典型地物反射波谱测量与特征分析.docx

1、典型地物反射波谱测量与特征分析典型地物反射波谱测量与特征分析一、实验目的与要求1. 实验意义：（1） 对光谱测量仪器的认识： ASD野外光谱分析仪 FieldSpecPro是一种测量可见光到近红外波段地物波谱的有效工具， 它能够快速扫描地物， 光线探头在毫秒内得到地物的单一光谱。 FieldSpec分光仪主要由附属手提电脑，观测仪器，手枪式把手，光线光学探头以及连接数据线组成。 通过连接电脑， 可实时持续显示测量光谱， 使得测量者可以即时获取需要的测量数据。（2）对课堂内容的认识：地物反射光谱是指某种物体的反射率或反射辐射能随波长变化的规律， 以波长为横坐标， 反射率为纵坐标所得到的曲线即为反

2、射波谱特性曲线。影响地物波谱变化的因素：太阳位置（太阳高度角和方位角）。不同的地理位置，海拔高度不同。时间、季节的变化。地物本身差异、土壤含水量、植被病虫害。2. 实验目的：（1）地物波谱数据获取需要使用地面光谱仪，通过该实验学会地面光谱仪的原理与使用方法。（2）通过对地物光谱曲线分析，比较相异与相似地物反射光谱特征。认识并掌握典型地物反射光谱特征。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

3、、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FieldSpec Pro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3502500nm 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

4、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：+/- 1nm700nm波长重复性：在校准温度的+/- 10C范围内优于+/- 0.3nm.光谱分辨率: 3nm 700nm, 10nm 1400nm and 2100nm. 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) 1.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr700nmNIR(近红外) 2.4 x 10-9 W/cm2/nm/sr1400nmN

5、IR (近红外) 8.8 x 10-9 W/cm2/nm/sr2100nm图1 FieldSpec Pro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：ENVI Classic，ASD光谱仪配套软件（RS3和 View SpecPro Graph）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。

6、）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 10:0014:00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 Display Spectral Library View，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

7、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。图：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）图：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）图：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（Option

8、s）图：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： Data Value：（默认显示）影像原始值； 包络线去除Continuum Removed：绘制数据与连续删除。连续的是，套在光谱的顶部的

9、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。 Binary Encoding：二进制编码，重新生成0与1的波频曲线。图：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Plot Key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：ASCI

10、I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/Spectral Libraries/Spectral Library Builder。打开Spectral Library Builder对话框。（2）为波谱库选择波长范围和FWHM值，有三个选项： Data File (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 ASCII File：波长值与FWHM值的列的文本文件 First Input Spectru

11、m：以第一次输入波谱曲线的波长信息为准选择First Input Spectrum，单击ok，打开Spectral Library Builder面板。图：Spectral Library Builder对话框第二步：波谱收集在Spectral Library Builder面板中，可以从各种数据源中收集波谱，见下表。所有收集的波谱被自动重采样到选择的波长空间。表2.1波谱收集方法说明菜单命令功能文本文件（From ASCII file）从包含波谱曲线x轴和y轴信息的文本文件，当选择好文本文件时候，需要在Input ASCII File面板中为x轴和y轴选择文本文件中相应的列。当选择from

12、ASCII file (previous template)时，自动按照前面设置导入波谱信息。from ASD Binary Files从ASD波谱仪中导入波谱曲线。波谱文件将被自动重采样以匹配波谱库中的设置。当ASD文件的范围与输入波长的范围不匹配，将会产生一个全0结果。from Spectral Library从标准波谱库中导入波谱曲线。from ROI/EVF from input file从ROI或者矢量EVF导入波谱曲线，这些ROI /EVF关联相应的图像，波谱就是ROI/EVF上每个要素对应图像上的平均波谱。from Stats file从统计文件中导入波谱曲线，统计文件的均值波谱

