《遙感原理與應用》實驗指導書-20140506

1、遙感原理與應用實驗指導書(第一版)實驗一 ENVI基本操作實驗目的了解遙感圖像處理軟件ENVI的界面和基本操作。實驗內(nèi)容ENVI基本功能操作，包括圖像的打開、顯示、增強等。實驗儀器、設備及材料ENVI遙感圖像處理軟件，示例遙感影像。實驗原理影像顯示功能簡介：二維視窗是顯示柵格圖像、矢量圖形、注記文件、 ROI 等數(shù)據(jù)層的主要窗口。通過實際操作，掌握視窗菜單的主要功能、視窗工具功能。圖1 ENVI5.0主界面重點掌握 ENVI5.0主菜單，ENVI5.0工具欄等基本功能。實驗步驟1、圖像顯示File->Open或者選擇需要進行顯示的數(shù)據(jù)文件。2、數(shù)據(jù)管理 File->Data Man

2、ager或者打開數(shù)據(jù)管理窗口。數(shù)據(jù)列表數(shù)據(jù)詳細信息波段合成列表3、工具欄4、右鍵菜單進行顯示控制。如改變RGB彩色顯示波段，影像縮放，柵格數(shù)據(jù)密度分割與顏色表變換等。實驗二 遙感影像幾何校正實驗目的遙感影像的幾何校正處理（圖像配準）。實驗內(nèi)容n 使用ENVI軟件實現(xiàn)遙感圖像的裁剪；n 對裁剪后的影像進行多項式校正（配準）。實驗儀器、設備及材料ENVI遙感圖像處理軟件，示例遙感影像。示例遙感影像包括：u 待校正航攝影像（西南交通大學犀浦校區(qū)2008年）u 參考影像（西南交通大學犀浦校區(qū)2006年Quickbird全色影像）實驗原理多項式糾正回避成像的空間幾何過程，直接對圖像變形的本身進行數(shù)字模擬

3、。多項式的項數(shù)（即系數(shù)個數(shù)）N與其階數(shù)n有著固定的關(guān)系：N=（n+1）（n+2）/2根據(jù)糾正圖像要求的不同選用不同的階數(shù)，當選用一次項糾正時，可以糾正圖像因平移、旋轉(zhuǎn)、比例尺變化和仿射變形等引起的線性變形。當選用二次項糾正時，則在改正一次項各種變形的基礎上，還改正二次非線性變形。如選用三次項糾正則改正更高次的非線性變形。（一） 利用已知地面控制點求解多項式系數(shù)；（二） 遙感圖像的糾正變換（三） 數(shù)字圖像亮度（或灰度）值的重采樣采用適當?shù)姆椒ò涯滁c位周圍鄰近整數(shù)點位上亮度值對該點的亮度貢獻累積起來，構(gòu)成該點位的新亮度值，這個過程即稱為數(shù)字圖像亮度（或圖像灰度）值的重采樣。） 最鄰近像元采樣法取距

4、離被采樣點最近的已知像素的亮度作為采樣亮度。） 雙線性內(nèi)插法取（x,y）點周圍的4鄰點，在y方向內(nèi)插二次，再在x方向內(nèi)插一次，得到（x,y)點的亮度值f（x,y)。） 雙三次卷積重采樣法取與計算點周圍相鄰的16個點，先在某一方向內(nèi)插，再根據(jù)計算結(jié)果在另一個方向上內(nèi)插，得到一個連續(xù)內(nèi)插函數(shù)。實驗步驟第一步：打開并顯示圖像文件(1)選擇主菜單FileOpen Image File，將“犀浦校區(qū)航片2008.tif” 和“犀浦校區(qū)2006全色PAN.img”文件打開，并將他們顯示在Display窗口中。第二步：裁剪待校正影像圖像裁剪的目的是將研究區(qū)之外的區(qū)域去除，常用的方法是按照行政區(qū)邊界或者自然區(qū)

5、劃邊界進行圖像裁剪。同時，還可以按照矩形，任意多邊形，影像對其進行裁剪。（1） 選擇主菜單Basic ToolsResize Data（Spatial/Spectral），在Resize Data Input File中選擇待裁剪的影像，點擊Spatial Subset，進入Select Spatial Subset面板。（2） 在Subset Using下方點擊Image，進入Subset by Image面板。通過調(diào)整紅色矩形框的大小確定待裁剪區(qū)域后，點擊OK。回到Select Spatial Subset面板，點擊OK。（3） 點擊OK后進入Resize Data Parameters面

