高光譜實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、目 錄實(shí)驗(yàn)一 高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取 . 1實(shí)驗(yàn)二 高光譜遙感數(shù)據(jù)的大氣校正 . 4實(shí)驗(yàn)三 地物光譜測(cè)量與成像 . 7實(shí)驗(yàn)四 MNF 與端元選取 . 11實(shí)驗(yàn)五 光譜特征分析 . 171實(shí)驗(yàn)一 高光譜遙感數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)?zāi)康母吖庾V遙感數(shù)據(jù)的具有較高的光譜分辨率，每個(gè)波段的范圍?。ㄕǘ危?，通常具有數(shù)十個(gè)至200 多個(gè)窄波段。本次實(shí)驗(yàn)的目的是利用ENVI、Erdas 等軟件觀察TM、AVIRIS 和Hyperion 等遙感數(shù)據(jù)或者實(shí)驗(yàn)室使用Headwall 高光譜相機(jī)拍攝的高光譜圖像數(shù)據(jù)，認(rèn)識(shí)高光譜數(shù)據(jù)的圖譜合一的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 合成真彩色和假彩色的影像2、 提取同類(lèi)或異類(lèi)地物（物體）的光譜曲線(xiàn)預(yù)備

2、知識(shí)1、 遙感數(shù)據(jù)的基本參數(shù)a) ETM波段 波長(zhǎng)(微米) 分辨率(米) 主要作用Band 1 藍(lán)綠波段 0.45-0.52 30 用于水體穿透,分辨土壤植被Band 2 綠色波段 0.52-0.60 30 分辨植被Band 3 紅色波段 0.63-0.69 30處于葉綠素吸收區(qū)域, 用于觀測(cè)道路/裸露土壤/植被種類(lèi)效果很好Band 4 近紅外 0.76-0.90 30用于估算生物數(shù)量, 盡管這個(gè)波段可以從植被中區(qū)分出水體，分辨潮濕土壤，但是對(duì)于道路辨認(rèn)效果不如TM3Band 5 中紅外 1.55-1.75 30用于分辨道路/裸露土壤/水, 它還能在不同植被之間有好的對(duì)比度,并且有較好的穿透大

3、氣、云霧的能力。2b) AVIRIS指標(biāo) 波段 波長(zhǎng)(微米)波長(zhǎng)范圍 400-2500nm Band 1-4 紫外 0.369-0.399光譜分辨率 10nm Band 5-14 藍(lán)光 0.409-0.497Fwmh 10nm Band 15-24 綠光 0.507-0.596Band 25-36 紅光 0.606-0.693Band 37-63近紅外0.702-1.048c) Hyperion指標(biāo) 波段 波長(zhǎng)(微米)波長(zhǎng)范圍 430-2400 Band 1-5 紫外 0.356-0.396光譜分辨率 10nm Band 6-15 藍(lán)光 0.406-0.498Band 16-25 綠光 0.5

4、08-0.600Band 26-36 紅光 0.609-0.691Band 37-184 近紅外 0.702-1.992Band 185-242 中紅外 2.002-2.577報(bào)告內(nèi)容1、 分別使用AVIRIS 和Hyperion 數(shù)據(jù)，如何針對(duì)植被、水體等不同地物進(jìn)行假彩色合成選擇合適的波段？2、 分別從ETM+，AVIRIS 和Hyperion 數(shù)據(jù)中分別選取5 種不同的地物，提取曲線(xiàn)。從光譜剖面曲線(xiàn)上，比較分析多光譜數(shù)據(jù)和高光譜數(shù)據(jù)的各自特點(diǎn)。3、 信噪比計(jì)算，對(duì)Headwall 拍攝的數(shù)據(jù)，采用MNF 去噪后，實(shí)現(xiàn)以下計(jì)算和比較分析：a) 去噪前后，各波段圖像的信噪比值Band 6 熱