13、将被导入。From Plot Windows从Pot窗口中导入波谱曲线。下面介绍从高光谱图像数据中收集波谱 和 从ASD波谱仪中导入波谱曲线。启动ENVI，打开高光谱数据CupriteReflectance.dat。 收集图像上某个像元的波谱：（1）选择DisplayProfileSpectral，在Spectral Profile对话框中，显示当前鼠标点的剖面曲线。找到要收集的像元，鼠标选中，该像元的波谱曲线显示（2）回到Spectral Library Builder面板中，选择Import From Plot Windows，将所收集的波谱选中导入。（3）导入的波谱显示在列表中，在波谱名

14、称（Spectrum Name）字段对应的记录双击鼠标以修改波谱名称。同样的方法可以修改颜色（Color）字段的信息。图：Import from Plot Windows面板这种方法是从图像上获取单个点的波谱曲线，也可以获取某个区域的平均波谱曲线，如ROI文件或者矢量文件。 收集ROI或矢量文件范围的平均波谱（1）在ENVI主菜单中，选择FileOpen，打开ROICupriteMineralROIs.xml感兴趣样本文件。（2）回到Spectral Library Builder面板中，选择Import from ROI/EVF from input file，选择高光谱文件CupriteR

15、eflectance.dat作为波谱来源。图：Spectral Library Builder面板（3）选中某一类感兴趣区，如方解石Calcite，点击Plot，绘制该感兴趣区的平均光谱曲线。图：方解石Calcite的平均光谱曲线第三步：保存波谱库（1）Spectral Library Builder面板中，点击Select All，将样本全部选中；（2）Spectral Library Builder面板中，选择FileSave Spectra AsSpectral Library，打开Output Spectral Library面板；（3）在Output Spectral Library

16、面板中，可以输入以下参数： Z剖面范围（Z Plot Range）:空白（Y轴的范围，根据波谱值自动调节） X轴标题（X Axis Title）：波长 Y轴标题（Y Axis Title）：反射率 反射率缩放系数（Reflectance Scale Factor）：空白 波长单位（Wavelength Units）：Nanometers X值缩放系数（X Scale Factor）：1 Y值缩放系数（Y Scale Factor）：1（4）选择输入路径及文件名，单击OK保存波谱库文件。图：保存波谱库参数设置面板从ASD波谱仪中导入波谱曲线1 使用VSP 软件输出ASCII files。打开Vi

17、ew SpecPro Graph,导出仪测量数据。具体步骤如下： ViewSpecProVersion5.6-files-open-选择.asd数据图2 View SpecPro加载数据图3 选择数据文件 Setup-Output directory File-Open选择 ASD spectra files (*.asd) View-Graph data to browse the spectral data Go to Process-ASCII Export, choose Reflectance if thats the data you have collected. Select

18、Print Header Information as that will give you really useful information on the instrument. Then click OK to proceed.2 使用ENVI 进行光谱库的建立。在Spectral Library Builder window, 选择 Import - from ASCII file 选择你要分析的数据。2.3 高光谱地物识别高光谱图像分类方法与传统的多光谱分类有本质的区别，从高光谱图像的每个像元均可以获取一条连续的波谱曲线，就可以考虑用已知的波谱曲线和图上每个像元获取的波谱曲线进行对比

19、，理想情况下两条波谱曲线一样，就能说明这个像元是哪种物质。我们把高光谱图像分类、物质识别、探测等称为波谱识别。ENVI提供许多波谱分析方法，包括：二进制编码、波谱角分类、线性波段预测（LS-Fit）、线性波谱分离、光谱信息散度、匹配滤波、混合调谐匹配滤波（MTMF）、包络线去除、光谱特征拟合、多范围光谱特征拟合等。下面以一高光谱数据为例，学习用波谱角分析方法从高光谱图像中识别物质的操作过程。2.3.1 从标准波谱库选择端元进行地物识别第一步：端元波谱收集ENVI的端元波谱收集途径非常多，包括ASCII文件、ASD测量文件、波谱库、ROI/矢量文件、统计文件、剖面波谱图、N维可视化分析器、二维散