6、板，選擇重采樣方式，文件存儲路徑。點擊OK后裁剪影像自動添加到可用波段列表中。第三步：啟動幾何校正模塊（1） 選擇主菜單MapRegistrationSelect GCPs：Image to Image,打開幾何校正模塊。（2） 選擇顯示裁剪后的文件的Display窗口為基準圖像（Base Image），顯示“犀浦校區(qū)航片2008.tif”的Display窗口為待校正圖像（Warp Image），點擊OK按鈕，進入采集地面控制點窗口。第四步：地面控制點（GCPs）選取(1) 為了便于選擇控制點，在Display#1和Display#2的主窗口（Image）中分別點擊右鍵ToggleDispla

7、y Cross-hair，顯示十字靶框。(2) 在兩個Display窗口中，移動方框的位置，尋找明顯的地物特征點作為輸入GCP（GCP一定要布置在影像紋理清晰易于定位的地方，如線狀地物的交叉點或地物拐角上，GCP均勻分布在影像上。）在兩個Display窗口中的Image窗口粗略定位后，然后在Zoom窗口精確定位。(3) 匹配好特征點后，在Ground Control Points Selection 上，單擊Add Point按鈕，將當前GCP加入到列表中。(4) 用同樣的方法繼續(xù)尋找其余特征點，當選擇控制點的數(shù)量多余3個時，會自動計算RMS。Ground Control Points Sel

8、ection上的Predict按鈕可用，這時在基準圖像上定位一個特征點，單擊Predict按鈕，待校正圖像顯示窗口中會自動預測匹配區(qū)域，適當調(diào)整一下位置，單擊Add Point按鈕，添加當前GCP。隨著GCP數(shù)量越來越多，預測點的精度會越來越精確。(5) 在Ground Control Points Selection 上，單擊Show List 按鈕，可以看到選擇的所有GCPs。(6) 在Image to Image GCP List 上單擊Options，選擇Order Points by Error，所有的GCPs會自動按照RMS值由高到低排序。(7) 刪除RMS過高的點或者將十字光標重

9、新定位到正確位置，點擊Image to Image GCP List上的Update進行微調(diào)。(8) 反復調(diào)整GCPs，確保總的RMS值小于1個像素，點的數(shù)量足夠而且分布均勻。（ENVI提供3種幾何校正計算模型：仿射變換RST；多項式模型Polynomial；局部三角網(wǎng)Triangulation。應用較多的多項式模型需要確定多項式的次方數(shù)，如2次多項式或者3次多項式。選擇的次方數(shù)與最少的控制點相關(guān)的，計算公式為：最少控制點數(shù)=（n+1）*（n+2）/ 2,其中n為次方數(shù)。如2次多項式最少需要6個控制點。）(9) 在Ground Control Points Selection 上，選擇File

10、Save GCPs to ASCII，保存所選控制點。第五步：選擇校正結(jié)果并輸出結(jié)果（1） 在Ground Control Points Selection上，選擇 OptionsWarp File（as Image to Map），選擇待校正影像，點擊OK后到Registration Parameter面板。（2） 在Registration Parameter中，默認投影參數(shù)和像元大小與基準影像一致。（3） 如上圖所示，校正方法選擇2次多項式（Polynomial），重采樣方法為最近鄰法，背景值為0，選擇輸出路徑和文件名，后點擊OK。第六步：檢驗校正結(jié)果（1） 同時在兩個Display窗口

11、中打開基準影像和校正后的影像，通過視窗鏈接（Link Displays）及十字光標或者地理鏈接（Geographic Link）進行關(guān)聯(lián)。在任意Display窗口中點擊鼠標右鍵，分別選擇Link Displays和Geographic Link后如下圖所示（2） 移動十字光標，目視檢查校正結(jié)果是否符合要求。實驗注意事項思考題實習報告本次實習報告應該包括如下內(nèi)容：1、一般多項式幾何校正的原理與方法；2、數(shù)據(jù)處理的主要步驟及結(jié)果圖件（影像裁剪與幾何校正）；3、查閱文獻資料，歸納總結(jié)目前常用的幾何校正模型及其特點。實驗三 遙感影像輻射處理實驗目的遙感影像的輻射處理（輻射定標與輻射增強）。實驗內(nèi)容n

