《遥感原理与应用》ENVI实习报告 - 图文

《遥感原理与应用》

实习报告

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中国矿业大学环境与测绘学院遥感实习

2010年12月26日

遥感原理与应用

目录

1、 实验一 高光谱数据分析………………………………………..2 2、 实验二 影像镶嵌……...……………………………………….15 3、 实验三 影像配准………………………………………………26 4、 实验四 非监督分类……………………………………………38 5、 实验五 监督分类………………………………………………41 6、 实习总结………………………………………………………..49

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遥感原理与应用

实验一 高光谱数据分析

一、 实验目的

本专题旨在向用户介绍波谱库的概念，并描述如何从感兴趣区中提取波谱信息，然后还将进行彩色合成，并使用二维散点图进行简单的分类。让学生学会如何使用 ENVI 先进的高光谱工具对多光谱数据进行分析。更好地理解高光谱处理的概念及其工具。本专题将从特定矿物质的感兴趣区中提取其波谱曲线，并与波谱库中的波谱曲线进行比较，找出显示波谱信息的最佳 RGB 彩色组合。使用二维散点图定位独特的像元，探究其数据的分布特点，然后进行简单的分类。

二、 实验数据介绍

文件 描述 zhumuqian95_at.int Cuprite地区ATREM校正后的反射率数据，50个波段（整型） zhumuqian95_at.hdr ENVI相应的头文件 Jpl1.sli ENVI格式的JPL波谱库 Jpl1.hdr ENVI相应的头文件 zhumuqian_min.sli ENVI格式的USGS波谱库 zhumuqian_min.hdr ENVI相应的头文件 zhumuqian95_av.roi 保存的感兴趣区文件 数据：1995 年的航空可见光/红外成像光谱仪（Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer，简称为 AVIRIS）所采集的表观反射率数据，该数据是美国内华达州（Nevada）Cuprite 地区的表观反射率数据，它使用 ATREM 大气纠正建模软件进行了校正。这个数据子集共包含 50 个波段，波谱分辨率近似为 10nm 宽，其波长范围为1.99~2.48μm。

三、实验内容

本部分将介绍以下内容：波谱库操作、浏览和提取影像反射率波谱、ENVI 中感兴趣区（ROI）的定义及进行彩色合成影像的选取，其目的是为了鉴别波谱类型。

1加载 AVIRIS影像数据并显示灰阶影像

在 ENVI 主菜单中，选择 File → Open Image File，然后选择进入envi47/data目录。 选择zhumuqian 95_at.int 文件作为输入文件名，点击 Open 弹出可用波段列表，它将列出 50 个波段的名字。 在可用波段列表对话框中，选择 Band 193（2.2008um），点击 Gray Scale 单选按钮，然后点击 Load Band。将灰度影像加载到显示窗口中。

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从主影像窗口菜单中选择 Tools> Profiles>Z Profile (Spectrum)，提取表观反射率波谱曲线。

2 浏览影像波谱并同波谱库进行比较

在影像上移动缩放指示矩形框，同时查看#1 Spectral Profile窗口中的波谱曲线，浏览整个影像的表观反射率波谱曲线。 在主影像窗口中，使用鼠标左键点击并拖动缩放指示矩形框或者直接点击鼠标左键，将缩放指示矩形框移动到以所选像素点为中心的区域中。将从影像中获取的表观反射率波谱曲线同所选波谱库中的波谱曲线进行比较。ENVI 提供了几个不同的波谱库，根据本专题的目的，我们将会使用 JPL 波谱库（Groves 等，1992）以及 USGS 波谱库（Clarke 等，1993） 。

从 ENVI 主菜单中选择 Spectral>Spectral Libraries>Spectral Library Viewer。 在 Spectral Library Input File 对话框中，点击 Open File 按钮，从 spec_lib/jpl_lib 子目录中，选择jpl1.sli 波谱库文件，点击 OK。 选择 Select Input File区域中的 jpl1.sli，点击 OK。

在 Spectral Library Viewer对话框中，选择 Options → Edit (x, y) Scale Factors，并在 Y Data Multiplier 文本框中，输入值 1.000，以匹配影像表观反射率范围（1-1000） ，点击 OK。

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在 Spectral Library Viewer对话框中，选择下列波谱名称，绘制它们的波谱曲线：

