ENVI高光谱数据处理流程

1、ENVI高光谱数据处理流程临时用户天蝎座临时用户天蝎座主要内容v1 1、高光谱简介、高光谱简介v2 2、高光谱数据预处理、高光谱数据预处理v3 3、物质制图与识别、探测、物质制图与识别、探测1、高光谱遥感简介v光学遥感技术的发展：光学遥感技术的发展： 全色（黑白）彩色摄影多光谱扫描成像全色（黑白）彩色摄影多光谱扫描成像高光谱遥感高光谱遥感v高光谱分辨率遥感（高光谱分辨率遥感（HyperspectralRemote HyperspectralRemote SensingSensing） 用很窄（用很窄（10-210-2）而连续的光谱通道对地物持续遥感）而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。在

2、可见光到短波红外波段其光谱分辨率成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳米高达纳米(nm)(nm)数量级，通常具有波段多的特点，光谱数量级，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往往是连续的，因此高光谱遥感又通常被称为成像光谱（谱（Imaging SpectrometryImaging Spectrometry）遥感。）遥感。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

3、质是对像元光谱曲线的定量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化处理与分析高光谱成像技术v成像光谱仪：成像光谱仪： 与地面光谱辐射计相比，与地面光谱辐射计相比，成像光谱仪不是在成像光谱仪不是在“点点”上的光谱测量，而是在上的光谱测量，而是在连续空间上进行光谱测连续空间上进行光谱测量，因此它是光谱成像量，因此它是光谱成像的；的； 与传统多光谱遥感相比，与传统多光谱遥感相比，其光谱通道不是离散而其光谱通道不是离散而是连续的，因此从它的是连续的，因此从它的每个像元均能提取一条每个像元均能提取一条平滑而完整的光谱曲线。平滑而完整的光谱曲线。成像光谱仪系统介绍v航空成像光谱仪系统航空成

4、像光谱仪系统v国内系统：国内系统：MAISMAIS、OMIS-1OMIS-1、OMIS-2OMIS-2、PHIPHI、WHIWHI、LASISLASISv国外系统：国外系统：AISAIS、AVIRISAVIRIS、TRWISTRWIS、GERISGERIS、HYDICEAISAHYDICEAISA、DAISDAIS、CASICASI、HYMAP HYMAP AVIRIS v Spectral coverage:Spectral coverage:v VIS to NIR (400-2500nm) VIS to NIR (400-2500nm) v Spectral bands: 224Spec

5、tral bands: 224v Spectral resolution: 10nmSpectral resolution: 10nmv FOV: 30FOV: 30v IFOV: 1.0 mradIFOV: 1.0 mradv Digitization:12 bitsDigitization:12 bitsHYMAPHYMAPv Spectral coverage:Spectral coverage:v VIS:400-800nm,15nm bands;VIS:400-800nm,15nm bands;v NIR:881-1335nm, 14nm bands;NIR:881-1335nm,

6、14nm bands;v SWIR1:1400-1813nm, 12nm bands; SWIR1:1400-1813nm, 12nm bands; v SWIR2:1950-2543nm, 16nm bands;SWIR2:1950-2543nm, 16nm bands;v Spectral bands: 126Spectral bands: 126v FOV: 60FOV: 60v IFOV: 2.5 mrad(along_track)IFOV: 2.5 mrad(along_track)v 2.0 mrad(across_track)2.0 mrad(across_track)v Pix

7、els per line: 512Pixels per line: 512航天成像光谱仪系统Hyperion/EO-1v国家：美国国家：美国v时间：时间：20002000年年1111月卫星发射成功月卫星发射成功v扫描带宽：扫描带宽：7.5km, 7.5km, 空间分辨率：空间分辨率：3030米，米，v在在0.40.42.52.5m m共有共有220220波段波段: :v可见光近红外可见光近红外(400-1000nm): 60(400-1000nm): 60波段，波段，v短波红外短波红外(900-2500nm): 160(900-2500nm): 160波段。波段。环境与减灾小卫星星座（HJ-1