12、使用ENVI軟件實現(xiàn)遙感影像的輻射定標處理；n 使用ENVI軟件實現(xiàn)遙感影像的融合處理。實驗儀器、設備及材料ENVI遙感圖像處理軟件，示例遙感影像。示例遙感影像包括：u Landsat8 OLI影像（成都地區(qū)2013年）u Quickbird影像（全色+多光譜，西南交通大學犀浦校區(qū)2006年）實驗原理遙感影像的像元值大多是經(jīng)過量化的、無量綱的DN值，而進行遙感定量化分析時，常用到輻射亮度值、反射率值、溫度值等物理量。傳感器（影像）輻射定標就是通過計算獲得這些物理量的過程。輻射定標是將遙感器所得的測量值變換為輻射亮度或地表反射率、表面溫度等物理量有關(guān)的相對值的處理過程?；蛘哒f，輻射定標就是建立遙

13、感傳感器每個探測器輸出值與該探測器對應的實際地物輻射亮度之間的定量關(guān)系。常用的輻射定標模型為線性模型：。影像融合是將同一目標或場景的、并由不同傳感器獲得的，或用同種傳感器以不同成像方式，或在不同成像時間獲得的不同影像，融合為一幅影像。在既保持多光譜影像輻射信息的同時又能提高影像空間分辨率的遙感影像處理方法。影像融合有3個層次，分別是像素級（影像在經(jīng)過嚴格的幾何配準基礎上進行逐像元運算處理而完成的融合處理）；特征級（考慮影像待識別要素的邊緣、形狀、紋理等特征，使要素信息在目標向量層次上得到更好的綜合）和決策級（根據(jù)一定的準則和可信度，實現(xiàn)目標屬性層次上的融合）。主要的融合算法有KL變換、IHS變

14、換、Brovey變換、Gram-Schmidt變換、CN變換及小波變換融合算法等。實驗步驟（1）Landsat8 OLI輻射定標在進行定量化的遙感應用之前，需要對原始影像進行輻射定標運算，目的是把圖像上的DN值轉(zhuǎn)為輻亮度或者是反射率。在ENVI中一般有兩種方式進行輻射定量運算，一種是利用利用計算公式，在ENVI中利用band math（波段運算）計算輻亮度或者反射率，另一種是利用ENVI自帶的對特定傳感器數(shù)據(jù)的定標工具（如Landsat TM、EOS MODIS等）。根據(jù)NASA對于LandSat 8影像使用的相關(guān)說明文檔“Landsat 8 Conversion to Radiance, R

15、eflectance and At-Satellite Brightness Temperature ”(/landsat8.php)，可以根據(jù)下面的公式將DN值轉(zhuǎn)化為大氣層頂輻射亮度值、反射率和亮度溫度。Conversion to TOA RadianceOLI and TIRS band data can be converted to TOA spectral radiance using the radiance rescaling factors provided in the metadata file:L = MLQ

16、cal + AL where:              L          = TOA spectral radiance (Watts/( m2 * srad * m)ML         = Band-specific multiplicative r

17、escaling factor from the metadata (RADIANCE_MULT_BAND_x, where x is the band number)AL          = Band-specific additive rescaling factor from the metadata (RADIANCE_ADD_BAND_x, where x is the band number)Qcal        = Q

18、uantized and calibrated standard product pixel values (DN)    Conversion to TOA ReflectanceOLI band data can also be converted to TOA planetary reflectance using reflectance rescaling coefficients provided in the product metadata file (MTL file). The following equation is used to

19、 convert DN values to TOA reflectance for OLI data as follows:' = MQcal + Awhere: ' = TOA planetary reflectance, without correction for solar angle. Note that ' does not contain a correction for the sun angle. M = Band-specific multiplicative rescaling factor from the metadata (REFLECTAN

20、CE_MULT_BAND_x, where x is the band number)A = Band-specific additive rescaling factor from the metadata (REFLECTANCE_ADD_BAND_x, where x is the band number)Qcal = Quantized and calibrated standard product pixel values (DN)TOA reflectance with a correction for the sun angle is then:where: = TOA plan

21、etary reflectanceSE = Local sun elevation angle. The scene center sun elevation angle in degrees is provided in the metadata (SUN_ELEVATION). SZ = Local solar zenith angle; SZ = 90° - SEConversion to At-Satellite Brightness TemperatureTIRS band data can be converted from spectral radiance to brightness temperature using the thermal constants provided in the metadata file:where: T = At-satellite brightness temperature (K