn)行端元提取經(jīng)過MNF變換后的圖像波段之間的相關(guān)性有效地降低了 并且出現(xiàn)了多個(gè)拐點(diǎn) 這些拐點(diǎn)就是我們要找的端元 Endmembers 波譜曲線對(duì)比編輯端元生成端元地物平均波譜曲線利用波譜分析工具進(jìn)行端元識(shí)別 識(shí)別每一類地物后 將端元導(dǎo)出成ROI PPI純凈像元指數(shù) 生成的結(jié)果是一副灰度的影像 DN值越大表明像元越純 作用及原理純凈像元指數(shù)法對(duì)圖像中的像素點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)迭代 可以在多光譜或者高光譜影像中尋找最 純 的像元 通?；贛NF變換結(jié)果來進(jìn)行 純凈像元指數(shù)可以將N維散點(diǎn)圖迭代映射為一個(gè)隨機(jī)單位向量來計(jì)算 每次映射的極值像元被記錄下來 并且被標(biāo)為極值的總數(shù)也被記錄下來 按照多次映射每個(gè)像元被記錄為極值像元的次數(shù)來決定該像元是否為純凈像元 計(jì)算時(shí)需要輸入的參數(shù)進(jìn)行迭代的次數(shù)設(shè)置域值的系數(shù) 極值像元的域值 數(shù)據(jù)二次采樣 減少內(nèi)存 但不能太小 處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)純凈像元指數(shù)圖X 像元迭代次數(shù) Y 極值像元總數(shù)該圖顯示了PPI做為迭代次數(shù)的函數(shù)當(dāng)所有極值像元都已經(jīng)找到后 它應(yīng)該接近于一條水平線處理結(jié)果 DN值越大表明像元越純 PPI純凈像元指數(shù)提取ROI設(shè)置波段域值提取PPI ROI通常只設(shè)最小值 值越大 像元越純凈 N維可視化器 提取PPI ROI后打開N維可視化器 選擇MNF變換結(jié)果 系統(tǒng)默認(rèn)導(dǎo)入PPI ROIPPI ROI端元提取波譜曲線對(duì)比編輯ROI生成地物平均波譜波譜分析 端元識(shí)別 端元波譜收集 端元波譜收集器ASCII文件ASD測量文件波譜庫ROI 矢量文件統(tǒng)計(jì)文件剖面波譜圖N維可視化分析器二維散點(diǎn)圖SMACC工具所有監(jiān)督分類與高光譜制圖工具 高光譜制圖 二進(jìn)制編碼波譜角分類線性波段預(yù)測 LS Fit 線性波譜分離光譜信息散度匹配濾波混合調(diào)諧匹配濾波 MTMF 包絡(luò)線去除光譜特征擬合多范圍光譜特征擬合 高光譜制圖練習(xí) 植被識(shí)別 數(shù)據(jù) 04 光譜與高光譜制圖 植被識(shí)別 JasperRidge98av flaash refl img從標(biāo)準(zhǔn)波譜庫中獲取端元波譜打開veg lib usgs veg sli波譜庫文件 獲得以下物質(zhì)的波譜aspenlf1firtreemapleleawalnutlegrass選擇SpectralAngleMapper制圖方法結(jié)果 植被識(shí)別結(jié)果 波譜沙漏工具 目標(biāo)識(shí)別 向?qū)讲ㄗV分析工具影像亮度值定標(biāo)為反射率最小噪聲分離 MNF 純凈像元指數(shù) PPI N維散度分析選擇終端單元地物制圖 地物識(shí)別 作用 將地物波譜與端元波譜進(jìn)行對(duì)比來地物制圖 識(shí)別地物 SAM與BandMax結(jié)合進(jìn)行目標(biāo)探測 基于BandMax向?qū)У腟AM目標(biāo)探測引導(dǎo)你完成高光譜影像的目標(biāo)探測 向?qū)У腂andMax部分能幫你找到最佳的波譜子集以區(qū)分背景和目標(biāo) 并節(jié)省處理的時(shí)間 向?qū)е饕幸韵聨讉€(gè)步驟 選擇輸入 輸出文件選擇目標(biāo) 選擇目標(biāo)波譜選擇背景 選擇需要抑制的背景信息利用BandMax計(jì)算有效波段 識(shí)別對(duì)SAM分析中有效的波段選擇最大角閾值 定義SAM最大角檢驗(yàn)制圖成果 SAM分析以及成果檢驗(yàn) 礦物識(shí)別 數(shù)據(jù) 04 光譜與高光譜制圖 礦物識(shí)別 cup95 ff int處理 基于二維散點(diǎn)圖的端元選擇基于PPI的端元選擇光譜分析結(jié)果 礦物識(shí)別結(jié)果