8、B）2 2、高光谱数据预处理、高光谱数据预处理传感器定标传感器定标大气校正大气校正传感器定标v传感器定标是针对设备本身，建立传感器每个探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（测元件输出的数据量化值（DNDN）与它所对应像元）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（陈述内的实际地物的辐射亮度之间的定量关系（陈述彭等，彭等，19981998）。辐射亮度（辐射率）单位可为：）。辐射亮度（辐射率）单位可为：（WW）/ /（cmcm2 2* *nmnm* *srsr）。）。vENVIENVI提供针对特定传感器的定标，包括提供针对特定传感器的定标，包括ASTERAS

9、TER、AVHRRAVHRR、MODISMODIS、MSSMSS、TMTM、QuickBirdQuickBird、WorldViewWorldView等；通用方法，包括：平场域定标、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、射率、归一化发射率、残差等定标工具。残差等定标工具。为什么做大气纠正？v太阳辐射通过大气以某种方式入射到物体表面然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后再反射回传感器v原始影像

10、包含物体表面，大气，以及太阳的信息原始影像包含物体表面，大气，以及太阳的信息v如果我们想要了解某一物体表面的光谱属性，我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们必须将它的反射信息从大气和太阳的信息中分离出来。离出来。大气散射直接反射邻接反射为什么要大气校正大气校正方法v 基于辐射传输模型基于辐射传输模型 LOWTRANLOWTRAN模型模型 MORTRANMORTRAN模型模型 ATCORATCOR模型模型 6S6S模型模型v 基于统计学模型基于统计学模型 平场域定标平场域定标 对数残差对数残差 内部平均反射率法内部平均反射率法 经验线性经验线性v

11、 基于简化辐射传输模型的黑暗像元法基于简化辐射传输模型的黑暗像元法v 基于统计的不变目标法基于统计的不变目标法v 基于植被指数的大气阻抗植被指数法基于植被指数的大气阻抗植被指数法v ENVI大气校正模块v ENVIENVI的大气校正模块的模型为的大气校正模块的模型为MODTRAN 4+MODTRAN 4+模型，它是由模型，它是由Spectral Spectral Sciences, Inc. (SSI)Sciences, Inc. (SSI)和和Air Force Research Labs (AFRL)Air Force Research Labs (AFRL)合作开合作开发，发，ITT V

12、ISITT VIS进行整合和图形化。进行整合和图形化。v ENVIENVI的大气校正模块能够对高光谱、多光谱影像进行校正。的大气校正模块能够对高光谱、多光谱影像进行校正。 高光谱包括：高光谱包括：HyMAPHyMAP、 AVIRIS AVIRIS、 HYDICE HYDICE、HYPERIONHYPERION、Probe-1, Probe-1, CASICASI、AISAAISA等；等； 多光谱包括：多光谱包括：ASTERASTER、AVHRRAVHRR、IKONOSIKONOS、IRSIRS、LandsatLandsat、MODISMODIS、SeaWiFSSeaWiFS、SPOTSPOT、

13、QuickBirdQuickBird等，以及航空（等，以及航空（860nm-1135nm860nm-1135nm）数据。）数据。v 多光谱与高光谱的模型基础一样：多光谱与高光谱的模型基础一样：MODTRAN 4+MODTRAN 4+。这个模块通过高光谱。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。校正功能。使用ENVI大气校正模块输入文件准备输入文件准备v 数据是经过定

14、标后的辐射亮度（辐射率）数据数据是经过定标后的辐射亮度（辐射率）数据v 数据带有中心波长（数据带有中心波长（wavelenthwavelenth）值，如果是高光谱还必须有波段宽）值，如果是高光谱还必须有波段宽度（度（FWHMFWHM）, ,这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（这两个参数都可以通过编辑头文件信息输入（Edit Edit HeaderHeader）。）。v 数据类型数据类型v 支持四种数据类型：浮点型（支持四种数据类型：浮点型（floatingfloating）、）、4-byte signed 4-byte signed integers, 2-byte signed inte

15、gers,integers, 2-byte signed integers,以及以及 2-byte unsigned 2-byte unsigned integersintegers。v 数据存储类型：数据存储类型： ENVI ENVI标准栅格格式文件，且是标准栅格格式文件，且是BIPBIP或者或者BILBIL。v 波谱范围：波谱范围：flaashflaash能够做的数据光谱范围是能够做的数据光谱范围是0.40.42500m2500m。使用ENVI大气校正模块基本参数设置基本参数设置v传感器基本信息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 Wate

