典型地物反射波谱测量与特征分析演示教学

典型地物反射波谱测量与特征分析
一、实验目的与要求
1.实验意义：
（1）对光谱测量仪器的认识：ASD野外光谱分析仪FieldSpecPro是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具，它能够快速扫描地物，光线探头在毫秒内得到地物的单一光谱。

FieldSpec分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光线光学探头以及连接数据线组成。

通过连接电脑，可实时持续显示测量光谱，使得测量者可以即时获取需要的测量数据。

（2）对课堂内容的认识：地物反射光谱是指某种物体的反射率或反射辐射能随波长变化的规律，以波长为横坐标，反射率为纵坐标所得到的曲线即为反射波谱特性曲线。

影响地物波谱变化的因素：太阳位置（太阳高度角和方位角）。

不同的地理位置，海拔高度不同。

时间、季节的变化。

地物本身差异、土壤含水量、植被病虫害。

2.实验目的：
（1）地物波谱数据获取需要使用地面光谱仪，通过该实验学会地面光谱仪的原理与使用方法。

（2）通过对地物光谱曲线分析，比较相异与相似地物反射光谱特征。

认识并掌握典型地物反射光谱特征。

二、实验内容与方法
1.实验内容
（1）典型地物反射波谱测量
选择典型地物类型，使用地物光谱仪，开展地物光谱测量，获得典型地物可见光近红外波段（0.4-2.5微米）的反射光谱曲线。

地物类型：植被（草地、灌丛），水体（不同水深，有无植被），土壤（裸土、有少量植被覆盖土壤），不透水地面（水泥地面、沥青路面、大理石地面）。

（2）地物波谱特征分析
a)标准波谱库浏览
b)波谱库创建
c)高光谱地物识别
●从标准波谱库选择端元进行地物识别
●自定义端元进行地物识别
2.实验方法
（1）ASD光谱仪简介
FieldSpec Pro型光谱仪是美国分析光谱设备(ASD)公司主要的野外用高光谱测量设备。

整台仪器重量7.2公斤，可以获取350~2500nm 波长范围内地物的光谱曲线，探测器包括一个用于350-1000nm的
512像元NMOS硅光电二极管阵列, 以及两个用于1000-2500nm的单独的热电制冷的铟-镓-砷光电探测器。

便携式光谱仪是“我国典型地物标准波谱数据库”获取光谱数据的主要设备。

基本技术参数：
线性度：+/-1%
波长精度：+/- 1nm@700nm
波长重复性：在校准温度的+/- 10°C范围内优于+/- 0.3nm.
光谱分辨率: 3nm @700nm, 10nm @ 1400nm and 2100nm.
采样间隔: 在350-1000nm范围内为1.4nm，在1000-2500nm范围内为2nm
扫描时间：固定的扫描时间为0.1秒, 光谱平均最多可达31,800次
等效辐射噪声): UV/VNIR(紫外到近红外) 1.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr@700nm
NIR(近红外) 2.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr@1400nm
NIR (近红外) 8.8 x 10-9 W/cm2/nm/sr@2100nm
图1 FieldSpec Pro型光谱仪
（2）光谱分析方法
分波段分析典型地物光谱差异。

描述在可见光波段、近红外波段的各种地物波普特征。

三、实验设备与材料
1.实验设备
（1）硬件：ASD光谱仪；手提电脑；白板；GPS；数码相机。

（2）软件：ENVI Classic，ASD光谱仪配套软件（RS3和View SpecPro Graph）
2.实验材料
（1）在学校校园内选择各种典型地物类型进行测量即可。

（2）实验前已测量好的各类数据（在野外实验无法安排时，可以直接给学生提供提前测量好的各类地物光谱数据，用于地物光谱特征分析。

）
3.工作要求
（1）天气情况：
地面能见度：晴朗，地面能见度不小于10km，
云量要求：太阳周围90°立体角范围内淡积云量小于2%，无卷云或浓积云等，
风力要求：无风或微风（测量时间风力小于4级，对植物测量时风力最好小于3级）测量时间：为保持太阳高度角大于45度，且由于北京地区处于中纬度地区，所以测量时间应在北京时间10:00~14:00之间，冬季对于测量时间应该更加严格一些。