ALUNITE SO-4A

BUDDINGTONITE FELDS TS-11A CALCITE C-3D

KAOLINITE WELL ORDERED PS-1A 得到如下波谱曲线绘制图：

从绘制（plot）窗口菜单中，选择 Edit> Plot Parameters，自定义波谱曲线的绘制图。在 Plot Parameters对话框中，按下面的步骤进行：

将 Charsize 减少为 0.50。 选择X-Axis单选按钮，然后将 Range 调整为 1.90 到 2.45。 还是选中X-Axis 单选按钮，点击 Left/Right Margins的箭头增量按钮，直到达到所需 X方向的页边距。 选择 Y-Axis 单选按钮，将 Axis Title改为“Reflectance” 。还是选中 Y-Axis 单选按钮，点击 Top/Bottom Margins 的箭头增量按钮，直到所需的 Y 方向的页边距。点击 Apply，然后再点击 Cancel。

要显示波谱名称的图例，可以在绘制窗口中点击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择 Plot Key。将绘制窗口拖动到所需的大小，以容纳下波谱名称。在绘制窗口中，选择 Options>Stack Plots，分别查看绘制的波谱曲线。绘制的

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波谱曲线如下图所示：

在#1 Spectral Profile绘图窗口中点击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择 Plot Key，这将显示出波谱曲线的图例，该图例指出了所选像素的 X和 Y的像素坐标。

在#1 Spectral Profile 绘图窗口中， 选择 Options>New Window: Blank， 打开一个新的绘图窗口。然后重新放置#1 Spectral Profile 绘图窗口和新绘图窗口的位置，使能够同时看到这两个绘图窗口。

从主影像窗口菜单中，选择 Tools>Pixel Locator。使用 Pixel Locator对话框，定位到下列各点 精确的像素位置上： 位置点名称 列（带偏移） 行（带偏移） Stonewall Playa 590 570 Varnished Tuff 435 555 Silica Cap 494 514 Opalite Zone with Alunite 531 541 Strongly Argillized Zone with Kaolinite 502 589 Buddingtonite Zone 448 505 Calcite 260 613 在 Pixel Locator对话框中，输入像素的坐标，列（sample）590、行（line）570，使缩放指示矩形框移动到以这个像素为中心的影像地区，即 Stonewall Playa地区，然后点击 Apply，将矩形框移动到这个位置上。同时#1 Spectral Profile绘图窗口将更新显示所选点的波谱曲线，其所对应的图例 为： “X：590 Y：570” 。

在新的绘图窗口中，点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中，选择 Plot Key，打开显示了 X和 Y坐标位置的图例。在#1 Spectral Profile绘图窗口中，使用鼠标左键，点击并按住图例“X：590 Y：570” ，将这个波谱曲线图例拖到新的绘图窗口中。

对上表所列的每一个像素点重复上面的步骤，直到新的绘图窗口包含了所有的 7种波谱曲线。 在新的绘图窗口中，选择 Options>Stack Plots。新的绘图窗口如下图所示：

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将这些波谱曲线同已经提取的波谱库中的波谱曲线进行目视比较。注意到，实验室所测的波谱曲线同某些影像表观反射率波谱曲线之间存在着相似的形状及吸收特性。 基于这些相似的特性，我们可以得到这样的结论：与 alunite、buddingtonite、calcite和 kaolinite实验室

所测波谱曲线相似的影像波谱曲线是由上面相应的矿物质所构成的。

从波谱库波谱曲线的绘图窗口中，将波谱曲线拖动到#1 Spectral Profile绘图窗口中，进行直接比较。 3 鉴别波谱曲线

使用 Spectral AnalystTM来鉴别波谱曲线：ENVI 提供了一个波谱匹配工具，它根据波谱库中的波谱曲线对影像中的波谱曲线进行评分。波谱分析使用多种方法产生一个在 0 到 1 之间的分数值，其中分数值 1相当于完全匹配。

从 ENVI 主菜单中，选择 Spectral → Spectral Analyst。点击 Spectral Analyst Input Spectral Library 对话框底部的 Open Spec Lib按钮。 选择进入 usgs_min 波谱库目录，选择usgs_min.sli 波谱库文件，点击 Open。usgs_min.sli 文件出现在 Spectral Analyst Input Spectral Library 对话框中，选中该文件，点击 OK。在 Edit Identify Methods Weighting 对话框中，点击 OK。

