董彦卿
ENVI高光谱分析技术
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
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） – 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。
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.
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）
• 两种气溶胶反演方法
– 2-Band（K-T）方法(类似模糊减少法)，如果没有找到适应的
（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 signed 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。
(SAS)
Latitude (°N)
Jan.
March
May
July
Sept.
Nov.
80
SAW
SAW
SAW
MLW
MLW
SAW
Mid-Latitude
363706
SAW2.92 SA2W1 °C or 7M0LW°
MLW
MLW
SAW
Summer (MLS) Tropical (T)
60
MLW
MLW
MLW
-40
SAS
SAS
SAS
SAS
SAS
SAS
-50
SAS
SAS
SAS
MLW
MLW
SAS
-60
MLW
MLW
MLW
MLW
MLW
MLW
-70
MLW
MLW
MLW
MLW
MLW
MLW
-80
MLW
MLW
MLW
SAW
MLW
MLW
水气反演设置（Water Retrieval）
• 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 • 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) – 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反演模型，可以在多光谱设置中手动设置水 气波段
SAS
SAS
MLW
50
MLW
MLW
SAS
SAS
SAS
SAS
511409
SA4S.11 SA2S7 °C or 8S0AS°
MLS
MLS
SAS
30
MLS
MLS
MLS
T
T
MLS
20
T
T
T
T
T
T
10
T
T
T
T
T
T
0
T
T
T
T
T
T
-10
T
T
T
T
T
T
-20
T
T
T
MLS
MLS
T
-30
MLS
MLS
MLS
MLS
MLS
MLS
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；
• 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
• 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。
为什么要大气校正
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 – LOWTRAN模型 – MORTRAN模型 – ATCOR模型 – 6S模型
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 Water Vapor Water Surface Air
(std atm-cm) Vapor Temperature
(g/cm2)
Sub-Arctic Winter
518
0.42 -16 °C or 3 °F
(SAW)
Mid-Latitude Winter
1060
0.85 -1 °C or 30 °F
(MLW)
U.S. Standard (US)
1762
1.42 15 °C or 59 °
Sub-Arctic Summer
2589
2.08 14 °C or 57 °
• ENVI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：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（860nm-1135nm）数据。
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）。
光谱识别流程
影像文件
最小噪声分离 MNF
数据维数判断
是否从图像获得端
否
元波谱
计算纯净像元指数
N维可视化和端元选择
是否输入用户选定端 元波谱
是 用户选定端元波谱
波谱识别 结果
MNF变换
• 重要作用 – 用于判定图像内在的维数 – 分离数据中的噪声 – 减少计算量
• 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)
பைடு நூலகம்
波谱库的创建与浏览
• 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
• 基于统计学模型 – 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。
AVIRIS
• Spectral coverage: • VIS to NIR (400-2500nm) • Spectral bands: 224 • Spectral resolution: <10nm • FOV: 30° • IFOV: 1.0 mrad • Digitization:12 bits
– 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。
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