16、r Vapor (std atm-cm) Water Vapor (g/cm2) Surface Air Temperature Sub-Arctic Winter (SAW) 5180.42-16 C or 3 F Mid-Latitude Winter (MLW) 10600.85-1 C or 30 F U.S. Standard (US) 17621.4215 C or 59 Sub-Arctic Summer (SAS) 25892.0814 C or 57 Mid-Latitude Summer (MLS) 36362.9221 C or 70 Tropical (T) 51194

17、.1127 C or 80 Latitude (N) Jan. March May July Sept. Nov. 80SAWSAWSAWMLWMLWSAW70SAWSAWMLWMLWMLWSAW60MLWMLWMLWSASSASMLW50MLWMLWSASSASSASSAS40SASSASSASMLSMLSSAS30MLSMLSMLSTTMLS20TTTTTT10TTTTTT0TTTTTT-10TTTTTT-20TTTMLSMLST-30MLSMLSMLSMLSMLSMLS-40SASSASSASSASSASSAS-50SASSASSASMLWMLWSAS-60MLWMLWMLWMLWMLW

18、MLW-70MLWMLWMLWMLWMLWMLW-80MLWMLWMLWSAWMLWMLW水气反演设置（Water Retrieval）v水气反演设置，采用两种方式对水气进行反演：水气反演设置，采用两种方式对水气进行反演： 利用水气反演模型恢复影像中每个像元的水气量利用水气反演模型恢复影像中每个像元的水气量使用水气去除模型，数据必须具有使用水气去除模型，数据必须具有15nm15nm以上波谱分辨率，且以上波谱分辨率，且至少覆盖以下波谱范围之一：至少覆盖以下波谱范围之一： 1050-1210 nm ( 1050-1210 nm (对应对应 1135 nm) 1135 nm) 870-1020 nm

19、 ( 870-1020 nm (对应对应940 nm)940 nm) 770-870 nm ( 770-870 nm (对应对应820 nm)820 nm) 单一的水气因数用于整体影像，默认是单一的水气因数用于整体影像，默认是1 1，对于多光谱数据使用水气反演模型，可以在多光谱设置中手对于多光谱数据使用水气反演模型，可以在多光谱设置中手动设置水气波段动设置水气波段气溶胶模型（Aerosol Model）v 提供四种标准提供四种标准MODTRANMODTRAN气溶胶模型气溶胶模型 RuralRural（乡村）、（乡村）、UrbanUrban（城市）、（城市）、MaritimeMaritime（海

20、洋）、（海洋）、TroposphericTropospheric（对流层，能见度在（对流层，能见度在40km40km以上）以上）v 两种气溶胶反演方法两种气溶胶反演方法 2-Band2-Band（K-TK-T）方法）方法( (类似模糊减少法类似模糊减少法) )，如果没有找到适应，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。来计算；所以即使选择了该选项也要给能见度。 选择选择NoneNone，采用能见度值参与气溶胶去除，能见度值大约，采用能见度值参与气溶胶去除，能见度值大约参考值参见

21、表参考值参见表天气条件 能见度 晴朗 40 to 100 km 中等雾、阴霾 20 to 30 km 厚雾、阴霾15 km 或者更少 高级设置v 光谱定义文件：内置光谱定义文件：内置AVIRISAVIRIS、HYMAPHYMAP、HYDICEHYDICE、HYPERIONHYPERION、CASICASI、AISAAISA。v 气溶胶厚度系数：用于计算邻域效应范围。一般值为气溶胶厚度系数：用于计算邻域效应范围。一般值为12km12km。v CO2CO2混合比率：默认为混合比率：默认为390ppm390ppm。v 使用领域纠正。使用领域纠正。v 使用以前的使用以前的MODTRANMODTRAN模

22、型计算结果。模型计算结果。v 设置设置MODTRANMODTRAN模型的光谱分辨率（推荐值模型的光谱分辨率（推荐值5 cm-1)5 cm-1)。v 设置设置MODTRANMODTRAN多散射模型。多散射模型。v 提供三种模型供选择提供三种模型供选择IsaacsIsaacs，DISORTDISORT和和 Scaled DISORTScaled DISORT。默认是。默认是Scaled DISORTScaled DISORT和和streamsstreams为为8 8，这种模型对于小于，这种模型对于小于1000nm1000nm具有较高的具有较高的精度；精度；v 天顶角天顶角 方位角（针对非星下点传感