5、紅外 10.40-12.50 60 感應(yīng)發(fā)出熱輻射的目標(biāo)。Band 7 中紅外 2.09-2.35 30對(duì)于巖石/礦物的分辨很有用, 也可用于辨識(shí)植被覆蓋和濕潤(rùn)土壤。Band 8 全色 0.52-0.90 15得到的是黑白圖象, 分辨率為15m,用于增強(qiáng)分辨率, 提供分辨能力。3b) 去噪前后，同一像素的（或同一區(qū)域的平均）光譜的信噪比值4實(shí)驗(yàn)二 高光譜遙感數(shù)據(jù)的大氣校正實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇髿獾挠绊憣?duì)高光譜遙感而言比多光譜遙感更重要，尤其是陸地高光譜遙感，消除大氣的影響而獲得接近地面測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)，對(duì)于準(zhǔn)確識(shí)別地物、屬性估計(jì)等具有十分重要的意義。大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得

6、地物反射率和輻射率、地表溫度等真實(shí)物理模型參數(shù)，用來(lái)消除大氣中水蒸氣、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧對(duì)地物反射的影響，消除大氣分子和氣溶膠散射的影響。本次實(shí)驗(yàn)的目的是掌握一般大氣校正方法，理解大氣傳輸過(guò)程中散射、吸收和折射作用的影響機(jī)理和校正的原理，掌握大氣校正的一般方法和處理過(guò)程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、使用黑暗目標(biāo)法分別對(duì)TM和AVIRIS影像進(jìn)行大氣校正2、使用FLAASH模塊對(duì)AVIRIS影像進(jìn)行大氣校正預(yù)備知識(shí)1、黑暗目標(biāo)消減法(Dark Object Substraction,DOS)a) 基本原理：尋找影像中的最暗的目標(biāo)區(qū)域，假設(shè)該區(qū)域的光譜反射率為0，而實(shí)際獲得的反射率是由于大氣影響或程輻射的

7、結(jié)果，并且其它區(qū)域受到相同的影響。那么，可以通過(guò)從每個(gè)像元的反射率5扣除掉黑暗目標(biāo)的反射率就可以達(dá)到大氣校正的目的。通常情況下，我們一般選擇水體作為暗目標(biāo)。b) ENVI 中DOS 的操作i. ENVI 中DOS 被稱(chēng)為Dark Subtractii. 依次選擇菜單 Basic Tool > Preprocessing > GeneralPurpose Utilities > Dark Subtract，啟動(dòng)模塊。選擇待校正的圖像，選擇Band Minimum 選項(xiàng)，即每個(gè)波段的最小值將被自動(dòng)選為暗目標(biāo)的反射率。處理后保存結(jié)果即可。2、ENVI FLAASHa) 簡(jiǎn)介：ENV

8、I 的高精度大氣校正工具包，其最新擴(kuò)展模塊FLAASH2.0 專(zhuān)門(mén)對(duì)波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速大氣校正分析。FLAASH可以處理任何高光譜數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)和航空數(shù)據(jù)(860nm/1135nm)，這些數(shù)據(jù)是由HyMAP、AVIRIS、CASI、HYDICE、HYPERION(EO1)AISA、HARP、DAIS、Probe1、TRWIS3、SINDRI、MIVIS、 OrbView4、NEMO 等傳感器獲得的。FLAASH還可以校正垂直成像數(shù)據(jù)和側(cè)視成像數(shù)據(jù)。FLAASH 是目前精度最高的大氣輻射校正模型，使用了 MODTRAN 4 輻射傳輸模型的代碼，基于像素級(jí)的校正，校正由于漫反射引起的連帶效應(yīng)，包含卷

