1、.實 習(xí) 報 告課程名稱： 遙感技術(shù)原理及應(yīng)用 實習(xí)名稱： 高光譜遙感應(yīng)用 院 （系）： 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2013年1月2日一、實習(xí)時間2013年12月23日 至2013年 12月27 日二、實習(xí)地點天津科技大學(xué)9-513海洋信息技術(shù)實驗室，校園三、實習(xí)目的： 理論與實驗課的綜合運用，提高課堂與實踐相結(jié)合的分析能力1、理解高光譜概念、地物光譜儀、光譜數(shù)據(jù)庫、高光譜傳感器；2、掌握ENVI軟件的基本功能，ASD的安裝與使用；3、熟悉ENVI遙感影像處理的一般方法；4、進一步掌握高級高光譜分析及制圖方法；5、應(yīng)用ENVI一整套高光譜處理方法進行近海岸植被分析研究；6、理

2、解MNF理論及算法，線性混合波譜理論；7、總結(jié)獲取高光譜端元的方法。四、實習(xí)主要儀器設(shè)備，軟件及數(shù)據(jù)1、硬件準(zhǔn)備：PC機，ASD光譜儀；2、操作系統(tǒng)：Linux系統(tǒng)或Windows 2k以上系統(tǒng)；3、軟件工具：ENVI，RS3安裝軟件，ViewSpec Software軟件4、數(shù)據(jù)：美國California州AVIRIS影像數(shù)據(jù)，及USGS植被及礦物的光譜庫數(shù)據(jù) 路徑：CD1/m94avsub；CD1/spec_lib；CD2/C95avsub；CD2/ spec_lib。5、文獻閱讀、網(wǎng)上電子圖書館。五、AVIRIS及測譜學(xué)（Imaging Spectroscopy）介紹1、介紹測譜學(xué)成像光

3、譜儀（Imaging Spectrometers）或高光譜傳感器（Hyperspectral Sensors）都是遙感儀器，其將影像傳感器的空間表述同光譜儀的分析能力結(jié)合在了一起。它們有多達幾百個的狹窄波譜通道，波譜分辨率通常小于10nm（Goetz et al.，1985）。成像光譜儀將為影像中每一個像元提供完整的波譜曲線。將這些同寬波段（broad-band）多光譜掃描儀，如TM進行比較：TM只有6個波段，其波譜分辨率大于100nm。使用成像光譜儀產(chǎn)生的高光譜分辨率影像，其最終結(jié)果可以幫助我們鑒別物質(zhì)，而使用寬波段傳感器只能區(qū)分物質(zhì)。成像光譜技術(shù)實現(xiàn)了圖像技術(shù)和光譜技術(shù)之間的有機結(jié)合，在獲

4、得目標(biāo)地物的空間信息的同時，通過光譜儀系統(tǒng)將目標(biāo)地物的電磁輻射分解成不同波長的譜輻射，能在一個光譜區(qū)間內(nèi)獲得每個像元幾十個甚至幾百個窄（一般小于10nm）而連續(xù)的波段信息。成像光譜技術(shù)實現(xiàn)目標(biāo)地物的“圖譜合一”，提供更加豐富的地物信息。2、介紹AVIRIS1995年的航空機載可見光/紅外成像光譜儀（Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer，簡稱為AVIRIS）。AVIRIS光譜圖像是從美國航空航天局ER-2 航空器的Q-bay上獲得的。AVIRIS是第一個以10nm為步長測量400nm至2500nm太陽反射波段的成像傳感器。AVIRIS的標(biāo)定

5、精度和信噪比仍然是唯一的。近年，AVIRIS系統(tǒng)與其有關(guān)的科學(xué)研究與應(yīng)用的重要性不斷上升。該系統(tǒng)的最初設(shè)計與升級版的特點主要體現(xiàn)在它的遙感、精確度、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和飛行操作上。AVIRIS特點的更新在之后幾年內(nèi)，對其科學(xué)研究及AVIRIS數(shù)據(jù)的應(yīng)用都有極大的貢獻。最近的科學(xué)研究和應(yīng)用表明其是能夠用于大氣校正，生態(tài)學(xué)和植被，地質(zhì)和土壤，內(nèi)陸和沿海水域，大氣，冰和雪水文，生物質(zhì)燃燒，環(huán)境災(zāi)害衛(wèi)星的模擬和校準(zhǔn)，商業(yè)應(yīng)用，譜算法，人類的基礎(chǔ)設(shè)施，以及光譜建模等研究的一種調(diào)查。為了滿足研究者將AVIRIS光譜圖像用于科學(xué)研究和應(yīng)用的需求，AVIRIS系統(tǒng)在持續(xù)地努力已經(jīng)升級了，并得到了改善。這些改善主要是