从主影像窗口菜单中，选择 Tools>Profiles>Z Profile (Spectrum)。然后在#1 Spectral Profile绘图窗口中，点击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中，选择 Plot Key，显示波谱曲线名称的图例。从主影像窗口菜单中，选择 Tools → Pixel Locator。在 Pixel Locator对话框中，输入像素点的坐标列 502，行589，点击 Apply。

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在 Spectral Analyst 对话框中，选择 Options → Edit Method Weights。在 Edit Identify Methods Weighting 对话框中，为每一个 Weight

文本框输入值 0.33，然后点击OK。

在 Spectral Analyst对话框中，点击 Apply。如果在#1 Spectral Profile绘图窗口中显示了多条波谱曲线，那么将会出现一个波谱曲线列表。如果出现了该波谱曲线列表，那么就选择像素（列 502，行 589）所对应的那条波谱曲线。Spectral Analyst对话框将如下图所示：

Spectral Analyst对话框，显示出了矿物质 kaolinite 的波谱曲线与像素（列 502，行 589）的波谱曲线最匹配(左图)

Spectral Analyst 将根据波谱库中的波谱曲线对未知地物的波谱曲线进行评分。上图显示了对像素（列 502，行589）的波谱曲线进行鉴别的结果。注意到列表的第

一行显示 kaolinite的波谱曲线评分最高。这个相对较高的分数值表明了该像素对应的地物与 kaolinite 最相似。

用鼠标双击列表中的第一条波谱曲线。在同一绘图窗口中，绘制出未知地物的波谱曲线以及波谱库中的波谱曲线，以进行比较。该绘制图如下图所示：

未知地物与波谱库中最匹配的 kaolinite 的波谱曲线的比较图，表明两者高度匹配

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使用波谱分析（Spectral Analyst） ，比较波谱曲线图，对刚才提取的影像波谱曲线进行鉴别，查看其为哪一种矿物质。当已经鉴别了几种矿物质后，就可以进入下一部分了。也可以选择将USGS波谱库中的波谱曲线同影像波谱曲线以及JPL波谱库中的波谱曲线进行比较。USGS 波谱库所对应的波谱数据文件为usgs_min.sli。 5定义感兴趣区

感兴趣区（ROIs）用来提取像素集合的统计信息及其平均波谱曲线。可以在任何显示的影像上定义足够多的感兴趣区。从主影像窗口菜单中，选择 Overlay>Region of Interest，打开ROI Tool 对话框。 5．1创建新的感兴趣区：

在影像中，点击鼠标左键。在多边形顶点处，点击鼠标左键，绘制感兴趣区，或者点击并按住鼠标左键，移动鼠标，连续绘制感兴趣区。点击鼠标右键，封闭该多边形，完成感兴趣区的定义。

再次点击鼠标右键锁定感兴趣区的位置。 点击 Stats 按钮，计算感兴趣区的统计信息，绘制均值波谱曲线（白色） ，均值波谱上下各有一条的标准差曲线（绿色） ，以及最小和最大值的包络波谱曲线（红色） ，其包含了感兴趣区所有的波谱。

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在 File Statistics Report对话框中，选择 File>Cancel。然后在 Avg Spectrum绘图窗口中，也选择 File>Cancel。

点击 ROI Tool 对话框中的 Delete 按钮，删除所选的感兴趣区。 5、2加载预先保存的感兴趣区文件：

（无感兴趣区文件，用自己定义的感兴趣区进行实验）

为已知特定矿物质预先定义的感兴趣区就会列在 ENVI 的 message对话框中，然后还将加载到 ROI Tool 对话框，如下图所示：

ROI Tool 对话框，展示了恢复出的感兴趣区（左图）选择 ROI Tool 对话框顶部的 Off单选按钮，允许在主影像显示窗口中选取像素的位置。

从主影像窗口中，选Tools>Profiles>Z-Profile (Spectrum)，打开 Z 剖面廓线窗口（Z-Profile） 。

使用鼠标右键点击感兴趣区中的某个像素，将当前像素的位置或者光标的位置移动到每一个感兴趣区上。点击感兴趣区中的不同像素，移动光标的位置，在 Spectral Profile 窗口中，显示新的波谱剖面廓线。

