1、ENVI高光譜分析技術鄧書斌主要內容1、高光譜簡介2、高光譜數據預處置3、物質制圖與識別、探測4、植被分析1、高光譜遙感簡介光學遙感技術的開展：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HyperspectralRemote Sensing用很窄10-2而延續的光譜通道對地物繼續遙感成像的技術。在可見光到短波紅外波段其光譜分辨率高達納米(nm)數量級，通常具有波段多的特點，光譜通道數多達數十甚至數百個以上，而且各光譜通道間往往是延續的，因此高光譜遙感又通常被稱為成像光譜Imaging Spectrometry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，記錄下成百個延續

2、光譜通道數據從每個像元均可提取一條延續的光譜曲線對高光譜圖像的處置本質是對像元光譜曲線的定量化處置與分析高光譜成像技術成像光譜儀：與地面光譜輻射計相比，成像光譜儀不是在“點上的光譜丈量，而是在延續空間上進展光譜丈量，因此它是光譜成像的；與傳統多光譜遙感相比，其光譜通道不是離散而是延續的，因此從它的每個像元均能提取一條平滑而完好的光譜曲線。成像光譜儀系統引見航空成像光譜儀系統國內系統：MAIS、OMIS-1、OMIS-2、PHI、WHI、LASIS國外系統：AIS、AVIRIS、TRWIS、GERIS、HYDICEAISA、DAIS、CASI、HYMAP AVIRIS Spectral cove

3、rage:VIS to NIR (400-2500nm) Spectral bands: 224Spectral resolution: 10nmFOV: 30IFOV: 1.0 mradDigitization:12 bitsHYMAPSpectral coverage:VIS:400-800nm,15nm bands;NIR:881-1335nm, 14nm bands;SWIR1:1400-1813nm, 12nm bands; SWIR2:1950-2543nm, 16nm bands;Spectral bands: 126FOV: 60IFOV: 2.5 mrad(along_tra

4、ck)2.0 mrad(across_track)Pixels per line: 512航天成像光譜儀系統Hyperion/EO-1國家：美國時間：2000年11月衛星發射勝利掃描帶寬：7.5km, 空間分辨率：30米，在0.42.5m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。環境與減災小衛星星座HJ-1B2、高光譜數據預處置傳感器定標大氣校正傳感器定標傳感器定標是針對設備本身，建立傳感器每個探測元件輸出的數據量化值DN與它所對應像元內的實踐地物的輻射亮度之間的定量關系陳說彭等，1998。輻射亮度輻射率單位可為：W/cm

5、2*nm*sr。ENVI提供針對特定傳感器的定標，包括ASTER、AVHRR、MODIS、MSS、TM、IKONOS、QuickBird、WorldView等；通用方法，包括：平場域定標、對數殘差、內部平均反射率法和閱歷線性；針對熱紅外數據，還提供大氣校正工具、相對通道發射率、歸一化發射率、殘差等定標工具。為什么做大氣糾正？太陽輻射經過大氣以某種方式入射到物體外表然后再反射回傳感器原始影像包含物體外表，大氣，以及太陽的信息假設我們想要了解某一物體外表的光譜屬性，我們必需將它的反射信息從大氣和太陽的信息中分別出來。大氣散射直接反射鄰接反射大氣校正方法基于輻射傳輸模型LOWTRAN模型MORTRA

6、N模型ATCOR模型6S模型基于統計學模型平場域定標對數殘差內部平均反射率法閱歷線性基于簡化輻射傳輸模型的黑暗像元法基于統計的不變目的法基于植被指數的大氣阻抗植被指數法ENVI大氣校正模塊ENVI的大氣校正模塊的模型為MODTRAN 4+模型，它是由Spectral Sciences, Inc. (SSI)和Air Force Research Labs (AFRL)協作開發，ITT VIS進展整合和圖形化。ENVI的大氣校正模塊可以對高光譜、多光譜影像進展校正。高光譜包括：HyMAP、 AVIRIS、 HYDICE、HYPERION、Probe-1, CASI、AISA等；多光譜包括：AST

7、ER、AVHRR、IKONOS、IRS、Landsat、MODIS、SeaWiFS、SPOT、QuickBird等，以及航空860nm-1nm數據。多光譜與高光譜的模型根底一樣：MODTRAN 4+。這個模塊經過高光譜像素光譜上的特征來估計大氣的屬性，可以有效地去除水蒸氣, 氣溶膠散射，漫反射的鄰域效應。采用導游式操作流程，還包括快速大氣校正功能。運用ENVI大氣校正模塊輸入文件預備數據是經過定標后的輻射亮度輻射率數據數據帶有中心波長wavelenth值，假設是高光譜還必需有波段寬度FWHM,這兩個參數都可以經過編輯頭文件信息輸入Edit Header。數據類型支持四種數據類型：浮點型floa