9、云和不透明云層的分類(lèi)圖，可調(diào)整由于人為抑止而導(dǎo)致的波譜平滑。FLAASH 可對(duì)Landsat, SPOT,AVHRR, ASTER, MODIS, MERIS, AATSR,IRS 等多光譜、高光譜數(shù)據(jù)、航空影像及自定義格式的高光譜影像進(jìn)行快速大氣校氣校正的目的。通常情況下，我們一般選擇水體作為暗目標(biāo)。6b) ENVI 中的FLAASH 的操作請(qǐng)參見(jiàn)附件ENVI FLAASH使用手冊(cè)報(bào)告內(nèi)容1、一些基本的概念：a) 大氣散射b) 大氣吸收和地面遙感可以利用的主要大氣窗口c) 解釋為什么天空是藍(lán)色的，而在太陽(yáng)升起和落下時(shí)天空會(huì)呈現(xiàn)紅色或橘紅色d) 為什么需要進(jìn)行大氣校正2、對(duì)比分析 DOS 和F

10、LAASH 的處理結(jié)果，注意典型地物的校正效果。從大氣傳輸過(guò)程簡(jiǎn)要分析一下FLAASH 的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置對(duì)結(jié)果的影響。7實(shí)驗(yàn)三 地物光譜測(cè)量與成像實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解地面高光譜數(shù)據(jù)獲取的一般方法和測(cè)量過(guò)程2、 了解地物光譜儀的一般工組原理3、 理解地物光譜測(cè)量是定量遙感建模的重要內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、了解野外便攜式地物光譜儀的原理、使用和操作2、使用野外便攜式地物光譜儀測(cè)量典型地物（水，土，作物）的光譜曲線(xiàn)預(yù)備知識(shí)1、便攜式地物光譜儀的基本工作原理光纖光譜儀是現(xiàn)代主流的便攜式地物光譜儀，基本工作原理是光源發(fā)光通過(guò)光纖傳導(dǎo)入采樣探頭，光線(xiàn)照射于物體表面后，反射光再經(jīng)探頭導(dǎo)入與光譜儀相連的光纖束，被測(cè)光由接

11、頭入射到光譜儀內(nèi)。光譜儀內(nèi)的分光結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。入射光經(jīng)反射準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，平面反射式光柵分光后，將入射光分成按一定波長(zhǎng)順序排列的單色光，再由成像物鏡聚焦后，投射到CCD陣列的光敏面上進(jìn)行檢測(cè)。典型的光纖光譜儀的構(gòu)造如下圖。Vs(實(shí)驗(yàn)采用式中，()分別為測(cè)2、幾1) SV2) 海垂直測(cè)量()為被測(cè)量物體種便攜式VC 便攜式地光洋光學(xué)US光方法，計(jì)􀟩􁈺􀟣􁈻物體的反和標(biāo)準(zhǔn)版地物光譜物光譜儀光譜內(nèi)置存通線(xiàn)陣列探譜分辨率（最小積分SB4000VIS光譜內(nèi)置存儲(chǔ)通道線(xiàn)陣列探譜分辨率（最小積分算公式為􀵌􀜸

12、􁈺􀟣􁈻􀜸􀯦􁈺􀟣􁈻射率，s的儀器測(cè)儀的基本參數(shù)范圍： 35儲(chǔ)器 ： 50道數(shù) ： 10測(cè)器： (2(FWHM）： 時(shí)間： 1NIR范圍： 35器 ： -數(shù) ： -測(cè)器： 36FWHM）： 1.時(shí)間： 3.：􀵈 􀟩􀯦􁈺􀟣􁈻s()為標(biāo)準(zhǔn)量值。50 250000 scans(掃0241) 512 Si，2) 256 InGa3) 256 擴(kuò)展3.5nm,

13、 3508.5nm 10006.5nm, 185毫秒50 1000648 Si，3505nm, 350 8 毫秒􁈻版的反射nm)350-1000nmaAs，1000-1的InGaAs0 1000 n0 1850 n50 2500nm-1000nm1000 nm率，V(m1850nms，1850-25nmnmnm8)，00nm9實(shí)驗(yàn)步驟1、 測(cè)量目標(biāo)和條件的選擇（1） 環(huán)境: 無(wú)嚴(yán)重大氣污染，光照穩(wěn)定，無(wú)卷云或濃積云， 風(fēng)力小于3 級(jí)，避開(kāi)陰影和強(qiáng)反射體的影響(測(cè)量者不穿白色服裝)。（2） 時(shí)間: 地方時(shí)9: 3014: 30 。（3） 取樣: 選擇物體自然狀態(tài)的表面作為觀測(cè)面

