高光谱与高空间分辨率遥感实习高光谱与高空间分辨率遥感实习实习一实习一 光谱的微分和积分光谱的微分和积分 一、实习目的一、实习目的 熟悉和掌握光谱的微分和积分的概念，利用相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；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利用高光谱数据分析植被的“红边红边”等典型植被等典型植被高光谱特征。高光谱特征。 二、原理与方法二、原理与方法1、光谱微分、光谱微分 光谱微分技术就是通过对反射光谱进行数学模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、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，以反映植被环境背景（阴影、土壤等）的影响，以反映植物的本质特征。植物的本质特征。 光谱微分公式（以二阶为例）为：光谱微分公式（以二阶为例）为： 式中，式中， 为为 波长，波长， 为波长为波长 处的一阶微分光谱，处的一阶微分光谱， 为相邻两波段间的波长间隔。为相邻两波段间的波长间隔。 2、光谱积分、光谱积分 光谱积分就是求光谱曲线在某一波长范围内的光谱积分就是求光谱曲线在某一波长范围内的下覆面积。下覆面积。三、实习仪器与数据三、实习仪器与数据 EXCELL软件以及玉米叶片反射光谱。软件以及玉米叶片反射光谱。四、实习步骤四、实习步骤1、计算玉米叶片反射光谱的一阶微分光谱、计算玉米叶片反射光谱的一阶微分光谱 利用利用EXCELL软件导入玉米叶片反射率数据，软件导入玉米叶片反射率数据，并绘制其反射率光谱曲线（见图并绘制其反射率光谱曲线（见图1）。采用公式）。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（见图阶微分光谱曲线（见图2）。比较和分析图）。比较和分析图1及图及图2。 图1 玉米叶片反射率光谱曲线图2 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、根据一阶导数光谱，求取红边面积 计算计算670nm-760nm一阶导数光谱曲线与坐标一阶导数光谱曲线与坐标轴之间包含的面积。轴之间包含的面积。3、完成实习报告、完成实习报告 内容包括：目的、玉米原始光谱曲线、玉米一内容包括：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。阶导数光谱曲线、红边面积校。实习二实习二 光谱库的制作、光谱数据的重光谱库的制作、光谱数据的重采样及连续统去除采样及连续统去除 一、实习目的一、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；利用续统去除等概念；利用ENVI软件制作光谱库，对软件制作光谱库，对光谱数据进行重采样及连续统去处理。光谱数据进行重采样及连续统去处理。二、原理与方法二、原理与方法 图3 连续统去除示意图 三、实习仪器与数据三、实习仪器与数据 ENVI软件、软件、EXCELL软件和作物冠层反射率曲线。软件和作物冠层反射率曲线。四、实习步骤四、实习步骤1、光谱库的制作、光谱库的制作 1）打开）打开ENVI软件，打开建立光谱库界面。软件，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）导入光谱数据，然后以光谱库的格式存储2、光谱数据的重采样、光谱数据的重采样 1）在）在ENVI主菜单中打开主菜单中打开spectral resampling命令命令 2）选择待重采样的光谱文件）选择待重采样的光谱文件 3）定义输出结果文件名）定义输出结果文件名 4）指定波长文件）指定波长文件 5）查看重采样结果）查看重采样结果 3、连续统去除、连续统去除 1）选择并打开待连续统去除的光谱）选择并打开待连续统去除的光谱 2）连续统处理）连续统处理 4、完成实习报告、完成实习报告 内容包括：目的、光谱库制作结果、光谱重采样结内容包括：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。果以及连续统去除结果。 实习三实习三 高光谱数据的相关分析及建模高光谱数据的相关分析及建模一、实习目的一、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。归统计分析方法进行高光谱建模。二、原理与方法二、原理与方法1、相关分析、相关分析 相关分析（相关分析（correlation analysis），相关分），相关分析是研究现象之间是否存在某种依存关系，并对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程度，是研究随机变量之间的相关关系的一种统计方法。计方法。 2、回归分析、回归分析 回归分析（回归分析（regression analysis)是确定两种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。研究一个随机变量计分析方法。研究一个随机变量Y对另一个对另一个(X)或或一组一组(X1，X2，Xk)变量的相依关系的统计分变量的相依关系的统计分析方法。析方法。 三、实习仪器与数据三、实习仪器与数据 SPSS软件、软件、EXCELL软件及玉米叶片反射光软件及玉米叶片反射光谱数据、叶绿素含量数据。谱数据、叶绿素含量数据。四、实习步骤四、实习步骤1、相关分析、相关分析 1）将玉米反射光谱数据及叶绿素数据导入）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据进行相关分析 2）获获得得相相关关分分析析结结果果，找找出出相相关关系系数数绝绝对对值值最大值波段，并与临界值进行比较。最大值波段，并与临界值进行比较。图3 相关系数曲线2、回归建模、回归建模 1)选用选用540nm反射率与叶绿素含量进行回反射率与叶绿素含量进行回归分析归分析 2）回归分析结果）回归分析结果3、完成实习报告、完成实习报告 内容包括：目的、相关分析结果、回归分内容包括：目的、相关分析结果、回归分析结果。