ENVI 基本光譜分析

2021-01-20 測繪科學技術

版權聲明：本教程涉及到的數據僅供練習使用，禁止用於商業用途。
目錄
基本光譜分析
1. 概述
2. 詳細操作步驟
2.1 標準波譜庫與瀏覽
2.2 波譜庫創建
2.3 高光譜地物識別
2.3.1 從標準波譜庫選擇端元進行地物識別
2.3.2 自定義端元進行地物識別

1. 概述
光學遙感技術的發展經歷了：全色（黑白）—>彩色攝影—>多光譜掃描成像—>高光譜遙感四個歷程。
高光譜解析度遙感（HyperspectralRemote Sensing）用很窄（小於10nm）而連續的光譜通道對地物持續遙感成像的技術。在可見光到短波紅外波段其光譜解析度高達納米(nm)數量級，通常具有波段多的特點，光譜通道數多達數十甚至數百個以上，而且各光譜通道間往往是連續的，因此高光譜遙感又通常被稱為成像光譜（Imaging Spectrometry）遙感。相比多光譜傳感器，如Landsat8 OLI包括9個波段，光譜解析度為106nm。
如下圖為從多光譜和高光譜數據上獲取的波譜曲線，更高波譜解析度的圖像可以用於識別物質，而相比多光譜圖像，如TM只能用於區分物質。

圖：從多光譜和高光譜數據上獲取的波譜曲線對比

本課程學習ENVI的高光譜基本分析功能，包括波譜庫的瀏覽與創建、基本的高光譜物質識別流程。

2. 詳細操作步驟

2.1 標準波譜庫與瀏覽
ENVI自帶多種標準波譜庫，包括建立在JPL波譜庫基礎上的，從0.4~2.5μm三種不同粒徑160種"純"礦物的波譜。美國USGS從0.4~2.5μm包括近500種典型的礦物和一些植被波譜。來自Johns Hopkins University（JHU）的波譜包含0.4~14μm。IGCP246波譜庫有5部分組成，通過對26個優質樣品用5個不同的波譜儀測量獲得。植被波譜庫由Chris Elvidge 提供，範圍是0.4~2.5μm。ENVI 5.1波譜庫中新增了2443種Aster的波譜文件，同時對應的波譜工具也有了很大的該進，用戶可直觀地看到每一種波譜庫中的文件個數，以及更為方便的查看每一種波譜文件的波譜曲線。
ENVI的波譜庫文件存放在HOME\ Program Files\Exelis\ENVI51\classic\spec_lib。
啟動ENVI 5.1， 主菜單 > Display > Spectral Library View，在對話框中顯示的就是ENVI自帶的波譜庫文件；

圖：ENVI自帶波譜庫文件

（1）選擇打開Veg_lib（99）中的幾個植被波譜文件；
在vegetation波譜庫中選擇6種不同植被的波譜曲線，在下圖可以看到起對應的波譜曲線，以及波譜文件的屬性信息，包括常規信息和曲線信息。

圖：不同植被波譜曲線

（2）波譜曲線顯示窗口中的功能；
在波譜曲線窗口中可以看到4個部分的內容：

圖：導入數據方式

此功能可以導入兩種格式的文件，包括ASCII及波譜庫形式存在的文件。


圖：導出數據方式

導出波譜文件的格式可以分類4大類：

圖：選項功能

選項工具中有三個功能：


X軸代表：


Y軸代表：


圖：導出PNG格式的波譜曲線

（3）波譜曲線屬性顯示窗口


2.2 波譜庫創建
ENVI可以從波譜源中構建波譜庫，波譜來源包括：ASCII文件，由ASD波譜儀獲取的波譜文件，標準波譜庫，感興趣區/矢量區域平均波譜曲線，波譜剖面和曲線等。
下面介紹波譜庫建立的操作步驟：
第一步：輸入波長範圍
（1）在ENVI中，選擇Toolbox/Spectral/Spectral Libraries/Spectral Library Builder。打開Spectral Library Builder對話框。
（2）為波譜庫選擇波長範圍和FWHM值，有三個選項：

"Data File" (ENVI圖像文件) ：波長和FWHM值（若存在）從選擇文件的頭文件中讀取

"ASCII File"：波長值與FWHM值的列的文本文件

"First Input Spectrum"：以第一次輸入波譜曲線的波長信息為準


選擇"First Input Spectrum"，單擊ok，打開Spectral Library Builder面板。

圖：Spectral Library Builder對話框


第二步：波譜收集
在Spectral Library Builder面板中，可以從各種數據源中收集波譜，見下表。所有收集的波譜被自動重採樣到選擇的波長空間。
表2.1波譜收集方法說明