另外，测量速度应该满足<=1min/组。

（2）测量情况：
为减少反射光对观测目标的影响，观测人员应着深色服装，观测时面对太阳站立与目标区后方，观测时保持探头垂直向下，使得机载成像光谱仪观测方向保持一致，注意观测目标的二项反射影响。

记录人员应站在观测人员身后，并避免在目标区周围走动。

对于记录人员，在输出光谱数据设置项中，每条光谱的平均采样次数应不少于10，测
定暗电流的平均采样次数不少于20次。

每隔20分钟要重新对标准白板进行测量校正，以持测量数据的准确性。

此次实验能够测得波谱范围为：350~1050nm之间（可见光和近红外波段）
四、实验步骤
1．地物波谱测定
1)光谱仪、计算机充电：
光谱仪电量不足时红灯闪亮，表现为和计算机的测量软件链接中断，但不会立马断电；
充满电后绿灯闪亮；
如果黄灯闪亮则说明过热，测量中若起初曲线噪声小，使用段时间后近红外波段波动很大，若测量环境未有大的变化，可以关掉软件，休息片刻再测。

2)安装好适当的镜头（视场角有25°裸光纤，10°和25°）或其他附件（如GPS、余弦
接收器等），准备好白板（Baco3白板25*25cm）。

两盏卤素灯位于探头两侧，且与探头在一条直线上，关灯，保证聚焦状态光斑在探头下。

白板若不干净，则影响定标，用蒸馏水泡，600*600及其以上的砂纸擦洗阴干；
使用高密度反射探头时注意不要让尖锐物体表面划伤，磕破镜面；
打开光谱仪电源，预热。

反射率采集预热10分钟足够。

3)再打开计算机，并启动RS3软件（室外采光条件好用黑白的，室内用彩色的）。

开始自动链接，连接好了会显示connected.
4)在软件上选择相应的视场角角度，并调整光谱平均，暗电流平均和白板采集平均次
数。

Control/ adjust configuration
5)在软件中选择需要储存数据的路径、名称、起始条数、采集条数和采样时间间隔。

Control/spectrum save
6)反射率测量：
探头对准白板，点击Opt优化（白板必须充满探头视场。

每隔10-15分钟重新优化一次对于照明条件的改变造成的干扰是有好处的，机器启动初期，并且每隔3-5分钟采集一次暗电流）；
镜头对准白板，点击WR采集参比光谱。

此时，软件自动进入反射率测量状态；
撤走白板，保证整个视场范围在样品中，按空格键采集目标反射光谱；
测量过程中出现饱和状况需要重新优化。

7)测量时间：若采集的光谱要用于高光谱图像的数据定标或解译，则使用时要与得到
遥感影像的照明条件相似，建议在卫星过境或者机载传感器采集数据同时测定高光谱。

8)测量完成后先关闭计算机，再关闭光谱仪。

2．地物波谱特征分析
2.1 标准波谱库浏览
ENVI自带多种标准波谱库，包括建立在JPL波谱库基础上的，从0.4~2.5μm三种不同粒径160种"纯"矿物的波谱。

美国USGS从0.4~2.5μm包括近500种典型的矿物和一些植被波谱。

来自Johns Hopkins University（JHU）的波谱包含0.4~14μm。

IGCP246波谱库有5部分组成，通过对26个优质样品用5个不同的波谱仪测量获得。

植被波谱库由Chris Elvidge 提供，范围是0.4~2.5μm。

ENVI 5.1波谱库中新增了2443种Aster的波谱文件，同时对应的波谱工具也有了很大的该进，用户可直观地看到每一种波谱库中的文件个数，以及更为方便的查看每一种波谱文件的波谱曲线。

ENVI的波谱库文件存放在HOME\ Program Files\Exelis\ENVI51\classic\spec_lib。

启动ENVI 5.1，主菜单> Display > Spectral Library View，在对话框中显示的就是ENVI自带的波谱库文件；
图：ENVI自带波谱库文件
（1）选择打开Veg_lib（99）中的几个植被波谱文件；
在vegetation波谱库中选择6种不同植被的波谱曲线，在下图可以看到起对应的波谱曲线，以及波谱文件的属性信息，包括常规信息和曲线信息。