析结果。 实习四实习四 高光谱图像大气校正高光谱图像大气校正一、实习目的一、实习目的 熟悉和掌握高光谱图像大气校正基本流程；掌熟悉和掌握高光谱图像大气校正基本流程；掌握握ENVI中中FLAASH大气校正模块的基本操作及参大气校正模块的基本操作及参数设置。数设置。二、原理与方法二、原理与方法1、基本原理、基本原理FLAASH 大气校正基于太阳波谱范围内大气校正基于太阳波谱范围内(不不包括热辐射包括热辐射),标准的平面朗伯体在传感器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处接收到的单个像元光谱辐射亮度, 由由FLAASH模块取得相关参数后模块取得相关参数后,影像反射率就可利影像反射率就可利用辐射传输方程对逐个像元进行计算用辐射传输方程对逐个像元进行计算.步骤如下步骤如下:通过计算通过计算Column water vapor 的量来计算的量来计算A,B,S和和La.Column water vapor 在不同场景下在不同场景下各不相同各不相同,运行几次不同水蒸气数量的运行几次不同水蒸气数量的MODTRAN 模型模型,构成一个查找表构成一个查找表,每个像素可从该表中获得每个像素可从该表中获得水蒸气量水蒸气量,进一步计算进一步计算A,B,S 和和La.忽略影像邻近像元效应影响忽略影像邻近像元效应影响,利用利用(5)式计算像元式计算像元空间平均反射率空间平均反射率e,获取邻近像元反射率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模块中用一个径向距离近似指数函数,代替大气点代替大气点扩散函数进行邻近像元反射率计算扩散函数进行邻近像元反射率计算.当求得邻近像当求得邻近像元反射率后元反射率后,将遥感器接收的辐射亮度和将遥感器接收的辐射亮度和MODTRAN4 模拟大气校正参数代入模拟大气校正参数代入(4)式式,求得求得整幅影像的真实地表反射率整幅影像的真实地表反射率. 2、模块参数设置、模块参数设置 参数主要包括：传感器几何参数、地面高程、遥参数主要包括：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、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。能见度、光谱波段响应。三、实习仪器与数据三、实习仪器与数据 ENVI软件及软件及Hyperion影像数据。影像数据。四、实习步骤四、实习步骤1、处理流程、处理流程 图4 处理流程 2、去除未定标及水汽影像波段、去除未定标及水汽影像波段 删除的波段见表删除的波段见表1，最终保留，最终保留196个波段，分别为个波段，分别为8-57,79-224。表表1 被删除的波段被删除的波段3、绝对辐射值的转换、绝对辐射值的转换 VNIR 和和SWIR波段分别除以因子波段分别除以因子40和和80.4、坏线修复、条纹去除、坏线修复、条纹去除、Smile效应去除效应去除 5、基于、基于FLAASH进行大气校正进行大气校正 1）FLAASH模块参数设置 图5 FLAASH模块参数设置2）大气校正结果）大气校正结果 图图6 大气校正结果大气校正结果6、完成实习报告、完成实习报告内容包括：目的、预处理结果、大气校正结果。内容包括：目的、预处理结果、大气校正结果。实习五实习五 高空间分辨率遥感数据的正射校正高空间分辨率遥感数据的正射校正一、实习目的一、实习目的 熟练掌握利用如熟练掌握利用如ENVI等通用遥感图像处理软等通用遥感图像处理软件对件对IKONOS、QuickBird等高空间分辨率数据等高空间分辨率数据的正射校正。的正射校正。二、原理与方法二、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。或正射投影。垂直投影垂直投影 中心投影中心投影图图7 垂直投影与中心投影示意图垂直投影与中心投影示意图 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。投影误差。 图图8 地形起伏对影像的影响地形起伏对影像的影响像点位移的计算公式像点位移的计算公式 由公式可以看出：由公式可以看出： 1)移量与地面高差成正比，即高差越大引起的像移量与地面高差成正比，即高差越大引起的像点位移量也越大。当地面高差为正时（地形高于点位移量也越大。当地面高差为正时（地形高于摄影基准面），摄影基准面），为正值，像点位移是背离像点为正值，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），方移动的；当高差为负时（地形低于摄影基准面），为负值，像点向像主点方向移动。为负值，像点向像主点方向移动。2）位移量与像主点的距离）位移量与像主点的距离 r 成正比，即距像主点越成正比，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。远的像点位移量越大，像片中心部分位移量较小。像主点处像主点处=0，无位移。，无位移。3) 位移量与摄影高度位移量与摄影高度H（航高）成反比。即摄影高（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。度越大，困地表起伏引起的位移量越小。因此，结合因此，结合DEM图像，可以对中心投影转换为正射图像，可以对中心投影转换为正射投影。投影。三、实习仪器与数据三、实习仪器与数据 ENVI软件和软件和IKONOS数据。数据。四、实习步骤四、实习步骤1、打开、打开ENVI软件，打开软件，打开IKONOS数据及数据及DEM数据。数据。 图图9 打开打开IKONOS数据及数据及DEM数据数据 图图10 运行正射校正程序运行正射校正程序2、运行正射校正程序、运行正射校正程序图图11 选择需校正的影像数据选择需校正的影像数据3、选择需校正的影像数据、选择需校正的影像数据图图12 设定正射校正参数设定正射校正参数4、设定正射校正参数、设定正射校正参数5、运行正射校正程序，检查校正结果、运行正射校正程序，检查校正结果图图13 检查正射校正结果检查正射校正结果6、完成实习报告、完成实习报告内容包括：目的、正射校正结果。内容包括：目的、正射校正结果。