专题二十四使用ENVI的高光谱工具处理多光谱数据(节选)-Read

1.1. 专题概述

本专题的目的是向用户展示如何使用ENVI先进的高光谱工具对多光谱数据进行分析。要更好地理解高光谱处理的概念及其工具，请参见ENVI高光谱辅导指南。要获取额外的详细信息，请参见《ENVI遥感影像处理实用手册》（ENVI User’s Guide）或者ENVI的在线帮助。

♦ 本专题中使用的文件

光盘：《ENVI遥感影像处理专题与实践》附带光盘 #1

♦ 背景知识

ENVI并非仅设计成高光谱影像处理系统。在1992年，ENVI的开发者就决定开发出一个通用的影像处理软件，它包含一整套的基本处理工具，弥补了商业软件缺乏强大灵活处理功能的不足，使得它能够处理各种科学格式的影像数据。它对全色、多光谱、高光谱以及基本和改进雷达影像数据都提供了支持。当前，ENVI包含了与其它主要影像处理系统（例如：ERDAS，ERMapper和PCI）相同的基本处理功能。其中，ENVI在前沿遥感研究中采用了许多不同的先进算法。虽然这些算法都是在处理成像光谱仪数据或者多达上百个波谱波段的高光谱数据基础之上发展而来，但是它们也可以应用到多光谱数据和其它标准数据类型的处理上。本专题将对某些分析Landsat Thematic Mapper（TM）数据的方法进行介绍。

本专题分为两个独立的部分：1）使用标准或者经典多光谱分析技术，对TM影像数据进行典型的多光谱分析，2）使用ENVI高光谱工具对相同的数据集进行分析。

1.2. 使用ENVI的高光谱工具分析多光谱数据

♦ 读取TM影像数据

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要从磁带中读取数据，可以在ENVI主菜单中选择File → Tape Utilities → Read Known Tape Formats → Landsat TM（或者对于新的EDC-格式的磁带选择NLAPS）。

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要从光盘中读取数据，可以选择File → Open External File → Landsat → Fast，或者选择File → Open External File → Landsat → NLAPS（对于NLAPS数据）。

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考虑到本专题的目的，这些数据已经从磁带中读出并存入到数据子集中，以提供相应的文件进行分析。使用Basic Tools → Preprocessing → Data Specific Utilities → Landsat TM → Landsat TM Calibration，启动ENVI的TM校正工具，该TM影像已经被纠正为反射率影像。（若需更多的信息，请参见《ENVI遥感影像处理实用手册》）。

♦ 显示一幅彩色合成影像并提取波谱曲线

图23-6：Landsat TM的反射率波谱曲线

♦ 进行最小噪声分离变换

最小噪声分离（Minimum Noise Fraction，MNF）变换是同主分量变换相似的一种方法，它被用来分离数据中的噪声，确定数据内在的维数，减少随后处理的计算量（Green 等人，1988；Boardman和Kruse，1994）。

图23-7：MNF变换结果图

请参见高光谱专题辅导，以获取额外的背景知识和使用的例子。

1. 从ENVI主菜单栏中，选择Window → Start New Plot Window，检查预先计算生成的MNF特征

值绘制图bhtm_mnf.asc。

2. 在绘图窗口菜单栏中，选择File → Input Data → ASCII，加载bhtm_mnf.asc ASCII码文件。 3. 接着Input ASCII File对话框就会出现在屏幕上。点击OK，将输入文件数据绘制成图。

图23-8：MNF特征值绘制图

4. 在可用波段列表对话框中，选择File → Open Image File，加载并检查MNF影像文件

bhtm_mnf.img。务必要查看MNF波段序号低和高的影像。

5. 然后，在可用波段列表对话框中，打开另一个新的显示窗口，加载MNF波段6。查看这两个不同

MNF波段的影像，注意空间一致性随着MNF波段号的增加而减小。

♦ 进行PPI处理查找端元

纯净像素指数（Pixel Purity IndexTM，PPITM）方法能够在多光谱和高光谱影像数据中查找波谱最纯净的像元（Boardman和Kruse1994）。这些与物质对应的波谱可以线性组合出影像中的所有波谱。请参见高光谱专题辅导，获取额外的PPI背景知识和使用的例子。

1. 要进行PPI分析，可以在ENVI主菜单中，选择Spectral → Pixel Purity Index → [FAST] New

Output Band。

图23-9：PPI影像

2. 在可用波段列表对话框中，选择File → Open Image File。在Enter Data Filenames对话框中，选

择预先计算生成的PPI影像bhtm_ppi.img。

3. 从主影像窗口菜单中，选择Tools → Region of Interest → ROI Tool，将ROI文件

bhtm_ppi.roi加载到ROI Tool对话框中。或者，在主影像窗口中显示PPI影像，然后选择Tools → Region of Interest → Band Threshold to ROI，通过影像的阈值提取感兴趣区。 选择PPI影像为输入文件，然后输入最小阈值为5，点击OK。 接着所选择的像素将会被输入到ENVI的ROI Tools对话框中。