图：不同植被波谱曲线
（2）波谱曲线显示窗口中的功能；
在波谱曲线窗口中可以看到4个部分的内容：
•导入文件（Import）
图：导入数据方式
此功能可以导入两种格式的文件，包括ASCII及波谱库形式存在的文件。

•导出文件（Export）
图：导出数据方式
导出波谱文件的格式可以分类4大类：
•常见数据格式——ASCII与波谱库文件；
•Image、PDF及Postscript输出格式；
•复制波谱曲线；
•直接打印曲线或在PowerPoint中展示；
•选项工具（Options）
图：选项功能
选项工具中有三个功能：
•打开新的Plot窗口——自由拖拽收集的地物波谱；
•波谱曲线上显示十字丝——一直保持十字丝可见，显示波谱显现十字丝节点含义；
•添加波谱图例——不同颜色的波谱曲线代表什么样的地物，更直观方便；
•波谱曲线X、Y轴代表含义
X轴代表：
•Wavelength：（默认显示）影像波长；
•Index：波段i，i代表影像具有i个波段；
•Wavenumber: 波数，即1/wavelength ，波数与波长成反比关系，波长越小，波数就越大。

Y轴代表：
•Data Value：（默认显示）影像原始值；
•包络线去除Continuum Removed：绘制数据与连续删除。

连续的是，套在光谱的顶部的凸包。

它分为原始数据值，以产生连续取出的值。

在
连续使用中的绘制曲线中所显示的第一和最后一个数据点计算的，所以
只对已缩放的图形，在连续的基础上所显示的数据来计算范围。

•Binary Encoding：二进制编码，重新生成0与1的波频曲线。

图：导出PNG格式的波谱曲线
（3）波谱曲线属性显示窗口
•：同一窗口中显示多个地类的波谱曲线不予重叠显示；
•：恢复原始数值范围曲线显示；
•：点击此功能显示或者隐藏Plot Key与曲线属性；
•：移除选中的一个曲线数据；
•：移除全部的曲线数据；
•：如果曲线节点有异常可以通过此工具进行编辑修订；
2.2 波谱库创建
ENVI可以从波谱源中构建波谱库，波谱来源包括：ASCII文件，由ASD波谱仪获取的波谱文件，标准波谱库，感兴趣区/矢量区域平均波谱曲线，波谱剖面和曲线等。

下面介绍波谱库建立的操作步骤：
第一步：输入波长范围
（1）在ENVI中，选择Toolbox/Spectral/Spectral Libraries/Spectral Library Builder。

打开Spectral Library Builder对话框。

（2）为波谱库选择波长范围和FWHM值，有三个选项：
•"Data File" (ENVI图像文件) ：波长和FWHM值（若存在）从选择文件的头文件中读取
•"ASCII File"：波长值与FWHM值的列的文本文件
•"First Input Spectrum"：以第一次输入波谱曲线的波长信息为准选择"First Input Spectrum"，单击ok，打开Spectral Library Builder面板。

图：Spectral Library Builder对话框
第二步：波谱收集
在Spectral Library Builder面板中，可以从各种数据源中收集波谱，见下表。

所有收集的波谱被自动重采样到选择的波长空间。

表2.1波谱收集方法说明
菜单命令功能
文本文件（From ASCII file）从包含波谱曲线x轴和y轴信息的文本文件，当选择好文本文件时候，需要在Input ASCII File面板中为x轴和y轴选择文本文件中相应的列。

当选择from ASCII file (previous template)时，自动按照前面设置导入波谱信息。

from ASD Binary Files 从ASD波谱仪中导入波谱曲线。

波谱文件将被自动重采样以匹配波谱库中的设置。

当ASD文件的范围与输入波长的范围不匹配，将会产生一个全0结果。

from Spectral
Library
从标准波谱库中导入波谱曲线。

from ROI/EVF from input file 从ROI或者矢量EVF导入波谱曲线，这些ROI /EVF关联相应的图像，波谱就是ROI/EVF上每个要素对应图像上的平均波谱。

from Stats file从统计文件中导入波谱曲线，统计文件的均值波谱将被导入。

From Plot
Windows
从Pot窗口中导入波谱曲线。

下面介绍从高光谱图像数据中收集波谱和从ASD波谱仪中导入波谱曲线。

启动ENVI，打开高光谱数据CupriteReflectance.dat。

•收集图像上某个像元的波谱：
（1）选择Display>Profile>Spectral，在Spectral Profile对话框中，显示当前鼠标点的剖面曲线。

找到要收集的像元，鼠标选中，该像元的波谱曲线显示
（2）回到Spectral Library Builder面板中，选择Import >From Plot Windows，将所收集的波谱选中导入。