20、点图、SMACC工具等。这里我们选择从波谱库中收集端元波谱的方式。（1）启动ENVI，打开高光谱数据CupriteReflectance.dat（2）单击主菜单Display- Spectral Library Viewer，打开usgs（1994）-minerals_asd_2151.sli，点击Alunite、Calcite、Prehnite、Protlanndite，收集这些矿物的端元波谱并自动绘制在右侧的窗口中，将这四条光谱曲线绘制在新的波谱显示窗口，修改每条曲线为中文名；图：从波谱库中收集端元波谱第二步：物质识别（1）在Toolbox中，打开/Classification/Endme

21、mber Collection工具，在文件对话框中选择高光谱数据CupriteReflectance.dat；（2）在Endmember Collection面板中，选择Import from Plot Windows。将4个端元波谱全部选中，点击OK；（3）选择Algrithm Spectral Angle Mapper 波谱角识别方法。（4）单击Select All，选中所有的端元波谱。图：选择端元波谱和制图方法（5）单击Apply，运行波谱角法制图。第三步：结果输出在Spectral Angle Mapper面板上，设置波谱角阈值：0.15，选择结果输出路径和名称。图：Spectral

22、Angle Mapper制图输出面板图：矿物识别结果2.3.2 自定义端元进行地物识别这里我们选择从图像上收集端元波谱的方式，包括收集单个像元波谱和区域的平均波谱。第一步：构建端元波谱库（1）启动ENVI，打开高光谱数据CupriteReflectance.dat；（2）单击主菜单Display ProfilesSpectral，在图像上定位到像素坐标为：（467,412）的像元，即在工具栏Go To输入467,412回车，将该像元的光谱曲线显示在窗口中图：（467,412）像元的波谱曲线（3）在Toolbox中，打开/Classification/Endmember Collection工具

23、，在文件对话框中选择高光谱数据CupriteReflectance.dat；（4）在Endmember Collection面板中，选择Import from Plot Windows。将显示的端元波谱选中，点击OK；单个像素的波谱曲线收集好了，下面是收集一个区域的平均波谱。（5）在图层管理器中CupriteReflectance.dat上点击右键New Region Of Interest，找到一片需要识别的区域，绘制一个多边形区域；注：可直接打开ROI端元ROI.xml（6）回到Endmember Collection面板，选择Import from ROI from input file

24、，将绘制的ROI都选中，点击OK；（7）在Endmember Collection面板，选择Select All，单击Plot将几条波谱曲线显示出来。注：以防万一，点击File-Save Spectra as-Spectral Library File，将获取的端元波谱保存为端元波谱文件。图：保存端元波谱第二步：确定端元波谱类型（1）在Toolbox中，选择/Spectral/Spectral Analyst，选择在对话框的右下角选择OpenSpectral Library，选择.Program FilesExelisENVI51classicspec_libusgs_min usgs_min

25、.sli作为对比波谱库，在识别方法权重上按照默认，点击OK；（2）在Spectral Analyst面板上，选择Options-Edit(x,y) Scale Factors，设置X Data Multipliter为0.001，设置Y Data Multipliter为0.0001，点击OK；注：标准波谱库的波长是微米，y轴的值为0-1反射率。图：设置待识别波谱与标准波谱库的单位比例关系（3）在Spectral Analyst面板上，单击Apply按钮，选择之前步骤中得到的第一个波谱进行分析，点击OK，记下分值最高对应的地物；图：选择一个波谱进行分析图：波谱曲线分析结果（4）回到Endmember Collection面板，将波谱分析得到的地物名在Name中输入；（5）重复（3）-（4）两步，识别剩下的波谱，最后结果如下图所示：图：波谱识别结果第三步