典型地物反射波谱测量与特征分析复习进程Word文件下载.docx
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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
FieldSpecPro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@1400nmand2100nm.
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)1.4x10-9W/cm2/nm/sr@700nm
NIR(近红外)2.4x10-9W/cm2/nm/sr@1400nm
NIR(近红外)8.8x10-9W/cm2/nm/sr@2100nm
图1FieldSpecPro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:
ENVIClassic,ASD光谱仪配套软件(RS3和ViewSpecProGraph)
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/adjustconfiguration
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/spectrumsave
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JohnsHopkinsUniversity(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ChrisElvidge提供,范围是0.4~2.5μm。
ENVI5.1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\ProgramFiles\Exelis\ENVI51\classic\spec_lib。
启动ENVI5.1,主菜单>
Display>
SpectralLibraryView,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。
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)
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)
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)
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:
∙DataValue:
(默认显示)影像原始值;
∙包络线去除ContinuumRemoved:
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。
∙BinaryEncoding:
二进制编码,重新生成0与1的波频曲线。
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PlotKey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/SpectralLibraries/SpectralLibraryBuilder。
打开SpectralLibraryBuilder对话框。
(2)为波谱库选择波长范围和FWHM值,有三个选项:
∙"
DataFile"
(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
ASCIIFile"
:
波长值与FWHM值的列的文本文件
FirstInputSpectrum"
以第一次输入波谱曲线的波长信息为准
选择"
,单击ok,打开SpectralLibraryBuil