（3）导入的波谱显示在列表中，在波谱名称（Spectrum Name）字段对应的记录双击鼠标以修改波谱名称。

同样的方法可以修改颜色（Color）字段的信息。

图：Import from Plot Windows面板
这种方法是从图像上获取单个点的波谱曲线，也可以获取某个区域的平均波谱曲线，如ROI文件或者矢量文件。

•收集ROI或矢量文件范围的平均波谱
（1）在ENVI主菜单中，选择File>Open，打开"ROI\CupriteMineralROIs.xml"感兴趣样本文件。

（2）回到Spectral Library Builder面板中，选择Import >from ROI/EVF from input file，选择高光谱文件CupriteReflectance.dat作为波谱来源。

图：Spectral Library Builder面板
（3）选中某一类感兴趣区，如方解石Calcite，点击Plot，绘制该感兴趣区的平均光谱曲线。

图：方解石Calcite的平均光谱曲线
第三步：保存波谱库
（1）Spectral Library Builder面板中，点击Select All，将样本全部选中；
（2）Spectral Library Builder面板中，选择File>Save Spectra As>Spectral Library，打开Output Spectral Library面板；
（3）在Output Spectral Library面板中，可以输入以下参数：
•Z剖面范围（Z Plot Range）:空白（Y轴的范围，根据波谱值自动调节）
•X轴标题（X Axis Title）：波长
•Y轴标题（Y Axis Title）：反射率
•反射率缩放系数（Reflectance Scale Factor）：空白
•波长单位（Wavelength Units）：Nanometers
•X值缩放系数（X Scale Factor）：1
•Y值缩放系数（Y Scale Factor）：1
（4）选择输入路径及文件名，单击OK保存波谱库文件。

图：保存波谱库参数设置面板
从ASD波谱仪中导入波谱曲线
1．使用VSP 软件输出ASCII files。

打开View SpecPro Graph,导出仪测量数据。

具体步骤如下：ViewSpecProVersion5.6-->files-->open-->选择.asd数据
图2 View SpecPro加载数据
图3 选择数据文件
●Setup->Output directory
●File->Open选择ASD spectra files (*.asd)
●View->Graph data to browse the spectral data
●Go to Process->ASCII Export, choose Reflectance if
that’s the data you have collected. S elect Print Header Information as that will give you really useful information on the instrument. Then click OK to proceed.
2．使用ENVI 进行光谱库的建立。

在Spectral Library Builder window, 选择Import -> from ASCII file… 选择你要分析的数据。

2.3 高光谱地物识别
高光谱图像分类方法与传统的多光谱分类有本质的区别，从高光谱图像的每个像元均可以获取一条连续的波谱曲线，就可以考虑用已知的波谱曲线和图上每个像元获取的波谱曲线进行对比，理想情况下两条波谱曲线一样，就能说明这个像元是哪种物质。

我们把高光谱图像分类、物质识别、探测等称为波谱识别。

ENVI提供许多波谱分析方法，包括：二进制编码、波谱角分类、线性波段预测（LS-Fit）、线性波谱分离、光谱信息散度、匹配滤波、混合调谐匹配滤波（MTMF）、包络线去除、光谱特征拟合、多范围光谱特征拟合等。

下面以一高光谱数据为例，学习用波谱角分析方法从高光谱图像中识别物质的操作过程。

2.3.1 从标准波谱库选择端元进行地物识别
第一步：端元波谱收集
ENVI的端元波谱收集途径非常多，包括ASCII文件、ASD测量文件、波谱库、ROI/矢量文件、统计文件、剖面波谱图、N维可视化分析器、二维散点图、SMACC工具等。

