实 习 一 光 谱 的 微 分 和 积 分 一 实 习 目 的 熟 悉 和 掌 握 光 谱 的 微 分 和 积 分 的 概 念, 利 用 相 关 软 件 对 植 被 高 光 谱 数 据 进 行 微 分 和 积 分 处 理 ; 利 用 高 光 谱 数 据 分 析 植 被 的 红 边 等 典 型 植 被 高 光 谱 特 征 二 原 理 与 方 法 1 光 谱 微 分 光 谱 微 分 技 术 就 是 通 过 对 反 射 光 谱 进 行 数 学 模 拟, 计 算 不 同 阶 数 的 微 分 值, 以 提 取 不 同 的 光 谱 参 数 应 用 光 谱 微 分 技 术 能 够 部 分 消 除 大 气 效 应 植 被 环 境 背 景 ( 阴 影 土 壤 等 ) 的 影 响, 以 反 映 植 物 的 本 质 特 征 所 得 的 数 据, 可 以 用 于 植 被 生 物 化 学 信 息 的 提 取 不 同 研 究 者 提 出 的 植 被 指 数 可 以 认 为 是 反 映 波 形 形 态 变 化 的 反 射 光 谱 的 n 阶 导 数, 而 这 种 光 谱 的 n 阶 导 数 实 质 上 表 达 了 植 被 叶 绿 素 水 氮 等 生 物 化 学 元 素 吸 收 波 形 的 变 化, 是 这 些 吸 收 物 质 的 丰 度 与 状 态 的 光 谱 指 标 光 谱 微 分 公 式 ( 以 二 阶 为 例 ) 为 : ρ λ = ρ λ ρ λ λ ' ' '' ( i) [ ( i+ 1) ( i 1)]/2 (1) 式 中, λ 为 波 长, i ρ ( λ i ) 为 波 长 λi 处 的 一 阶 微 分 光 谱, λ 为 相 邻 两 波 段 间 的 波 长 间 隔 (a) 植 被 与 土 壤 原 始 反 射 率 曲 线 (b) 植 被 与 土 壤 原 始 一 阶 导 数 曲 线
2 光 谱 积 分 图 1 光 谱 微 分 处 理 示 意 图 光 谱 积 分 就 是 求 光 谱 曲 线 在 某 一 波 长 范 围 内 的 下 覆 面 积 三 实 习 仪 器 与 数 据 λ 2 ϕ = f( λ) dλ λ 1 (2) EXCELL 软 件 以 及 玉 米 叶 片 反 射 光 谱 四 实 习 步 骤 1 计 算 玉 米 叶 片 反 射 光 谱 的 一 阶 微 分 光 谱 利 用 EXCELL 软 件 导 入 玉 米 叶 片 反 射 率 数 据, 并 绘 制 其 反 射 率 光 谱 曲 线 ( 见 图 2) 采 用 公 式 1 对 玉 米 叶 片 反 射 率 数 据 进 行 差 分 法 处 理, 获 得 一 阶 微 分 光 谱 曲 线 ( 见 图 3) 比 较 和 分 析 图 2 及 图 3 0.6 0.5 0.4 反 射 率 0.3 0.2 0.1 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 11001200 1300 1400 1500 1600 波 长 (nm) 图 2 玉 米 叶 片 反 射 率 光 谱 曲 线
0.02 0.015 一 阶 微 分 光 谱 0.01 0.005 0-0.005 400 500 600 700 800 900 1000 波 长 (nm) 图 3 玉 米 叶 片 一 阶 微 分 光 谱 曲 线 2 根 据 一 阶 导 数 光 谱, 求 取 红 边 面 积 计 算 670nm-760nm 一 阶 导 数 光 谱 曲 线 与 坐 标 轴 之 间 包 含 的 面 积 3 完 成 实 习 报 告 内 容 包 括 : 目 的 玉 米 原 始 光 谱 曲 线 玉 米 一 阶 导 数 光 谱 曲 线 红 边 面 积 校
实 习 二 光 谱 库 的 制 作 光 谱 数 据 的 重 采 样 及 连 续 统 去 除 一 实 习 目 的 熟 悉 和 掌 握 光 谱 库 以 及 光 谱 数 据 的 重 采 样 及 连 续 统 去 除 等 概 念 ; 利 用 ENVI 软 件 制 作 光 谱 库, 对 光 谱 数 据 进 行 重 采 样 及 连 续 统 去 处 理 二 原 理 与 方 法 图 4 为 连 续 统 去 除 法 示 意 图, 图 中 的 绿 线 即 为 包 络 线, 它 从 外 观 上 看 就 相 当 于 原 始 反 射 光 谱 曲 线 的 外 壳, 就 像 用 一 层 薄 膜 包 裹 凹 凸 