ENVI高光谱分析技术

光谱识别流程
影像文件 最小噪声分离 MNF 数据维数判断
HYMAP
• • • • • • • • • • Spectral coverage: VIS:400-800nm,15nm bands; NIR:881-1335nm, 14nm bands; SWIR1:1400-1813nm, 12nm bands; SWIR2:1950-2543nm, 16nm bands; Spectral bands: 126 FOV: 60° IFOV: 2.5 mrad(along_track) 2.0 mrad(across_track) Pixels per line: 512
为什么做大气纠正？
• 太阳辐射通过大气以某种方式入射到物体表面然后再反射 回传感器 • 原始影像包含物体表面，大气，以及太阳的信息 • 如果我们想要了解某一物体表面的光谱属性，我们必须将 它的反射信息从大气和太阳的信息中分离出来。
大气散射
邻接反射
直接反射
大气校正方法
• 基于辐射传输模型
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航天成像光谱仪系统——Hyperion/EO-1
• • • • • • 国家：美国 时间：2000年11月卫星发射成功 扫描带宽：7.5km, 空间分辨率：30米， 在0.4－2.5μm共有220波段: 可见光－近红外(400-1000nm): 60波段， 短波红外(900-2500nm): 160波段。
输出结果
• • • • • 表面反射率影像 水气含量数据 云图 日志文件 FLAASH大气校正模板文件
3、物质制图与识别、探测
•波谱库 •波谱分析 •端元波谱收集 •高光谱制图与识别
波谱库
• ENVI波谱库 （安装目录下spec_lib）
– Jet Propulsion Laboratory – 美国地质调查局(USGS) 0.4~2.5um 160种纯矿物波谱 0.4~2.5um 500种质优矿物波谱 和几个植被波谱 0.4~14um 矿物波谱 26个质优样品应用波谱仪测量得
• 两种气溶胶去除方法
– 2-Band（K-T）方法(类似模糊减少法)，如果没有找到适应的黑 值（一般是阴影区或者水体），系统将采用能见度值来计算；所 以即使选择了该选项也要给能见度。 – 选择None，采用能见度值参与气溶胶去除，能见度值大约参考值 参见表
天气条件 晴朗 中等雾、阴霾 厚雾、阴霾 能见度 40 to 100 km 20 to 30 km 15 km 或者更少
高级设置
• 光谱定义文件：内置AVIRIS、HYMAP、HYDICE、HYPERION、 CASI、AISA。 • 气溶胶厚度系数：用于技术邻域效应范围。一般值为1~2km。 • CO2混合比率：默认为390ppm。 • 使用领域纠正。 • 使用以前的MODTRAN模型计算结果。 • 设置MODTRAN模型的光谱分辨率（推荐值5 cm-1)。 • 设置MODTRAN多散射模型。 • 提供三种模型供选择Isaacs，DISORT和 Scaled DISORT。默认是 Scaled DISORT和streams为8，这种模型对于小于1000nm具有较 高的精度； • 天顶角\方位角（针对非星下点传感器）。 • 输出反射率缩放系数（Output Reflectance Scale Factor）：为了 降低结果储存空间，默认反射率乘于10000。
– 用很窄（10-2λ）而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。 在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级，通 常具有波段多的特点，光谱通道数多达数十甚至数百个以上，而 且各光谱通道间往往是连续的，因此高光谱遥感又通常被称为成 像光谱（Imaging Spectrometry）遥感。
– 高光谱包括：HyMAP、 AVIRIS、 HYDICE、HYPERION、 Probe-1, CASI、AISA等； – 多光谱包括：ASTER、AVHRR、IKONOS、IRS、Landsat、 MODIS、SeaWiFS、SPOT、QuickBird等，以及航空（860nm1135nm）数据。
Surface Air Temperature -16 °C or 3 °F -1 °C or 30 °F 15 °C or 59 ° 14 °C or 57 ° 21 °C or 70 ° 27 °C or 80 °
March SAW SAW MLW MLW SAS MLS T T T T T MLS SAS SAS MLW MLW MLW May SAW MLW MLW SAS SAS MLS T T T T T MLS SAS SAS MLW MLW MLW July MLW MLW SAS SAS MLS T T T T T MLS MLS SAS MLW MLW MLW SAW Sept. MLW MLW SAS SAS MLS T T T T T MLS MLS SAS MLW MLW MLW MLW Nov. SAW SAW MLW SAS SAS MLS T T T T T MLS SAS SAS MLW MLW MLW
环境与减灾小卫星星座（HJ-1B）
2、高光谱数据预处理
•传感器定标 •大气校正
传感器定标
• 传感器定标是针对设备本身，建立传感器每个探测元件输 出的数据量化值（DN）与它所对应像元内的实际地物的 辐射亮度之间的定量关系（陈述彭等，1998）。辐射亮 度（辐射率）单位可为：（μW）/（cm2*nm*sr）。 • ENVI提供针对特定传感器的定标，包括ASTER、 AVHRR、MODIS、MSS、TM、IKONOS、QuickBird、 WorldView等；通用方法，包括：平场域定标、对数残差、 内部平均反射率法和经验线性；针对热红外数据，还提供 大气校正工具、相对通道发射率、归一化发射率、Α残差 等定标工具。
– Johns hopkins university – IGCP264 (项目) 到