14、，取樣面積大于地物自然表面起伏和不均勻的尺度，被測(cè)目標(biāo)面要充滿(mǎn)視場(chǎng)。（4） 標(biāo)準(zhǔn)板: 標(biāo)準(zhǔn)板表面與被測(cè)地物的宏觀表面相平行， 與觀測(cè)儀器等距，并充滿(mǎn)儀器視場(chǎng)，保證板面清潔。2、 安裝儀器開(kāi)始測(cè)試（1） 對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)板，讀取數(shù)據(jù)為Vs 。（2） 移開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)板對(duì)準(zhǔn)地物，讀取數(shù)據(jù)Vg 。（3） 重復(fù)步驟(1)(2)， 測(cè)量59 次， 記錄數(shù)據(jù)， 計(jì)算平均值。（4） 更換目標(biāo)，做好信息記錄， 重復(fù)(1)(3)步驟。（5） 整理數(shù)據(jù)，根據(jù)上述公式計(jì)算反射率g() , 標(biāo)準(zhǔn)板的反射率's() 為已知值。儀器安裝注意事項(xiàng):Ø 測(cè)量高度: 儀器保持水平架設(shè)，離被測(cè)地物表面距離1m。Ø 幾

15、何關(guān)系:儀器軸線(xiàn)與天頂?shù)膬A斜角<±2°，標(biāo)準(zhǔn)面水平10放置。3、 分析實(shí)測(cè)結(jié)果（1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)確繪出地物光譜反射率曲線(xiàn)圖。（2）根據(jù)所繪曲線(xiàn)， 比較不同地物光譜特征，分析在遙感影像上可能產(chǎn)生的差異。（3）分析實(shí)習(xí)過(guò)程中可能引起誤差的因素。報(bào)告內(nèi)容1、 分析地物光譜測(cè)量過(guò)程中的幾種主要的影響因素。2、 在Excel 或Matlab 中繪制測(cè)量得到的典型地物的光譜曲線(xiàn)，并從地物的光譜響應(yīng)特征和特征波段的測(cè)量結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行分析和簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)11實(shí)驗(yàn)四 MNF 與端元選取實(shí)驗(yàn)?zāi)康墓庾V解混是高光譜數(shù)據(jù)處理與分析的基本方法和必要的過(guò)程。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖橇私飧吖庾V影像混合的基

16、本理論，掌握端元選取和光譜解混的一般方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、MNF變換是本次實(shí)驗(yàn)使用AVIRIS的高光譜影像，已經(jīng)經(jīng)過(guò)消光和大氣校正。在ENVI中打開(kāi)該影像，按照下列步驟進(jìn)行MNF變換處理：（1） 從ENVI 的主菜單按照下列之一的方式打開(kāi)MNF 的對(duì)話(huà)框a) Transform MNF Rotation Forward MNF Estimate NoiseStatistics From Datab) Spectral MNF Rotation Forward MNF Estimate NoiseStatistics From Data（2） 選擇 文

17、件，默認(rèn) Spatial Subsetting, SpectralSubsetting, 和 Masking，然后點(diǎn)擊OK，打開(kāi)Forward MNFTransform Parameters 的對(duì)話(huà)框；（3） 按照下圖的命名方式指定每個(gè)文件名和參數(shù)，文件路徑可以指定到其他位置。其他參數(shù)缺省。（4） 點(diǎn)繪圖窗口Bands L擊OK，(下圖)，List窗口中ENVI運(yùn)行并且cup。下圖描完畢后，95mnf.da述了各個(gè)會(huì)出現(xiàn)Mat會(huì)自動(dòng)加波段包含MNF Eige入到Av噪聲的大envaluesvailable小。特12s的征（3）值越接近有效性。2、端（1） 在個(gè)波段，Load Ba（2） 觀To