6、在AVIRIS的傳感器、校正、數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及飛行操作方面。3、 至少再列舉1個高光譜傳感器并做簡單介紹。1)Hyperion傳感器Hyperion傳感器搭載于衛(wèi)星EO-1(Earth Observing-1)，美國NASA于2000年11月16日發(fā)射升空，其目的是面向21世紀(jì)為接替Landsat-7而研制的新型地球觀測衛(wèi)星，該衛(wèi)星緊隨Landsat7后一分鐘過境，軌道參數(shù)與Landsat-7衛(wèi)星的軌道參數(shù)基本相同，軌道高度705km，傾角98.7度，為太陽同步軌道運行，地面覆蓋與Landsat-7完全相同。EO-1帶有三個基本遙感系統(tǒng)，即高級陸地成像儀（Advanced Land Imager，

7、ALI）、高光譜成像儀(Hyperion)和大氣校正儀(Linear etalon imaging spectrometer aeeay atmospheric corrector，LAC)。LAC的主要功能是對Landsat-7 ETM+和EO-1的數(shù)據(jù)進行水汽校正。Hyperion傳感器是第一個星載民用成像光譜儀，是一推掃式傳感器，共設(shè)有220個波段，其中在可見光-近紅外設(shè)有60個波段，在短波紅外設(shè)有160個波段，可覆蓋光譜范圍400- 2500nm，波譜分辨率為9.7nm，空間分辨率為30m，每景可覆蓋7.7x85km范圍，可提供可見光、近紅外及短波紅外的連續(xù)波譜的信息，因此，利用Hyp

8、erion的高光譜特性可以實現(xiàn)精確的農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、地質(zhì)填圖，并在地質(zhì)、采礦、農(nóng)業(yè)、林業(yè)及環(huán)保領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。Hyperion的波譜設(shè)置：Hyperion是推掃式傳感器，可獲得可見光、近紅外和短波紅外光譜數(shù)據(jù)。在可見光-近紅外和短波紅外區(qū)，分別用2套敏感元件收集信號。由于該數(shù)據(jù)在一些波段缺少利用價值，所以系統(tǒng)處理時，僅對198個波段做了輻射校正。SWIR波段和VNIR波段存在數(shù)據(jù)重疊區(qū)，所以，只有196個波段可用（Kruse FA，1988），具體波段信息見下表：2)MODIS傳感器分辨率成像光譜儀(MODIS)。MODIS數(shù)據(jù)涉及的波段范圍廣，是一個帶有490個探測器、36個光譜波段的被動

9、成像光譜輻射計，它覆蓋了可見光熱紅外（0.414um），空間分辨率比NOAA-AVHRR有較大的進展(250m、500m和1000m）；NASA對MODIS數(shù)據(jù)實行全球免費接收的政策。MODIS是一個帶有490個探測器、36個光譜波段的被動成像光譜輻射計。它覆蓋了可見光熱紅外（4001400nm）波譜，其數(shù)據(jù)具有很高的信噪比，量化等級為12bit。36個相互配準(zhǔn)的光譜度波段上以中等分辨率水平（0.251km）每12天觀測地球表面一次。獲取陸地和海洋的溫度、初級生產(chǎn)率、陸地表面覆蓋、云、氣溶膠、水汽和火情等目標(biāo)的圖像。六、便攜式地物光譜儀ASD、USGS波譜庫介紹1、介紹便攜式地物光譜儀ASD便

10、攜式地物光譜儀ASD：適用于從遙感測量，農(nóng)作物監(jiān)測，森林研究到工業(yè)照明測量，海洋學(xué)研究和礦物勘察的各方面應(yīng)用。操作簡單，軟件包功能強大。此儀器可用做測量輻射，輻照度，CIE顏色，反射和透射。探測器：350-1000nm，低噪聲512陣元PDA1000-1800nm及1800-2500nm，兩個InGaAs探測器單元，TE制冷恒溫；波長范圍：3502500nm；光譜分辨率：3nm700nm，8nm1400 /2100；掃描時間：100ms；光譜平均：高達31,800次；波長精度：0.5nm；波長重復(fù)性：0.1nm。雜散光：VNIR0.02%SWIR 1&20.01%；通道數(shù)：2151；高