8、ting、4-byte signed integers, 2-byte signed integers,以及 2-byte unsigned integers。數據存儲類型： ENVI規范柵格格式文件，且是BIP或者BIL。波譜范圍：flaash可以做的數據光譜范圍是0.42500m。運用ENVI大氣校正模塊根本參數設置傳感器根本信息設置運用ENVI大氣校正模塊大氣模型Model Atmosphere Water Vapor (std atm-cm) Water Vapor (g/cm2) Surface Air Temperature Sub-Arctic Winter (SAW) 5180

9、.42-16 C or 3 F Mid-Latitude Winter (MLW) 10600.85-1 C or 30 F U.S. Standard (US) 17621.4215 C or 59 Sub-Arctic Summer (SAS) 25892.0814 C or 57 Mid-Latitude Summer (MLS) 36362.9221 C or 70 Tropical (T) 51194.1127 C or 80 Latitude (N) Jan. March May July Sept. Nov. 80SAWSAWSAWMLWMLWSAW70SAWSAWMLWMLWM

10、LWSAW60MLWMLWMLWSASSASMLW50MLWMLWSASSASSASSAS40SASSASSASMLSMLSSAS30MLSMLSMLSTTMLS20TTTTTT10TTTTTT0TTTTTT-10TTTTTT-20TTTMLSMLST-30MLSMLSMLSMLSMLSMLS-40SASSASSASSASSASSAS-50SASSASSASMLWMLWSAS-60MLWMLWMLWMLWMLWMLW-70MLWMLWMLWMLWMLWMLW-80MLWMLWMLWSAWMLWMLW水氣去除設置Water Retrieval水氣去除設置，采用兩種方式對水氣進展去除：利用水氣去除

11、模型恢復影像中每個像元的水氣量運用水氣去除模型，數據必需具有15nm以上波譜分辨率，且至少覆蓋以下波譜范圍之一： 1050-1210 nm (對應 1 nm) 870-1020 nm (對應940 nm) 770-870 nm (對應820 nm)單一的水氣因數用于整體影像，默許是1，對于多光譜數據運用水氣去除模型，可以在多光譜設置中手動設置水氣波段氣溶膠模型Aerosol Model提供四種規范MODTRAN氣溶膠模型Rural鄉村、Urban城市、Maritime海洋、Tropospheric對流層，能見度在40km以上兩種氣溶膠去除方法2-BandK-T方法(類似模糊減少法)，假設沒有找

12、到順應的黑值普通是陰影區或者水體，系統將采用能見度值來計算；所以即使選擇了該選項也要給能見度。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天氣條件 能見度 晴朗 40 to 100 km 中等霧、陰霾 20 to 30 km 厚霧、陰霾15 km 或者更少 高級設置光譜定義文件：內置AVIRIS、HYMAP、HYDICE、HYPERION、CASI、AISA。氣溶膠厚度系數：用于技術鄰域效應范圍。普通值為12km。CO2混合比率：默以為390ppm。運用領域糾正。運用以前的MODTRAN模型計算結果。設置MODTRAN模型的光譜分辨率引薦值5 cm-1)。設置MODTRA

13、N多散射模型。提供三種模型供選擇Isaacs，DISORT和 Scaled DISORT。默許是Scaled DISORT和streams為8，這種模型對于小于1000nm具有較高的精度；天頂角方位角針對非星下點傳感器。輸出反射率縮放系數Output Reflectance Scale Factor：為了降低結果儲存空間，默許反射率乘于10000。輸出結果外表反射率影像水氣含量數據云圖日志文件FLAASH大氣校正模板文件3、物質制圖與識別、探測波譜庫波譜分析端元波譜搜集高光譜制圖與識別 波譜庫ENVI波譜庫 安裝目錄下spec_libJet Propulsion Laboratory 0.42

14、.5um 160種純礦物波譜美國地質調查局(USGS) 0.42.5um 500種質優礦物波譜 和幾個植被波譜Johns hopkins university 0.414um 礦物波譜IGCP264 (工程) 26個質優樣品運用波譜儀丈量得到翻開波譜庫spectral/spectral libraries/view) 顯示波譜曲線(點擊創建波譜庫spectral/spectral libraries/builder) 波譜庫的創建與閱讀輸入波長范圍輸入光譜從圖像中獲取外部文件二進制導入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 Spectral Analyst