18、ols 框中選擇或者選擇注意散點(diǎn)利用散點(diǎn)1的波段元選取Availabl選擇Graand，按照察MNF的2D Scatte不同的兩兩個(gè)編號(hào)圖中的拐?qǐng)D選擇端包含的噪e Bandsay Scale，灰度圖像散點(diǎn)圖er Plots ，個(gè)編號(hào)差較大但差角或定點(diǎn)元。在S聲越大，List窗口中點(diǎn)擊Dis的方式打。在顯示然后在S異比較大異小的波。Scatter P因此從上選擇cuplay #1，開(kāi)。cup95mnScatter P的波段段（如lot窗口中圖中可以p95mnf.d選擇Newnf的窗口上lot Band（如bandband24和，選擇O判斷波段dat，選擇w Display依次選擇Choice對(duì)1

19、和bandband25Options 13的第1y 和話(huà)25），）。ChangeMNF BanImage:分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)然后右擊來(lái)。再次位置ROIMNF的Ie Bands，nd 1 和MROI，在，如下圖選擇多邊選擇ClasI，并選中Image wi打開(kāi)BaMNF Band窗口中點(diǎn)例子所示形，數(shù)據(jù)ss New。從菜單indow 就nd Choiced 2，點(diǎn)擊云的拐角：點(diǎn)在對(duì)應(yīng)w，按照上中選擇可以看到e對(duì)話(huà)框，OK。然后或者延伸的圖像中面的要求Options 相應(yīng)的像X和Y分別選擇Op出去的就會(huì)用繪制另Image素點(diǎn)。對(duì)應(yīng)選ptions 位置選擇紅色顯示外一個(gè)不e: Dance。14擇部出同在（4預(yù)

20、備Rot中的的主和重選擇Opti區(qū)域。重來(lái)辨識(shí)端4） 在cupInteres的窗口中選擇Plot面平均反知識(shí)MNF 變換最小噪聲tation）工噪聲，減成分變換新調(diào)節(jié)數(shù)ons Ex復(fù)上述過(guò)元是十分p95eff窗st，將保存選擇Statt 和Mea射光譜。分離變具用于判少隨后。第一據(jù)中的xport All，程得到多重要的?？诘牟藛蔚腞OI調(diào)ts,選擇所an for all接下來(lái)可換（Min定圖像數(shù)處理中的次變換（噪聲，這步，在ROI T個(gè)端元中選擇Ov入到cup有的ROIl ROIs ，以用Znimum N據(jù)內(nèi)在的計(jì)算需求基于估計(jì)操作使Tool對(duì)話(huà)框。注意，verlay p95eff的顯I顯示統(tǒng)計(jì)就可以得profile觀Noise Frac維數(shù)（即量。MN的噪聲協(xié)變換后的中顯示通過(guò)不同Region示窗口。結(jié)果的窗到每一個(gè)察每個(gè)端ction Rot波段數(shù)NF 本質(zhì)上方差矩陣噪聲數(shù)據(jù)定義的這波段的組n of在ROI T口，在其ROI的元的光tation，M），分離數(shù)是兩次層）用于分只有最小15些合Tool中表譜。MNF據(jù)疊離的16方差且沒(méi)有波段間的相關(guān)。第二步是對(duì)噪聲白化數(shù)據(jù)（Noisewhitened）的標(biāo)準(zhǔn)主成分變換。為了進(jìn)一步進(jìn)行波譜處理，通過(guò)檢查最終特征值和相關(guān)圖像來(lái)判定數(shù)據(jù)的內(nèi)在維數(shù)。數(shù)據(jù)空間可被分為兩部分：一部分與較大特征值和相對(duì)應(yīng)的特征圖像相關(guān)，其余部分與近似相同的特征值