不 平 的 固 体 物, 则 薄 膜 只 与 固 体 物 的 凸 出 部 分 接 触 实 际 的 光 谱 曲 线 是 由 离 散 的 样 点 组 成, 所 以 可 用 连 续 的 折 线 来 近 似 光 谱 曲 线 的 包 络 线 (Clark et al., 1984) 包 络 线 的 物 理 含 义 为 目 标 的 背 景 场 光 谱, 在 获 得 包 络 线 后, 原 始 光 谱 与 对 应 波 段 包 络 线 的 比 值 即 为 该 波 段 的 连 续 统 去 除 后 的 归 一 化 光 谱 值 连 续 统 去 除 后 的 归 一 化 光 谱 的 特 点 是 起 始 点 数 值 为 1, 其 间 的 点 位 于 (0,1) 连 续 统 去 除 法 具 有 压 抑 背 景 光 谱, 扩 大 弱 吸 收 特 征 信 息 的 优 势 连 续 统 去 除 可 有 效 突 出 吸 收 和 反 射 特 征, 是 一 种 有 效 的 光 谱 分 析 方 法
图 4 连 续 统 去 除 示 意 图 三 实 习 仪 器 与 数 据 ENVI 软 件 EXCELL 软 件 和 作 物 冠 层 反 射 率 曲 线 四 实 习 步 骤 1 光 谱 库 的 制 作 1) 打 开 ENVI 软 件, 按 照 图 5 的 方 式 打 开 建 立 光 谱 库 界 面 2) 导 入 光 谱 数 据, 然 后 以 光 谱 库 的 格 式 存 储 ( 见 图 6 和 图 7)
图 5 建 立 光 谱 库 界 面 图 6 导 入 光 谱 数 据
图 7 光 谱 库 的 格 式 存 储 界 面 2 光 谱 数 据 的 重 采 样 1) 在 ENVI 主 菜 单 中 打 开 spectral resampling 命 令 ( 见 图 8); 图 8 打 开 spectral resampling 命 令
2) 选 择 待 重 采 样 的 光 谱 文 件 ( 见 图 9); 3) 定 义 输 出 结 果 文 件 名 ( 见 图 10); 图 9 选 择 待 重 采 样 的 光 谱 文 件 图 10 定 义 输 出 结 果 文 件 名
4) 指 定 波 长 文 件 ( 见 图 11); 图 11 指 定 波 长 文 件 5) 查 看 重 采 样 结 果 ( 见 图 12)
图 12 查 看 重 采 样 结 果 3 连 续 统 去 除 1) 选 择 并 打 开 待 连 续 统 去 除 的 光 谱 ( 图 13) 图 13 选 择 并 打 开 待 连 续 统 去 除 的 光 谱
2) 连 续 统 处 理 ( 图 14) 4 完 成 实 习 报 告 图 14 连 续 统 去 除 处 理 及 结 果 内 容 包 括 : 目 的 光 谱 库 制 作 结 果 光 谱 重 采 样 结 果 以 及 连 续 统 去 除 结 果
实 习 三 高 光 谱 数 据 的 相 关 分 析 及 建 模 一 实 习 目 的 熟 悉 和 掌 握 高 光 谱 数 据 的 特 征 提 取 方 法 ; 掌 握 利 用 回 归 统 计 分 析 方 法 进 行 高 光 谱 建 模 二 原 理 与 方 法 1 相 关 分 析 相 关 分 析 (correlation analysis), 相 关 分 析 是 研 究 现 象 之 间 是 否 存 在 某 种 依 存 关 系, 并 对 具 体 有 依 存 关 系 的 现 象 探 讨 其 相 关 方 向 以 及 相 关 程 度, 是 研 究 随 机 变 量 之 间 的 相 关 关 系 的 一 种 统 计 方 法 (3) 式 中 R 为 相 关 系 数,X i Y i 为 样 本, 为 X Y 为 期 望 值 2 回 归 分 析 回 归 分 析 (regression analysis) 是 确 定 两 种 或 两 种 以 上 变 数 间 相 互 依 赖 的 定 量 关 系 的 一 种 统 计 分 析 方 法 研 究 一 个 随 机 变 量 Y 对 另 一 个 (X) 或 一 组 (X1,X2,,Xk) 变 量 的 相 依 关 系 的 统 计 分 析 方 法 三 实 习 仪 器 与 数 据 SPSS 软 件 EXCELL 软 件 及 玉 米 叶 片 反 射 光 谱 数 据 叶 绿 素 含 量 数 据 四 实 习 步 骤 1 相 关 分 析 1) 将 玉 米 反 射 光 谱 数 据 及 叶 绿 素 数 据 导 入 SPSS 软 件, 并 进 行 对 每 个 波 段 与 对 应 的 叶 绿 素 含 量 数 据 进 行 相 关 分 析 ( 图 15)