15、波譜分析首先需求翻開一個波譜庫，然后將未知波譜與波譜庫中的波譜進展匹配處置，該工具運用波譜角分類,波譜特征擬和二進制編碼技術,對一未知波譜與波譜庫中要素的匹配進展排序,輸出一個列表,按照波譜匹配的好壞依次陳列,并紀錄一個總體的得分.匹配時需求設置三種方法所占的權重,權重是恣意的,最后輸出一個總體得分,得分越高,闡明匹配效果越好.光譜識別流程MNF變換重要作用用于斷定圖像內在的維數分別數據中的噪聲減少計算量彌補了主成分分析在高光譜數據處置中的缺乏計算時需求輸入的參數統計信息的圖像范圍shift diff subset噪聲統計文件可以用到另一副圖像上做變換MNF統計文件(反變換的時候要用)Mnf變

16、換輸出波段選擇(根據特征值選擇輸出波段) 利用MNF變換后的圖像進展端元提取經過MNF變換后的圖像波段之間的相關性有效地降低了，并且出現了多個拐點，這些拐點就是我們要找的端元Endmembers。 波譜曲線對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展端元識別識別每一類地物后,將端元導出成ROIPPI純真像元指數生成的結果是一副灰度的影像,DN值越大闡明像元越純.作用及原理純真像元指數法對圖像中的像素點進展反復迭代，可以在多光譜或者高光譜影像中尋覓最 純的像元.(通常基于MNF變換結果來進展)純真像元指數可以將N維散點圖迭代映射為一個隨機單位向量來計算,每次映射的極值像元被記錄下來,

17、并且被標為極值的總數也被記錄下來.按照多次映射每個像元被記錄為極值像元的次數來決議該像元能否為純真像元.計算時需求輸入的參數進展迭代的次數設置域值的系數(極值像元的域值)數據二次采樣(減少內存,但不能太小)處置時會出現純真像元指數圖X- 像元迭代次數,Y-極值像元總數該圖顯示了PPI做為迭代次數的函數當一切極值像元都曾經找到后,它應該接近于一條程度線處置結果: DN值越大闡明像元越純.PPI純真像元指數提取ROI設置波段域值提取PPI_ROI通常只設最小值 (值越大,像元越純真)N維可視化器提取PPI_ROI后翻開N維可視化器,選擇MNF變換結果,系統默許導入PPI_ROIPPI_ROI端元提

18、取波譜曲線對比編輯ROI生成地物平均波譜波譜分析,端元識別端元波譜搜集端元波譜搜集器ASCII文件ASD丈量文件波譜庫ROI/矢量文件統計文件剖面波譜圖N維可視化分析器二維散點圖SMACC工具一切監視分類與高光譜制圖工具高光譜制圖二進制編碼波譜角分類線性波段預測LS-Fit線性波譜分別光譜信息散度匹配濾波混合調諧匹配濾波MTMF包絡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從規范波譜庫中獲取端元波譜翻開jpl_lib/jpl1.sli波譜庫文件，獲得以下物質的波譜ALUNITE SO-4ABUDDINGTONITE FELDS TS-11ACALCITE C-3DCHABAZITE T

19、S-15AILLITE PS-11AKAOLINITE WELL ORDERED PS-1A選擇Spectral Angle Mapper制圖方法波譜沙漏工具目的識別導游式波譜分析工具影像亮度值定標為反射率最小噪聲分別MNF純真像元指數PPIN維散度分析選擇終端單元地物制圖地物識別Apparent ReflectanceMNFPPIn-DIDMap Distributionand Abundance作用：將地物波譜與端元波譜進展對比來地物制圖識別地物SAM與BandMax結合進展目的探測基于BandMax導游的SAM目的探測引導他完成高光譜影像的目的探測。導游的BandMax部分能幫他找到最正確的波譜子集以區分背景和目的，并節省處置的時間。導游主要有以下幾個步驟：選擇輸入/輸出文件選擇目的選擇目的波譜選擇背景選擇需求抑制的背景信息利用BandMax計算有效波段識別對SAM分析中有效的波段 選擇最大角閾值 定義SAM 最大角檢驗制圖成果 SAM分析以及成果檢驗。4、植被分析植被指數計算器植被分析植被指數計算器提供了6類 27種植被指數的計算綠度Greenness光利用率Light