23、器）。方位角（针对非星下点传感器）。v 输出反射率缩放系数（输出反射率缩放系数（Output Reflectance Scale FactorOutput Reflectance Scale Factor）：为了）：为了降低结果储存空间，默认反射率乘于降低结果储存空间，默认反射率乘于1000010000。输出结果v表面反射率影像表面反射率影像v水气含量数据水气含量数据v云图云图v日志文件日志文件vFLAASHFLAASH大气校正模板文件大气校正模板文件定标与大气校正练习v03-03-传感器定标与大气传感器定标与大气校正校正 多多光谱光谱 Landsat TM fastLandsat TM fa

24、st数据定标数据定标 辐射定标辐射定标- W- W/(m/(m2 2* *srsr* *mm) ) P282P282v03-03-传感器定标与大气校正传感器定标与大气校正 高光谱高光谱 P302P3023 3、物质制图与识别、探测、物质制图与识别、探测波谱库波谱库波谱分析波谱分析端元波谱收集端元波谱收集高光谱制图与识别高光谱制图与识别 波谱库v ENVIENVI波谱库波谱库 （安装目录下（安装目录下spec_libspec_lib） Jet Propulsion Laboratory 0.42.5um 160Jet Propulsion Laboratory 0.42.5um 160种纯矿物波

25、谱种纯矿物波谱 美国地质调查局美国地质调查局(USGS) 0.42.5um 500(USGS) 0.42.5um 500种质优矿物种质优矿物波谱和几个植被波谱波谱和几个植被波谱 Johns hopkins university Johns hopkins university 0.414um 0.414um 矿物波谱矿物波谱 IGCP264 (IGCP264 (项目项目) ) 2626个质优样品应用波个质优样品应用波谱仪测量得到谱仪测量得到v 打开波谱库（打开波谱库（spectral/spectral libraries/view) spectral/spectral libraries/vi

26、ew) v 显示波谱曲线显示波谱曲线( (点击）点击）v 创建波谱库（创建波谱库（spectral/spectral libraries/builder) spectral/spectral libraries/builder) 波谱库的创建与浏览v输入波长范围输入波长范围v输入光谱输入光谱 从图像中获取从图像中获取 外部文件（二进制）导入外部文件（二进制）导入 ASDASD波谱仪波谱仪v波谱库交互波谱库交互 波谱库查看、编辑和分析波谱库查看、编辑和分析 波谱分割波谱分割 波谱重采样波谱重采样波谱分析工具波谱分析工具 Spectral Analystv 波谱分析首先需要打开一个波谱库，然后将未

27、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，该工具知波谱与波谱库中的波谱进行匹配处理，该工具运用运用波谱角分类波谱角分类, ,波谱特征拟和二进制编码技术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, ,输出一个列表输出一个列表, ,按照波谱匹配的好坏依次排列按照波谱匹配的好坏依次排列, ,并并纪录一个总体的得分纪录一个总体的得分. .v匹配时需要设置三种方法所占的权重匹配时需要设置三种方法所占的权重, ,权重是任权重是任意的意的, ,最后输出一个总体得分最后输出一个总体得分, ,得分越高得分越高

28、, ,表明匹表明匹配效果越好配效果越好. .光谱识别流程MNF变换v重要作用重要作用 用于判定图像内在的维数用于判定图像内在的维数 分离数据中的噪声分离数据中的噪声 减少计算量减少计算量v弥补了主成分分析在高光谱数据处理中的不足弥补了主成分分析在高光谱数据处理中的不足v计算时需要输入的参数计算时需要输入的参数 统计信息的图像范围统计信息的图像范围shift diff subsetshift diff subset 噪声统计文件（可以用到另一副图像上做变换）噪声统计文件（可以用到另一副图像上做变换） MNFMNF统计文件统计文件( (反变换的时候要用反变换的时候要用) ) MnfMnf变换输出波