注意：对于每个新的感兴趣区，y 轴的绘制范围都会自动地调整大小，以保证与波谱剖面廓线相匹配。通过以上操作可以查看每个感兴趣区中波谱曲线的差异。

5、3从感兴趣区中提取均值波谱曲线：

在 ROI Tool 对话框中，选择某个感兴趣区，点击 Stats 按钮，提取所需的统计信息，并且绘制所选感兴趣区的波谱曲线。将感兴趣区的均值波谱同相应的标准差波谱（绿色，在均值波谱的上面或者下面各有一条）以及包络波谱（红色，也在均值波谱的上面或者下面各有一条）进行比较，查看感兴趣区波谱的变化。对每个感兴趣区重复上面的步骤。

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如果想要从 zhumuqian1.sli 波谱库中加载相应的波谱曲线到绘图窗口，进行直接地比较或者鉴别，那么在加载波谱库的波谱数据时不要忘记将 Y的缩放系数改为 1000。

完成这些操作后，关闭所有的 File Statistics Report对话框以及所有的绘图窗口。在 ROT Tool对话框中，选择 Options>Mean for All Regions，在同一个绘图窗口中，绘制每个 感兴趣区的均值波谱曲线。

5、4鉴别矿物质设计选择合适的彩色合成来鉴别矿物质：

在可用波段列表对话框中，选择 RGB 单选按钮，并顺次点击 Band 183、Band 193和 Band 207。点击 Load RGB，将彩色合成影像加载到当前影像显示窗口中。

在主影像窗口中，点击Tools>Profiles>Z-Profile

(Spectrum)。 注意到0 在Z剖面廓线 （Z-Profile）窗口中，被用来合成彩色影像的三波段的位置上，分别用红、绿、蓝三条垂直线标出。

在 ROI Tool对话框中，选择 Off单选按钮，使用 Z 剖面廓线窗口，在主影像窗口中的感兴趣区上或其附近浏览相应的波谱曲线。

通过使用鼠标左键，点击并拖动波谱剖面廓线窗口中的颜色条（plot bars） ，将其拖动到所需

的波段位置上。

注意：突出影像上特定地物的一种方法是将某个彩色条放置在某个特征吸收中心，而把另两个彩色条放置在相对的波谱峰值上。

在 Z 剖面廓线（Z Profile）窗口内，双击鼠标左键，将新选择的波段加载到显示窗口中。查看了几个地物点后，就会明白彩色合成后的颜色是如何同波谱特征相一致的。例如，alunitic 区域在RGB 彩色合成影像上将显示出红

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紫色（magenta） ，这是因为绿色对应的波段位于 alunitic 的吸收带，这将产生较低的绿波段值，而红色和蓝色对应的波段反射率几乎相等。红色和蓝色混合的结果就导致了含有aluite 的像素颜色为红紫色。 6 二维散点图

6、1查看二维散点图：

在主影像窗口中，选择 Tools → 2-D Scatter Plots，打开二维的 scatter plot对话框，绘制表观反射率影像的散点图。

在 Choose Band X 列表中，选择波段 193（band 193） ，在 Choose Band Y 列表中，选择波段 207。

3. 点击 OK。左图的散点图就显示了 X、Y表观反射率值的关系 波段 193 和波段 207的散点图（ATREM 表观反射率影像）（左图）

6、2散点图的密度分割：

从散点图窗口菜单中，选择 Options → Density On，自动对散点图进行密度分割处理。散点的颜色表明了用来绘制散点图的两个波段特定表观反射率组合出现的频率。紫色（Purple）代表了出现的频率最低。随着颜色从蓝色、绿色、黄色，变化到红色，频率也依次变大。红色代表了出现的频率最高。从散点图菜单中，选择 Options>Density Off，关闭密度分割功能。

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6、3散点图中的跳跃像素（SCATTER PLOT DANCING PIXELS）：

从主影像窗口中点击鼠标左键并拖动鼠标，触发散点图中的“跳跃像素” （Dancing Pixels） 。散点图中的红色点就对应于主影像窗口光标周围 10×10 区域内的像素点。预测一下某些影像颜色在散点图中的位置，然后进行核实。注意散点图中红色跳跃像素构成的子散点图的形状。

