ENVI高光譜數(shù)據(jù)處理流程PPT學(xué)習(xí)課件

1、ENVI高光譜分析技術(shù),主要內(nèi)容,1、高光譜簡(jiǎn)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(cè) 4、植被分析,1、高光譜遙感簡(jiǎn)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（HyperspectralRemote Sensing） 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（Imaging Spectrometry）遙感。,從光譜影像上獲得光譜曲線,高光譜圖

2、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(cè)量，而是在連續(xù)空間上進(jìn)行光譜測(cè)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、CA

3、SI、HYMAP,AVIRIS,Spectral coverage: VIS to NIR (400-2500nm) Spectral bands: 224 Spectral resolution: 10nm FOV: 30 IFOV: 1.0 mrad Digitization:12 bits,HYMAP,Spectral coverage: VIS:400-800nm,15nm bands; NIR:881-1335nm, 14nm bands; SWIR1:1400-1813nm, 12nm bands; SWIR2:1950-2543nm, 16nm bands; Spectral b

4、ands: 126 FOV: 60 IFOV: 2.5 mrad(along_track) 2.0 mrad(across_track) Pixels per line: 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0.42.5m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(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,11,2020/7/31,傳感器定標(biāo),傳感器定標(biāo)是針對(duì)設(shè)備本身，

5、建立傳感器每個(gè)探測(cè)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、IKONOS、QuickBird、WorldView等；通用方法，包括：平場(chǎng)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

6、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,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(chǎng)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(jiǎn)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MODTRAN 4+模型，它是由Spectral Sciences, Inc. (SSI)和Air Force Research Labs (AFRL)合作開發(fā)，ITT

7、 VIS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：MODTRAN 4+。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

8、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（Edit Header）。 數(shù)據(jù)類型 支持四種數(shù)據(jù)類型：浮點(diǎn)型（floating）、4-byte signed integers, 2-byte signed integers,以及 2-byte unsigned integers。 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0.42500m。,使用ENVI大氣校正模塊基本參數(shù)設(shè)置,傳感器基

9、本信息設(shè)置,使用ENVI大氣校正模塊大氣模型,水氣去除設(shè)置Water Retrieval,水氣去除設(shè)置，采用兩種方式對(duì)水氣進(jìn)行去除： 利用水氣去除模型恢復(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： 1050-1210 nm (對(duì)應(yīng) 1135 nm) 870-1020 nm (對(duì)應(yīng)940 nm) 770-870 nm (對(duì)應(yīng)820 nm) 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)使用水氣去除模型，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（Aerosol Model）,提供四種標(biāo)準(zhǔn)MODTRAN氣溶膠模型 Rura

10、l（鄉(xiāng)村）、Urban（城市）、Maritime（海洋）、Tropospheric（對(duì)流層，能見度在40km以上） 兩種氣溶膠去除方法 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)：用于技術(shù)鄰域效應(yīng)范圍。一般值為12km。 CO2混合比率：默認(rèn)為390ppm。 使用領(lǐng)域糾正。 使用以前的MODTR

11、AN模型計(jì)算結(jié)果。 設(shè)置MODTRAN模型的光譜分辨率（推薦值5 cm-1)。 設(shè)置MODTRAN多散射模型。 提供三種模型供選擇Isaacs，DISORT和 Scaled DISORT。默認(rèn)是Scaled DISORT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)（Output Reflectance Scale Factor）：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,3、物質(zhì)制圖與識(shí)別、探測(cè),波譜庫 波譜分析 端元波譜

12、收集 高光譜制圖與識(shí)別,24,2020/7/31,波譜庫,ENVI波譜庫 （安裝目錄下spec_lib） Jet Propulsion Laboratory 0.42.5um 160種純礦物波譜 美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS) 0.42.5um 500種質(zhì)優(yōu)礦物波譜 和幾個(gè)植被波譜 Johns hopkins university 0.414um 礦物波譜 IGCP264 (項(xiàng)目) 26個(gè)質(zhì)優(yōu)樣品應(yīng)用波譜儀測(cè)量得到 打開波譜庫（spectral/spectral libraries/view) 顯示波譜曲線(點(diǎn)擊） 創(chuàng)建波譜庫（spectral/spectral libraries/builder

13、),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 Spectral Analyst,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)

14、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shift diff subset 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,

15、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.(通常基于MNF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

16、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_ROI PPI_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(cè)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(cè)（LS-F

17、it） 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),從標(biāo)準(zhǔn)波譜庫中獲取端元波譜 打開jpl_lib/jpl1.sli波譜庫文件，獲得以下物質(zhì)的波譜 ALUNITE SO-4A BUDDINGTONITE FELDS TS-11A CALCITE C-3D CHABAZITE TS-15A ILLITE PS-11A KAOLINITE WELL ORDERED PS-1A 選擇Spectral Angle Mapper制圖方法,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（M

18、NF） 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(cè),基于BandMax向?qū)У腟AM目標(biāo)探測(cè)引導(dǎo)你完成高光譜影像的目標(biāo)探測(cè)。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)。,4、植被分析,植被指數(shù)計(jì)算器 植被分析,39,2020/7/31,植被指數(shù)計(jì)算器,提供了6類 27種植被指數(shù)的計(jì)算 綠度Greenness 光利用率Light Use Efficiency 氮 干旱或炭衰減Dry or Senescent Carbon Stress Pigments 冠層水分含量Cano