29、段选择变换输出波段选择( (根据特征值选择输出波段根据特征值选择输出波段) )v 利用利用MNFMNF变换后的图像进行端元提取变换后的图像进行端元提取 经过经过MNFMNF变换后的图像波段之间的相关性有效地降变换后的图像波段之间的相关性有效地降低了，并且出现了多个拐点，这些拐点就是我们要低了，并且出现了多个拐点，这些拐点就是我们要找的端元找的端元EndmembersEndmembers。 波谱曲线对比编辑端元波谱曲线对比编辑端元 生成端元地物平均波谱曲线生成端元地物平均波谱曲线 利用波谱分析工具进行端元识别利用波谱分析工具进行端元识别 识别每一类地物后识别每一类地物后, ,将端元导出成将端元导

30、出成ROIROIPPI纯净像元指数v 生成的结果是一副灰度的影像生成的结果是一副灰度的影像,DN,DN值越大表明像元越纯值越大表明像元越纯. .v 作用及原理作用及原理 纯净像元指数法对图像中的像素点进行反复迭代，可以在多光谱纯净像元指数法对图像中的像素点进行反复迭代，可以在多光谱或者高光谱影像中寻找最或者高光谱影像中寻找最” 纯纯”的像元的像元.(.(通常基于通常基于MNFMNF变换结果来变换结果来进行进行) ) 纯净像元指数可以将纯净像元指数可以将N N维散点图迭代映射为一个随机单位向量来计维散点图迭代映射为一个随机单位向量来计算算, ,每次映射的极值像元被记录下来每次映射的极值像元被记录

31、下来, ,并且被标为极值的总数也被并且被标为极值的总数也被记录下来记录下来. . 按照多次映射每个像元被记录为极值像元的次数来决定该像元是按照多次映射每个像元被记录为极值像元的次数来决定该像元是否为纯净像元否为纯净像元. .v 计算时需要输入的参数计算时需要输入的参数 进行迭代的次数进行迭代的次数 设置域值的系数设置域值的系数( (极值像元的域值极值像元的域值) ) 数据二次采样数据二次采样( (减少内存减少内存, ,但不能太小但不能太小) )v处理时会出现纯净像元指数图处理时会出现纯净像元指数图 X- X- 像元迭代次数像元迭代次数,Y-,Y-极值像元总数极值像元总数 该图显示了该图显示了P

32、PIPPI做为迭代次数的函数做为迭代次数的函数 当所有极值像元都已经找到后当所有极值像元都已经找到后, ,它应该接近于一条水平它应该接近于一条水平线线v处理结果处理结果: DN: DN值越大表明像元越纯值越大表明像元越纯. .vPPIPPI纯净像元指数提取纯净像元指数提取ROIROI 设置波段域值提取设置波段域值提取PPI_ROIPPI_ROI 通常只设最小值通常只设最小值 ( (值越大值越大, ,像元越纯净像元越纯净) )N维可视化器v提取提取PPI_ROIPPI_ROI后打开后打开N N维可视化器维可视化器, ,选择选择MNFMNF变换结变换结果果, ,系统默认导入系统默认导入PPI_RO

33、IPPI_ROI PPI_ROIPPI_ROI端元提取端元提取 波谱曲线对比编辑波谱曲线对比编辑ROIROI 生成地物平均波谱生成地物平均波谱 波谱分析波谱分析, ,端元识别端元识别端元波谱收集v 端元波谱收集器端元波谱收集器 ASCIIASCII文件文件 ASDASD测量文件测量文件 波谱库波谱库 ROI/ROI/矢量文件矢量文件 统计文件统计文件 剖面波谱图剖面波谱图v N N维可视化分析器维可视化分析器v 二维散点图二维散点图v SMACCSMACC工具工具v 所有监督分类与高光谱制图工具所有监督分类与高光谱制图工具高光谱制图v二进制编码二进制编码v波谱角分类波谱角分类v线性波段预测（线性波段预测（LS-FitLS-Fit）v线性波谱分离线性波谱分离v光谱信息散度光谱信息散度v匹配滤波匹配滤波v混合调谐匹配滤波（混合调谐匹配滤波（MTMFMTMF）v包络线去除包络线去除v光谱特征拟合光谱特征拟合v多范围光谱特征拟合多范围光谱特征拟合高光谱制图练习植被识别v 数据：数据： 04-04-光谱与高光谱