图 15 导 入 统 计 数 据 2) 获 得 相 关 分 析 结 果 ( 图 16-17), 找 出 相 关 系 数 绝 对 值 最 大 值 波 段, 通 过 图 17 发 现, 540nm 波 段 相 关 系 数 为 -0.527, 大 于 临 界 值 0.468(n=16,α=0.05) 图 16 相 关 分 析 结 果
0.6 0.4 玉 米 叶 片 反 射 光 谱 相 关 系 数 反 射 率 / 相 关 系 数 0.2 0 400 500 600 700 800 900 1000-0.2-0.4-0.6 波 长 (nm) 图 17 相 关 系 数 曲 线 2 回 归 建 模 1) 选 用 540nm 反 射 率 与 叶 绿 素 含 量 进 行 回 归 分 析 ( 图 18) 图 18 回 归 分 析
图 19 回 归 分 析 2) 回 归 分 析 结 果 CH= -9.875ρ 540-3.509,F-6.159, α=0.025 3 完 成 实 习 报 告 图 20 回 归 分 析 结 果 内 容 包 括 : 目 的 相 关 分 析 结 果 回 归 分 析 结 果
实 习 四 高 光 谱 图 像 大 气 校 正 一 实 习 目 的 熟 悉 和 掌 握 高 光 谱 图 像 大 气 校 正 基 本 流 程 ; 掌 握 ENVI 中 FLAASH 大 气 校 正 模 块 的 基 本 操 作 及 参 数 设 置 二 原 理 与 方 法 1 基 本 原 理 FLAASH 大 气 校 正 基 于 太 阳 波 谱 范 围 内 ( 不 包 括 热 辐 射 ), 标 准 的 平 面 朗 伯 体 在 传 感 器 处 接 收 到 的 单 个 像 元 光 谱 辐 射 亮 度, 按 公 式 (4) 进 行 计 算 : (4) 模 型 中 传 感 器 接 收 到 的 辐 射 亮 度 L 由 3 部 分 组 成. 第 一 部 分 是 第 一 项, 代 表 太 阳 辐 射 经 大 气 入 射 到 地 表 后, 经 大 气 反 射 直 接 进 入 传 感 器 的 部 分 辐 照 度 ; 第 二 部 分 是 第 二 项, 代 表 经 大 气 散 射 后 的 部 分 散 射 光, 重 新 漫 入 射 被 观 察 地 物, 经 反 射 后 进 入 传 感 器 的 部 分 辐 照 度 ; 第 三 部 分 是 Lα, 为 太 阳 辐 射 经 大 气 散 射 后 的 散 射 光, 向 上 通 过 大 气 进 入 传 感 器 的 部 分 辐 照 度.FLAASH 模 块 利 用 大 气 点 扩 散 函 数 对 邻 近 像 元 效 应 进 行 了 纠 正. (5) 由 FLAASH 模 块 取 得 相 关 参 数 后, 影 像 反 射 率 就 可 利 用 辐 射 传 输 方 程 对 逐 个 像 元 进 行 计 算. 步 骤 如 下 :1 通 过 计 算 Column water vapor 的 量 来 计 算 A,B,S 和 La.Column water vapor 在 不 同 场 景 下 各 不 相 同, 运 行 几 次 不 同 水 蒸 气 数 量 的 MODTRAN 模 型, 构 成 一 个 查 找 表, 每 个 像 素 可 从 该 表 中 获 得 水 蒸 气 量, 进 一 步 计 算 A,B,S 和 La.2 忽 略 影 像 邻 近 像 元 效 应 影 响, 利 用 (5) 式 计 算 像 元 空 间 平 均 反 射 率 ρe, 获 取 邻 近 像 元 反 射 率.FLAASH 模 块 中 用 一 个 径 向 距 离 近 似 指 数 函 数, 代 替 大 气 点 扩 散 函 数 进 行 邻 近 像 元 反 射 率 计 算. 当 求 得 邻 近 像 元 反 射 率 后, 将 遥 感 器 接 收 的 辐 射 亮 度 和 MODTRAN4 模 拟 大 气 校 正 参 数 代 入 (4) 式, 求 得 整 幅 影 像 的 真 实 地 表 反 射 率 ρ. 2 模 块 参 数 设 置 参 数 主 要 包 括 : 传 感 器 几 何 参 数 地 面 高 程 遥 感 影 像 成 像 时 间 和 日 期 大 气 参 数 气 溶 胶