下面介紹從高光譜圖像數據中收集波譜。啟動ENVI，打開高光譜數據CupriteReflectance.dat。

（1）選擇Display>Profile>Spectral，在Spectral Profile對話框中，顯示當前滑鼠點的剖面曲線。找到要收集的像元，滑鼠選中，該像元的波譜曲線顯示
（2）回到Spectral Library Builder面板中，選擇Options>From Plot Windows，將所收集的波譜選中導入。
（3）導入的波譜顯示在列表中，在波譜名稱（Spectrum Name）欄位對應的記錄雙擊滑鼠以修改波譜名稱。同樣的方法可以修改顏色（Color）欄位的信息。


圖：Import from Plot Windows面板

這種方法是從圖像上獲取單個點的波譜曲線，也可以獲取某個區域的平均波譜曲線，如ROI文件或者矢量文件。

（1）在ENVI主菜單中，選擇File>Open，打開"ROI\CupriteMineralROIs.xml"感興趣樣本文件。
（2）回到Spectral Library Builder面板中，選擇Options>from ROI/EVF from input file，選擇高光譜文件CupriteReflectance.dat作為波譜來源。

圖：Spectral Library Builder面板

（3）選中某一類感興趣區，如方解石Calcite，點擊Plot，繪製該感興趣區的平均光譜曲線。

圖：方解石Calcite的平均光譜曲線


第三步：保存波譜庫
（1）Spectral Library Builder面板中，點擊Select All，將樣本全部選中；
（2）Spectral Library Builder面板中，選擇File>Save Spectra As>Spectral Library，打開Output Spectral Library面板；
（3）在Output Spectral Library面板中，可以輸入以下參數：

Z剖面範圍（Z Plot Range）:空白（Y軸的範圍，根據波譜值自動調節）

X軸標題（X Axis Title）：波長

Y軸標題（Y Axis Title）：反射率

反射率縮放係數（Reflectance Scale Factor）：空白

波長單位（Wavelength Units）：Nanometers

X值縮放係數（X Scale Factor）：1

Y值縮放係數（Y Scale Factor）：1


（4）選擇輸入路徑及文件名，單擊OK保存波譜庫文件。

圖：保存波譜庫參數設置面板


2.3 高光譜地物識別
高光譜圖像分類方法與傳統的多光譜分類有本質的區別，從高光譜圖像的每個像元均可以獲取一條連續的波譜曲線，就可以考慮用已知的波譜曲線和圖上每個像元獲取的波譜曲線進行對比，理想情況下兩條波譜曲線一樣，就能說明這個像元是哪種物質。我們把高光譜圖像分類、物質識別、探測等稱為波譜識別。
ENVI提供許多波譜分析方法，包括：二進位編碼、波譜角分類、線性波段預測（LS-Fit）、線性波譜分離、光譜信息散度、匹配濾波、混合調諧匹配濾波（MTMF）、包絡線去除、光譜特徵擬合、多範圍光譜特徵擬合等。
下面以一高光譜數據為例，學習用波譜角分析方法從高光譜圖像中識別物質的操作過程。

2.3.1 從標準波譜庫選擇端元進行地物識別
第一步：端元波譜收集
ENVI的端元波譜收集途徑非常多，包括ASCII文件、ASD測量文件、波譜庫、ROI/矢量文件、統計文件、剖面波譜圖、N維可視化分析器、二維散點圖、SMACC工具等。這裡我們選擇從波譜庫中收集端元波譜的方式。
（1）啟動ENVI，打開高光譜數據CupriteReflectance.dat
（2）單擊主菜單Display-> Spectral Library Viewer，打開usgs（1994）->minerals_asd_2151.sli，點擊Alunite、Calcite、Prehnite、Protlanndite，收集這些礦物的端元波譜並自動繪製在右側的窗口中，將這四條光譜曲線繪製在新的波譜顯示窗口，修改每條曲線為中文名；