选择 Options>Set Patch Size，改变散点图中红色矩形光标的大小，并观察改变后的差异。

6、4影像中的跳跃像素（IMAGE DANCING PIXELS）：

在散点图上点击鼠标中键并拖动鼠标，触发主影像窗口中的“跳跃像素” （Dancing Pixels） 。影像中的红色像素点就对应于散点窗口光标周围 10×10 区域内的散点。注意所选像素的空间分布及其空间一致性。

选择 Options>Set Patch Size，改变散点图中矩形光标的大小，并观察改变后的差异。

6、5将散点图连接到波谱剖面廓线（SCATTER PLOTS LINKED TO A SPECTRAL PROFILE）：

从散点图窗口菜单中，选择 Options>Z Profile，选择一个输入文件用于提取波谱剖面廓线，然后点击 OK。打开一个连接到该散点图的空白的波谱剖面廓线绘制窗口。将鼠标光标放置到二维散点图中，点击鼠标右键，提取具有该散点位置特性的相应空间像素点的波谱曲线。比较散点图上的其它点，观察散点图上相对中心位置的点，记录这些点所属的类别。

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6、6散点图中的感兴趣区（SCATTER PLOT ROIS）：

散点工具也可以用来作为一个快速的分类器。在散点图中点击鼠标左键，选择感兴趣区（ROI）的第一个顶点。使用鼠标左键，选择所需的线段顶点，在散点图中，绘制感兴趣区多边形。点击鼠标右键封闭该多边形。与该多边形包含的散点相对应的影像像素，在主影像窗口中会以彩色编码后的颜色（如红色）显示出来。

从散点图窗口的 Class 下拉式菜单中，选择其它的颜色。绘制其它的感兴趣区多边形，影像中对应的像素就会以所选颜色高亮突出显示出来。要移除某个类，可以选择 Options>Clear Class。此外，通过在绘图坐标轴以外（下面）点击鼠标中键，也可以移除当前所选的类（Class）。使用二维散点图工具，由散点图中的类追溯到影像上，查看某些对应像素出现在影像上的位置。

在散点图窗口菜单栏中，选择 Options> Export Class or Export All，将类（Classes）转换成感兴趣区，然后再作为训练样区，使用所有的影像波段，参与影像分类。以这种方式导入的感兴趣区将会列出在 ROI Tool 对话框中，它对后续的监督分类都有效。

从 ENVI 主菜单中，选择Classification>Create Class Image from ROIs，也可以将感兴趣区转换为分类影像。

在散点图窗口中，选择Options>Clear All，移除散点图中所选的类以及影像中相对应的像素点的颜色。

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6、7影像中的感兴趣区（IMAGE ROIS）：

散点图工具也可以从影像上获取感

兴趣区，以作为简单的分类器。在散点图窗口菜单中，选择 Options>Image ROI。使用鼠标左键来绘制线条，在主影像窗口中绘制出感兴趣区多边形。使用鼠标右键封闭多边形或者锁定多边形的位置。然后影像感兴趣区多边形内的像素点就会映射到散点图中相对应的位置上，并用当前所选颜色高亮显示出来。相应地，影像中所有与散点图高亮显示点相匹配的像素点，也将反向映射到主影像窗口中，即用相同的颜色高亮显示出来，这就仿佛是绘制了散点图感兴趣区。这是一个用来形成两波段的分类最简单的方法，此外它也是一个强大的工具。绘制一些影像感兴趣区，注意影像颜色与散点图特性之间的一致性。 6、8散点图和波谱混合（SCATTER PLOTS AND SPECTRAL MIXING）：

在散点图窗口菜单中，选择 Options>Change Bands，修改散点图绘制中所需的两个波段组合。尝试选择至少一对临近的波段组合以及其它相距较远的波谱波段组合。 Band X: Band 176 Band Y: Band 215 如下图

四、实验体会

本次实验的主要目的在于使用 ENVI 先进的高光谱工具对多光谱数据进行分析。更好地理解高光谱处理的概念及其工具。本专题将从特定矿物质的感兴趣区中提取其波谱曲线，并与波谱库中的波谱曲线进行比较，找出显示波谱信息的最佳 RGB 彩色组合。最终通过自己的操作也达到了以上目的。实验过程中出现了对理论知识理解不透彻而不知所以的现象，通过阅读相关课件慢慢熟悉，顺利完成本次实验。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vnpt.html