模 式 能 见 度 光 谱 波 段 响 应 三 实 习 仪 器 与 数 据 ENVI 软 件 及 Hyperion 影 像 数 据 四 实 习 步 骤 1 处 理 流 程 图 21 处 理 流 程
2 去 除 未 定 标 及 水 汽 影 像 波 段 删 除 的 波 段 见 表 1, 最 终 保 留 196 个 波 段, 分 别 为 8-57,79-224 表 1 被 删 除 的 波 段 3 绝 对 辐 射 值 的 转 换 VNIR 和 SWIR 波 段 分 别 除 以 因 子 40 和 80. 4 坏 线 修 复 条 纹 去 除 Smile 效 应 去 除 坏 线 修 复 条 纹 去 除 Smile 效 应 可 用 全 局 去 条 纹 方 法 去 除 其 原 理 为 :
5 基 于 FLAASH 进 行 大 气 校 正 1)FLAASH 模 块 参 数 设 置 2) 大 气 校 正 结 果 图 22 FLAASH 模 块 参 数 设 置 图 23 大 气 校 正 结 果 6 完 成 实 习 报 告 内 容 包 括 : 目 的 预 处 理 结 果 大 气 校 正 结 果
实 习 五 高 空 间 分 辨 率 遥 感 数 据 的 正 射 校 正 一 实 习 目 的 熟 练 掌 握 利 用 如 ENVI 等 通 用 遥 感 图 像 处 理 软 件 对 IKONOS QuickBird 等 高 空 间 分 辨 率 数 据 的 正 射 校 正 二 原 理 与 方 法 正 射 纠 正 即 将 中 心 投 影 的 影 像 纠 正 为 垂 直 投 影 或 正 射 投 影 垂 直 投 影 中 心 投 影 图 24 垂 直 投 影 及 中 心 投 影 示 意 图 在 中 心 投 影 的 像 片 上, 地 形 的 起 伏 除 了 引 起 像 片 比 例 尺 的 变 化 外, 还 会 引 起 平 面 上 点 位 在 像 片 上 相 对 位 置 的 移 动, 这 种 现 象 称 为 像 点 位 移 其 位 移 量 就 是 中 心 投 影 与 垂 直 投 影 在 同 一 水 平 面 上 的 投 影 误 差 如 图 25, 由 于 高 差 的 原 因, 实 际 像 点 P 距 像 幅 中 心 的 距 离 相 对 于 理 想 像 点 P 0 距 像 幅 中 心 的 距 离 移 动 r
像 点 位 移 的 计 算 公 式 图 25 地 形 起 伏 对 影 像 的 影 响 hr σ= H 其 中 σ 位 移 量 ; h 地 面 高 差 ; r- 像 点 到 像 主 点 的 距 离 ; H 摄 影 高 度 由 公 式 可 以 看 出 : 1) 移 量 与 地 面 高 差 h 成 正 比, 即 高 差 越 大 引 起 的 像 点 位 移 量 也 越 大 当 地 面 高 差 为 正 时 ( 地 形 高 于 摄 影 基 准 面 ),σ 为 正 值, 像 点 位 移 是 背 离 像 点 方 移 动 的 ; 当 高 差 为 负 时 ( 地 形 低 于 摄 影 基 准 面 ),σ 为 负 值, 像 点 向 像 主 点 方 向 移 动 2) 位 移 量 与 像 主 点 的 距 离 r 成 正 比, 即 距 像 主 点 越 远 的 像 点 位 移 量 越 大, 像 片 中 心 部 分 位 移 量 较 小 像 主 点 处 r=0, 无 位 移 3) 位 移 量 与 摄 影 高 度 H( 航 高 ) 成 反 比 即 摄 影 高 度 越 大, 困 地 表 起 伏 引 起 的 位 移 量 越 小 因 此, 结 合 DEM 图 像, 可 以 对 中 心 投 影 转 换 为 正 射 投 影 三 实 习 仪 器 与 数 据 ENVI 软 件 和 IKONOS 数 据
四 实 习 步 骤 1 打 开 ENVI 软 件, 打 开 IKONOS 数 据 及 DEM 数 据 2 运 行 正 射 校 正 程 序 图 26 打 开 IKONOS 数 据 及 DEM 数 据 图 27 运 行 正 射 校 正 程 序
3 选 择 需 校 正 的 影 像 数 据 4 设 定 正 射 校 正 参 数 图 28 选 择 需 校 正 的 影 像 数 据
5 运 行 正 射 校 正 程 序 图 29 设 定 正 射 校 正 参 数 图 30 运 行 正 射 校 正 程 序
6 完 成 实 习 报 告 图 31 检 查 正 射 校 正 结 果 内 容 包 括 : 目 的 正 射 校 正 结 果