11、次吸收濾色片，內(nèi)置光閘和漂移鎖定自動校準(zhǔn)功能均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)配置。特點：使用512陣元陣列PDA探測器和兩個獨立的InGaAs探測器；每秒最快可得到10個光譜曲線；內(nèi)置光閘, 漂移鎖定暗電流補和分段二級光譜濾光片等為用戶提供無差錯的數(shù)據(jù)；實時測量并觀察反射、透射、輻射度（選項）；實時顯示光譜線；更高的信噪比，采集速度提升4倍；最新的無線Wi-Fi接口，可進行無線數(shù)據(jù)接收，最遠可達到300米；加固型光纖，完全避免了光纖的折損；小型化的運輸箱，更小，更輕，更堅固，更方便運輸。2、上網(wǎng)查找USGS網(wǎng)站【/spectral-lib.html】要求：對USG

12、S波譜庫做一般介紹，特別是在最新的06波譜庫中對礦物、植被各找一種典型曲線；另外將沿岸水、大洋水光譜plot畫出，并對其光譜曲線特點作簡單描述。1）USGS波譜庫介紹USGS波譜庫是研究人員在實驗室中用光譜實驗測量數(shù)以百計材料的反射率光譜，并編制了光譜庫。該波譜庫被用來在遙感影像中對物質(zhì)的鑒定做參考。最新的USGS波譜庫是2007年9月發(fā)布的splib06a波譜庫，它的波長范圍紫外到中紅外0.2-150um，包含了超過1300種的光譜，包括中紅外數(shù)據(jù)以及從splib05a和附加可見光和近紅外光譜的光譜圖。該庫還包含許多礦物質(zhì)，有機物和揮發(fā)性化合物，植被和人造材料。該數(shù)據(jù)庫包括超過6000個的網(wǎng)

13、頁，圖形，樣本圖像和數(shù)據(jù)目錄。針對每種物質(zhì)都有對應(yīng)的描述、波譜圖、ASCII數(shù)據(jù)、二進制文件以及一些工具。splib07a波譜庫目前正在編制。2）最新的06波譜庫中對礦物、植被各找一種典型曲線圖一：礦物（明帆石）圖二：植被（仙人掌）3） 將沿岸水、大洋水光譜plot畫出，并對其光譜曲線特點作簡單描述圖三 沿岸水圖四 大洋水七、基于幾何頂點端元提取的SAM分類根據(jù)數(shù)據(jù)，運用MNF變換后的波段以及散點圖工具提取端元，寫出步驟及結(jié)果。1、選擇“SpectralMNF RotationForward MNFEstimate Noise Statistics from Data”

14、菜單進行MNF變換。在“MNF Transform Input file”對話框中選擇進行MNF變換的影像。點擊OK，彈出“Forward MNF Transform Parameters”對話框點擊Memory。在波段列表中輸出MNF影像以及特征值曲線圖。2、點擊 Gray Scale 單選按鈕，然后在可用波段列表中點擊 Load Band，將 MNF 的第一個波段作為灰階影像加載到新的影像顯示窗口中。3、 查看MNF散點圖在主影像窗口中使用 Tools2-D Scatter Plots，將MNF影像的波段1和波段2加載到散點圖中。4、畫感興趣區(qū)1） 在散點圖繪制窗口

15、，使用感興趣區(qū)（ROIs）繪制工具，在數(shù)據(jù)分布集群的一個或者多個拐角上，圈出一些像素點。2） 在散點圖繪制窗口中，從 Class 下拉式菜單中選擇所需的顏色，對幾種不同的類，分別使用不同的顏色。3） 從散點圖繪制窗口的下拉式菜單中，選擇 Options Export All in the Options，將這些像素列表將被導(dǎo)出作為 ENVI 的感興趣區(qū)（ROIs）。并保存感興趣區(qū)。4）點擊scatter plot圖層的右鍵，再點擊Mean all。提取感興趣區(qū)中的均值表觀反射率波譜曲線。在繪圖窗口（plot window）中，選擇 Options Stack Plots，Plot Key(圖例