圖：從波譜庫中收集端元波譜


第二步：物質識別
（1）在Toolbox中，打開/Classification/Endmember Collection工具，在文件對話框中選擇高光譜數據CupriteReflectance.dat；
（2）在Endmember Collection面板中，選擇Import >from Plot Windows。將4個端元波譜全部選中，點擊OK；
（3）選擇Algrithm >Spectral Angle Mapper 波譜角識別方法。
（4）單擊Select All，選中所有的端元波譜。

圖：選擇端元波譜和製圖方法

（5）單擊Apply，運行波譜角法製圖。
第三步：結果輸出
在Spectral Angle Mapper面板上，設置波譜角閾值：0.15，選擇結果輸出路徑和名稱。

圖：Spectral Angle Mapper製圖輸出面板

圖：礦物識別結果

2.3.2 自定義端元進行地物識別
這裡我們選擇從圖像上收集端元波譜的方式，包括收集單個像元波譜和區域的平均波譜。
第一步：構建端元波譜庫
（1）啟動ENVI，打開高光譜數據CupriteReflectance.dat；
（2）單擊主菜單Display> Profiles>Spectral，在圖像上定位到像素坐標為：（467,412）的像元，即在工具欄Go To輸入467,412回車，將該像元的光譜曲線顯示在窗口中

圖：（467,412）像元的波譜曲線

（3）在Toolbox中，打開/Classification/Endmember Collection工具，在文件對話框中選擇高光譜數據CupriteReflectance.dat；
（4）在Endmember Collection面板中，選擇Import –>from Plot Windows。將顯示的端元波譜選中，點擊OK；
單個像素的波譜曲線收集好了，下面是收集一個區域的平均波譜。
（5）在圖層管理器中CupriteReflectance.dat上點擊右鍵New Region Of Interest，找到一片需要識別的區域，繪製一個多邊形區域；
註：可直接打開ROI\端元ROI.xml
（6）回到Endmember Collection面板，選擇Import –>from ROI from input file，將繪製的ROI都選中，點擊OK；
（7）在Endmember Collection面板，選擇Select All，單擊Plot將幾條波譜曲線顯示出來。
註：以防萬一，點擊File->Save Spectra as->Spectral Library File，將獲取的端元波譜保存為端元波譜文件。

圖：保存端元波譜


第二步：確定端元波譜類型
（1）在Toolbox中，選擇/Spectral/Spectral Analyst，選擇在對話框的右下角選擇Open>Spectral Library，選擇...\Program Files\Exelis\ENVI51\classic\spec_lib\usgs_min \usgs_min.sli作為對比波譜庫，在識別方法權重上按照默認，點擊OK；
（2）在Spectral Analyst面板上，選擇Options->Edit(x,y) Scale Factors，設置X Data Multipliter為0.001，設置Y Data Multipliter為0.0001，點擊OK；
註：標準波譜庫的波長是微米，y軸的值為0-1反射率。

圖：設置待識別波譜與標準波譜庫的單位比例關係

（3）在Spectral Analyst面板上，單擊Apply按鈕，選擇之前步驟中得到的第一個波譜進行分析，點擊OK，記下分值最高對應的地物；

圖：選擇一個波譜進行分析

圖：波譜曲線分析結果

（4）回到Endmember Collection面板，將波譜分析得到的地物名在Name中輸入；
（5）重複（3）--（4）兩步，識別剩下的波譜，最後結果如下圖所示：

圖：波譜識別結果


第三步：物質識別
（1）在Endmember Collection面板中，選擇Algrithm >Spectral Angle Mapper 波譜角識別方法；
（2）選擇Select All將所有端元波譜全部選中，點擊OK；
（3）單擊Apply，運行波譜角法製圖。
（4）在Spectral Angle Mapper面板上，設置波譜角閾值：0.02，選擇結果輸出路徑和名稱。