这里我们选择从波谱库中收集端元波谱的方式。

（1）启动ENVI，打开高光谱数据CupriteReflectance.dat
（2）单击主菜单Display-> Spectral Library Viewer，打开usgs（1994）->minerals_asd_2151.sli，点击Alunite、Calcite、Prehnite、Protlanndite，收集这些矿物的端元波谱并自动绘制在右侧的窗口中，将这四条光谱曲线绘制在新的波谱显示窗口，修改每条曲线为中文名；
图：从波谱库中收集端元波谱
第二步：物质识别
（1）在Toolbox中，打开/Classification/Endmember Collection工具，在文件对话框中选择高光谱数据CupriteReflectance.dat；
（2）在Endmember Collection面板中，选择Import >from Plot Windows。

将4个端元波谱全部选中，点击OK；
（3）选择Algrithm >Spectral Angle Mapper 波谱角识别方法。

（4）单击Select All，选中所有的端元波谱。

图：选择端元波谱和制图方法
（5）单击Apply，运行波谱角法制图。

第三步：结果输出
在Spectral Angle Mapper面板上，设置波谱角阈值：0.15，选择结果输出路径和名称。

图：Spectral Angle Mapper制图输出面板
图：矿物识别结果
2.3.2 自定义端元进行地物识别
这里我们选择从图像上收集端元波谱的方式，包括收集单个像元波谱和区域的平均波谱。

第一步：构建端元波谱库
（1）启动ENVI，打开高光谱数据CupriteReflectance.dat；
（2）单击主菜单Display> Profiles>Spectral，在图像上定位到像素坐标为：（467,412）的像元，即在工具栏Go To输入467,412回车，将该像元的光谱曲线显示在窗口中
图：（467,412）像元的波谱曲线
（3）在Toolbox中，打开/Classification/Endmember Collection工具，在文件对话框中选择高光谱数据CupriteReflectance.dat；
（4）在Endmember Collection面板中，选择Import –>from Plot Windows。

将显示的端元波谱选中，点击OK；
单个像素的波谱曲线收集好了，下面是收集一个区域的平均波谱。

（5）在图层管理器中CupriteReflectance.dat上点击右键New Region Of Interest，找到一片需要识别的区域，绘制一个多边形区域；
注：可直接打开ROI\端元ROI.xml
（6）回到Endmember Collection面板，选择Import –>from ROI from input file，将绘制的ROI都选中，点击OK；
（7）在Endmember Collection面板，选择Select All，单击Plot将几条波谱曲线显示出来。

注：以防万一，点击File->Save Spectra as->Spectral Library File，将获取的端元波谱保存为端元波谱文件。

图：保存端元波谱
第二步：确定端元波谱类型
（1）在Toolbox中，选择/Spectral/Spectral Analyst，选择在对话框的右下角选择Open>Spectral Library，选择...\Program Files\Exelis\ENVI51\classic\spec_lib\usgs_min \usgs_min.sli作为对比波谱库，在识别方法权重上按照默认，点击OK；
（2）在Spectral Analyst面板上，选择Options->Edit(x,y) Scale Factors，设置X Data Multipliter为0.001，设置Y Data Multipliter为0.0001，点击OK；
注：标准波谱库的波长是微米，y轴的值为0-1反射率。

图：设置待识别波谱与标准波谱库的单位比例关系
（3）在Spectral Analyst面板上，单击Apply按钮，选择之前步骤中得到的第一个波谱进行分析，点击OK，记下分值最高对应的地物；
图：选择一个波谱进行分析
图：波谱曲线分析结果
（4）回到Endmember Collection面板，将波谱分析得到的地物名在Name中输入；（5）重复（3）--（4）两步，识别剩下的波谱，最后结果如下图所示：
图：波谱识别结果
第三步：物质识别
（1）在Endmember Collection面板中，选择Algrithm >Spectral Angle Mapper 波谱角识别方法；
（2）选择Select All将所有端元波谱全部选中，点击OK；
（3）单击Apply，运行波谱角法制图。

（4）在Spectral Angle Mapper面板上，设置波谱角阈值：0.02，选择结果输出路径和名称。

图：Spectral Angle Mapper制图输出面板
图：矿物识别结果。