16、)將每條波譜帶分別顯示出來，以進行比較。5、 鑒別波譜曲線，以獲取地物名稱。1）從 ENVI 主菜單中，選擇 Spectral Spectral Analyst。點擊 Spectral Analyst Input Spectral Library 對話框底部的 Open Spec Lib 按鈕。選擇進入 usgs_min 波譜庫目錄，選擇 usgs_min.sli 波譜庫文件。2） 在 Edit Identify Methods Weighting 對話框中，為每一個Weight文本框輸入值0.3，Spectral Analyst 將根據(jù)波譜庫中的波譜曲線對未知地物的波譜曲線進行評分。3） 列

17、表的第一行顯示mizzoni的波譜曲線評分最高。這個相對較高的分?jǐn)?shù)值表明了該像素對應(yīng)的地物與mizzoni最相似。用鼠標(biāo)雙擊列表中的第一條波譜曲線。在同一繪圖窗口中，繪制出未知地物的波譜曲線以及波譜庫中的波譜曲線，以進行比較。用同種方法進行其余地物的匹配，如下圖：同一張圖上繪制匹配地物的曲線：6、主窗口中選擇ClassificationSupervise Spectral Angle Mapper，選中，然后導(dǎo)入感興趣區(qū)。最后分類結(jié)果如下圖：8、 基于PPI純凈象元端元提取的SAM分類根據(jù)數(shù)據(jù)，利用MNF變換后的波段以及純凈像元指數(shù)工具以及N維可

18、視化儀提取端元，即：MNF-PPI-n-dimensional visualizer-spectal mapping，寫出步驟及結(jié)果。1、PPI轉(zhuǎn)換，像元純凈指數(shù)1）在ENVI主菜單中選擇Pixel Purity Index New Output Band，選擇前面得到的MNF圖像進行PPI處理。經(jīng)11000次迭代：，2）打開文件PPI，并以灰階影像顯示出來。較亮的像素代表了波譜更純凈的像素，而較暗的像素表明波譜不是很純凈的像素3）主影像窗口菜單欄的 Enhance 下拉菜單中，選擇Interactive Stretching，了解 PPI 影像的直方圖和數(shù)據(jù)分布的特點。交互式的拉伸4）從主影

19、像菜單欄中選擇 Overlay Region of Interest，打開 ROI Tool 對話框。在 ROI Tool 對話框中，選擇 Options Band Threshold to ROI，創(chuàng)建一個感興趣區(qū)，該感興趣區(qū)僅包含PPI值高的像素區(qū)域。只有像素值大于所選的最小閾值的那些像素才會包含在從 PPI 影像中所生成的感興趣區(qū)中。在 ROI Tool 對話框中，點擊感興趣區(qū)的名字，選擇并顯示感興趣區(qū)。2、N維散點圖及繪制自己的端元1）從 ENVI 主菜單中選擇 Spectral n-Dimensional Visualizer Visualize with New Data。在n-D

20、 Visualizer Input File對話框中，點擊MNF文件，然后點擊Spectral Subset按鈕。在File Spectral Subset對話框中選擇前十個波段。在n-D Visualizer Input File對話框中，點擊OK。點擊波段1、2、3、4和5，查看五維的數(shù)據(jù)投影。選擇 Options Show Axes，打開顯示坐標(biāo)軸。2）返回到n-D Controls 對話框，點擊 Start 按鈕，重新啟動 N 維數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)看到某個感興趣的投影（帶有多個點集群或者集群拐角）時，暫停旋轉(zhuǎn)，并在 Class 下拉式菜單中選擇一個顏色，然后使用鼠標(biāo)光標(biāo)在一個或者多個拐角上圈出這些像素點。點擊n-D Visualizer右鍵導(dǎo)出感興趣區(qū)并保存感興趣區(qū)：在n-D Visualizer右鍵點擊mean All：3、 波譜分析使用Spectral Analyst 和波譜曲線繪制圖的比較，確定所提取的n-D Visualizer波譜曲線的礦物質(zhì)類型：4、主窗口中選擇ClassificationSupervise Spectral Angle Mapper，選中，然后導(dǎo)入感興趣區(qū)。分類后的結(jié)果圖如下：9、 參考文獻1 ENVI遙感影像處理專題與實踐M，220-2