圖：Spectral Angle Mapper製圖輸出面板

圖：礦物識別結果

數據下載：https://pan.baidu.com/s/1bnD48yF
視頻下載：https://pan.baidu.com/s/1rlYSA

原文連結：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v2dd.html

聲明：本文僅限行業學習交流之用，版權、著作權歸原載平臺及作者所有。我們尊重作者的成果，如涉嫌侵權，請聯繫我們及時刪除。

你若喜歡，請轉發點讚點廣告點在看 

相關焦點

  • 光譜分析(3)基本理論
    （3）基本理論>今天分別簡單介紹幾種光分析方法基本原理。首先看一下三種光分析測量示意圖1.原子發射光譜分析法以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，使氣態原子的外層電子受激發射出特徵光譜進行定量分析的方法。紫外吸收光譜分析法利用溶液中分子吸收紫外和可見光產生躍遷所記錄的吸收光譜圖，可進行化合物結構分析，根據最大吸收波長強度變化可進行定量分析。
  • 光譜分析(1)基本理論
    請點擊上方藍色字體關注化學先生光譜分析（1）基本理論今天開始我們講一些光譜分析的基本理論知識。光分析法：基於電磁輻射能量與待測物質相互作用後所產生的輻射信號與物質組成及結構關系所建立起來的分析方法。 基本特點：（1）所有光分析法均包含三個基本過程；（2）選擇性測量，不涉及混合物分離（不同於色譜分析）；（3）涉及大量光學元器件。
  • 拉曼光譜基本原理
    拉曼光譜的概念：　　光照射到物質上發生彈性散射和非彈性散射.彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分，成為瑞利散射；非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分,稱為拉曼散射（斯託克斯及反斯託克斯拉曼散射）。
  • 光譜分析及光譜分析儀器的原理與分類
    光譜分析是根據物質的光譜來鑑別物質及確定它的化學組成和相對含量的方法。光譜分析的優點是靈敏，迅速．歷史上曾通過光譜分析發現了許多新化學元素，如銣，銫，氦等。　　眾所周知，光譜分析是基於物質中的原子和分子處於不停的運動狀態，這種物質內部運動，在外部可以以能量輻射和吸收的形式反映出來，這種形式就是電磁輻射。
  • 分光譜分析及光譜分析儀器的原理與分類
    摘要：眾所周知，光譜分析是基於物質中的原子和分子處於不停的運動狀態，這種物質內部運動，在外部可以以能量輻射和吸收的形式反映出來，這種形式就是電磁輻射。而光譜就是按著波長順序排列的電磁輻射。由於原子和分子的運動是多種多樣的，因此光譜及光譜分析儀器的種類也是多種多樣的。
  • 光譜分析
    光學成像可以看到物質世界的形狀、尺寸等外在信息；地球上所知的元素及其它們的化合物都有自己的特徵光譜線，光譜分析可以獲得物質成分信息，幫助我們看清事物的本質。   每種原子都有自己的特徵譜線，可以根據光譜來鑑別物質和確定它的化學組成，這種方法叫做光譜分析。光譜分析非常靈敏而且迅速，可以利用發射光譜，它模擬的自然光光譜圖案可以利用吸收光譜。
  • 原子吸收光譜分析的基本原理
  • 【乾貨】定量/高光譜遙感之—光譜分析技術
    在定量遙感或者高光譜遙感中，信息提取主要用到光譜/波譜分析技術。
  • 原子吸收光譜分析基本原理-共振激發 EWG1990儀器學習網
    無論在發射光譜還是在吸收光譜中共振線通常是最強的。鹼金屬原子主線系的第一個雙線（D線）就是共振線（見原子光譜、鹼金屬原子光譜）。但也可把所有能激發共振螢光的譜線都稱為共振線，把其中波長最長的一個稱做第一共振線。共振線多指第一共振線。原子由激發態直接躍遷到基態所發射的譜線。由最低激發態躍遷到基態所發射的譜線，稱為第一共振線。
  • 2020光譜分析儀器發展展望
    在現代天文學、物理學、化學、生物學、醫學、地理學、環境科學等等基礎學科領域，光譜儀器是最基本、應用最廣泛的儀器;在人類物質生產領域，地質、冶金、化工、醫藥、材料等工業部門和農、林、牧、漁業中，光譜儀器和光譜分析已成為不可缺少的檢測分析手段，光譜儀器的高靈敏度是建空原子能、半導體和微電子事業、保證超高純材料質量的物質基礎；在醫療診斷、病理分析、病情監護、心藥物研製和療演分析、「三廢"檢測、環境汙染監控