• 打开波谱库（spectral/spectral libraries/…view) • 显示波谱曲线(点击） • 创建波谱库（spectral/spectral libraries/…builder)
波谱库的创建与浏览
• 多光谱与高光谱的模型基础一样：MODTRAN 4+。这个 模块通过高光谱像素光谱上的特征来估计大气的属性，可 以有效地去除水蒸气, 气溶胶散射，漫反射的邻域效应。 采用向导式操作流程，还包括快速大气校正功能。
使用ENVI大气校正模块——输入文件准备
• 数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据 • 数据带有中心波长（wavelenth）值，如果是高光谱还必 须有波段宽度（FWHM）,这两个参数都可以通过编辑头 文件信息输入（Edit Header）。 • 数据类型 • 支持四种数据类型：浮点型（floating）、4-byte signe百度文库 integers, 2-byte signed integers,以及 2-byte unsigned integers。 • 数据存储类型： ENVI标准栅格格式文件，且是BIP或者 BIL。 • 波谱范围：flaash能够做的数据光谱范围是0.4－2500μm。
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LOWTRAN模型 MORTRAN模型 ATCOR模型 6S模型
平场域定标 对数残差 内部平均反射率法 经验线性
• 基于统计学模型
• • • •
基于简化辐射传输模型的黑暗像元法 基于统计的不变目标法 基于植被指数的大气阻抗植被指数法 ……
ENVI大气校正模块
• ENVI的大气校正模块的模型为MODTRAN 4+模型，它是 由Spectral Sciences, Inc. (SSI)和Air Force Research Labs (AFRL)合作开发，ITT VIS进行整合和图形化。 • ENVI的大气校正模块能够对高光谱、多光谱影像进行校 正。
• 输入波长范围 • 输入光谱
– 从图像中获取 – 外部文件（二进制）导入 – ASD波谱仪
• 波谱库交互
– 波谱库查看、编辑和分析 – 波谱分割 – 波谱重采样
波谱分析工具 Spectral Analyst
• 波谱分析首先需要打开一个波谱库，然后将未知波谱与 波谱库中的波谱进行匹配处理，该工具运用波谱角分类, 波谱特征拟和二进制编码技术,对一未知波谱与波谱库中 要素的匹配进行排序,输出一个列表,按照波谱匹配的好坏 依次排列,并纪录一个总体的得分. • 匹配时需要设置三种方法所占的权重,权重是任意的,最后 输出一个总体得分,得分越高,表明匹配效果越好.
Latitude (°N) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
Water Vapor (g/cm2) 0.42 0.85 1.42 2.08 2.92 4.11
Jan. SAW SAW MLW MLW SAS MLS T T T T T MLS SAS SAS MLW MLW MLW
水气去除设置Water Retrieval
• 水气去除设置，采用两种方式对水气进行去除：
– 利用水气去除模型恢复影像中每个像元的水气量
• 使用水气去除模型，数据必须具有15nm以上波谱分辨率，且至少覆 盖以下波谱范围之一： 1050-1210 nm (对应 1135 nm) 870-1020 nm (对应940 nm) 770-870 nm (对应820 nm)
从光谱影像上获得光谱曲线
高光谱图像
空间成像的同时，记录 下成百个连续光谱通道 数据
从每个像元均可提取 一条连续的光谱曲线
对高光谱图像的处理实质是对像元光谱曲线的定量 化处理与分析
高光谱成像技术
• 成像光谱仪：
– 与地面光谱辐射计相比，成 像光谱仪不是在“点”上的 光谱测量，而是在连续空间 上进行光谱测量，因此它是 光谱成像的； – 与传统多光谱遥感相比，其 光谱通道不是离散而是连续 的，因此从它的每个像元均 能提取一条平滑而完整的光 谱曲线。
ENVI高光谱分析技术
邓书斌
主要内容
• • • • 1、高光谱简介 2、高光谱数据预处理 3、物质制图与识别、探测 4、植被分析
1、高光谱遥感简介
• 光学遥感技术的发展：
– 全色（黑白）－－彩色摄影－－多光谱扫描成像－－高光谱遥感
• 高光谱分辨率遥感（HyperspectralRemote Sensing）
使用ENVI大气校正模块——基本参数设置
• 传感器基本信息设置
使用ENVI大气校正模块——大气模型
Model Atmosphere Sub-Arctic Winter (SAW) Mid-Latitude Winter (MLW) U.S. Standard (US) Sub-Arctic Summer (SAS) Mid-Latitude Summer (MLS) Tropical (T) Water Vapor (std atm-cm) 518 1060 1762 2589 3636 5119
成像光谱仪系统介绍
• 航空成像光谱仪系统 • 国内系统：MAIS、OMIS-1、OMIS-2、PHI、WHI、 LASIS • 国外系统：AIS、AVIRIS、TRWIS、GERIS、 HYDICEAISA、DAIS、CASI、HYMAP
AVIRIS
• • • • • • • Spectral coverage: VIS to NIR (400-2500nm) Spectral bands: 224 Spectral resolution: <10nm FOV: 30° IFOV: 1.0 mrad Digitization:12 bits
– 单一的水气因数用于整体影像，默认是1，
• 对于多光谱数据使用水气去除模型，可以在多光谱设置中手动设置 水气波段
气溶胶模型（Aerosol Model）
• 提供四种标准MODTRAN气溶胶模型
– Rural（乡村）、Urban（城市）、Maritime（海洋）、 Tropospheric（对流层，能见度在40km以上）