  • 聚焦光譜分析技術前沿「超快光譜」——光譜分析前沿技術論壇(北京...
    儀器信息網訊 2017年5月25日，「光譜分析前沿技術論壇(北京)」在文津國際酒店召開。此次技術論壇由三寶興業科學部主辦，相關領域的科研工作者聆聽了報告。「光譜分析前沿技術論壇
  • 分享光譜分析小史
    根據物質的光譜來鑑別物質及確定它的化學組成和相對含量的方法叫光譜分析。其優點是靈敏，迅速。歷史上曾通過光譜分析發現了許多新元素，如銣，銫，氦等。根據分析原理光譜分析可分為發射光譜分析與吸收光譜分析二種。根據被測成分的形態可分為原子光譜分析與分子光譜分析。
  • 【名師講堂】——原子發射光譜分析
    但躍遷要遵循「光譜選律」，不是任何能級之間都 能發生躍遷；3.不同元素的原子具有不同的能級構成，△E不一樣，各種元素都有其特徵的光譜線，從識別各元素的特徵光譜線可以鑑定樣品中元素的存在，這就是光譜定性分析；4.元素特徵譜線的強度與樣品中該元素的含量有確定的關係，所以可通過測定譜線的強度確定元素在樣品中的含量，這就是光譜定量分析。
  • 紅外光譜的基本理論
    紅外光譜基本理論　　當一束紅外光照射在礦物上時，礦物就要吸收一部分能量，同時將吸收的能量轉變為分子振動能和分子轉動能。　　分子振動光譜：分子振動能級比分子轉動能級大，當分子振動能級躍遷時伴隨有分子轉動能級躍遷。　　分子轉動光譜：出現在遠紅外區，它能給出分子的轉動慣量、核間距離、分子的對稱性。
  • 基於光譜分析的紫外水質檢測技術
    在水質監測中，基於紫外光譜分析的水質監測技術是現代環境監測工作中的一個重要的發展方向，基於紫外光譜分析的水質監測技術具有實時檢測、針對性強、準確性高、成本低等顯著優勢。本文主要結合筆者多年工作經驗，闡述了基於紫外光譜分析的水質監測技術。
  • 近紅外與中紅外光譜分析的區別
    到60年代中後期，隨著各種新的分析技術的出現，加之經典近紅外光譜分析技術暴露出的靈敏度低、抗幹擾性差的弱點，使人們淡漠了該技術在分析測試中的應用，從此，近紅外光譜進入了一個沉默的時期。　　我國對近紅外光譜技術的研究及應用起步較晚，除一些專業分析工作人員以外，近紅外光譜分析技術還鮮為人知。但1995年以來已受到了多方面的關注，並在儀器的研製、軟體開發、基礎研究和應用等方面取得了較為可喜的成果。但是目前國內能夠提供整套近紅外光譜分析技術（近紅外光譜分析儀器、化學計量學軟體、應用模型）的公司仍是寥寥無幾。
  • 光譜分析到底是怎麼一回事呢?
    光譜分析到底是怎麼一回事呢？本生與基爾霍夫共同開闢了光譜分析領域。那麼，光譜分析到底是怎麼一回事呢？ 在陽光照射下，肥皂泡上會出現斑斕的顏色。為什麼光有這麼多不同的顏色呢？為了研究這個問題，1666年牛頓讓太陽光通過三稜鏡，發現太陽光被分解為七色光帶。牛頓稱之為光譜。
  • 光譜分析檢測技術應用廣泛,前景廣闊
    可以根據光譜來鑑別物質和確定它的化學組成，這種方法叫做光譜分析。由於光譜檢測可以在不破壞樣品的前提下檢測出待測物的物質成分，因此光譜儀一直是許多物質分析實驗室必備的基本儀器之一。作為通用分析儀器大家族中不可或缺也是應用最為廣泛的光譜類儀器，在生物、化學、色度計量、環境檢測、成分檢測、醫學、化工等等領域運用十分常見。
  • 近紅外光譜分析發展歷程
    早在二十世紀二三十年代，紅外光譜技術作為一種有效的分析手段就得到了認可。發展至今，近紅外光譜技術因其在分析樣品時具有方便、準確和成本較低，環保等優點，受到了越來越多人的青睞。潛心發展 近紅外光譜技術日臻成熟近紅外光譜技術在發展初期並不受重視，原因是其獲得的數據可利用性低。
  • 近紅外光譜分析數據和模型(一)
    加上一些得天獨厚的優勢，近幾十年來近紅外光譜技術得到了非常迅速的發展，而且其發展前景也是非常美好。在業界，近紅外光譜離不開化學計量學（多元校正是化學計量學中最重要的內容之一）已經成為近紅外光譜人的普遍共識。與其他光譜分析技術相比，近紅外光譜具有一些獨特的優點：1）分析效率高。近紅外光譜檢測技術操作簡單、使用方便、採譜快速。