♦ N维可散度分析和端元提取

请参见高光谱主题辅导和《ENVI遥感影像处理实用手册》（ENVI User’s Guide）以及在线帮助，来获取额外的背景知识和使用的例子。

1. 在ENVI主菜单中，选择Spectral → n-Dimensional Visualizer → VisualizeWith Previously Saved

Data。在Enter n-D State Filename对话框中，选择可视化器使用的文件bhtmppi.ndv。当n-D Visualizer窗口和n-D Controls对话框出现在屏幕上时，在对话框中点击波段号（1，2，3），选择MNF的前三个波段。通过点击Start/Stop按钮，开始或停止动画旋转显示。

2. 寻找散点图中的拐角，然后使用ENVI的ROI定义工具，将包含拐角的像素绘制到感兴趣区中。

3. 从n-D Controls对话框顶部的菜单栏中，选择Options → Z Profile，将TM反射率影像作为获取

反射率波谱曲线的文件。

4. 在n-D Visualizer窗口中点击鼠标中键，提取特定散点图位置上的波谱曲线。

图23-10：N维可视化器

5. 在n-D Visualizer窗口中点击鼠标右键，提取多个波谱的影像。

图23-11： N维可视化器提取的端元波谱

6. 将在n-D Visualizer窗口中选取的波谱端元导出到ROI Tool对话框中。

7. 在ROI Tool对话框中，选择Options → Mean for All Regions，绘制波谱曲线。

♦ 将影像波谱同波谱库中的波谱进行比较

ENVI允许将影像波谱同实验室所测的波谱以及保存在波谱库中的波谱进行比较。ENVI提供了几种波谱分辨率相对较高的波谱库。

1. 在ENVI主菜单中，选择Spectral → Spectral Libraries → Spectral Library Viewer。 2. 打开Spectral Library Viewer对话框。点击列表中的几种矿物或者植被的波谱名称。接着所选的

物质的波谱将在Spectral Library Plots绘图窗口中绘制出来。

3. 在Spectral Library Input File对话框中，点击Open Spec Lib按钮，从《ENVI遥感影像处理专题与实践》附带光盘 #1的envidata\\spec_lib\min目录下，选择ENVI的波谱库文件

usgs_min.sli，点击OK。

4. 将这些高分辨率的波谱与TM的波谱端元进行比较。

5. 使用ENVI的波谱工具，对整个波谱库重采样成Landsat的波长和分辨率。

6. 在ENVI主菜单中，选择Spectral → Spectral Libraries → Spectral Library Resampling。 7. 选中usgs_min.sli波谱库，以Landsat TM5为基准进行重采样。

8. 点击OK，接着将会重采样这些波谱，并把它们放置在可用波段列表对话框中。 9. 在ENVI主菜单中，选择Spectral → Spectral Libraries → Spectral Library Viewer。

10. 选择刚刚创建的波谱库文件，并点击几种矿物和植被的波谱，显示它们的重采样后的波谱曲线。 11. 将这些波谱与Landsat TM影像的波谱进行比较。

图23-12：影像波谱与波谱库中波谱的比较

♦ 波谱角填图分类

请参见高光谱专题辅导和《ENVI遥感影像处理实用手册》（ENVI User’s Guide）以及在线帮助，来获取额外的背景知识和使用的例子。

1. 在主影像窗口中，选择Tools → Region of Interest → ROI Tool。使用File→ Restore ROIs，加

载文件bhtm_em.asc中的感兴趣区。

2. 在Endmember Collection:SAM对话框中，点击Apply，输入要输出文件名，开始进行波谱角填

图分类。

图23-13：二维SAM分类示意图

可以在主影像显示窗口菜单栏中选择Tools → Color Mapping → ENVI Color Tables，并将Stretch Bottom和Stretch Top滑动条拉动到相反的位置上，以此来反色显示规则影像。

下图（图23-14）显示了每个像素最佳匹配情况，且为每个端元进行了彩色编码（采用默认的阈值0.10弧度）。

图23-14：SAM分类结果图

♦ 线性波谱分离

请参见ENVI的高光谱专题辅导和《ENVI遥感影像处理实用手册》（ENVI User’s Guide）以及在线帮助，来获取额外的背景知识和使用的例子。

要使用ENVI进行线性波谱分离：

1. 显示预先计算生成的影像结果bhtm_unm.img。

在Endmember Collection:Unmixing对话框顶部的菜单栏中，选择Import → from ROI from Input File，在n-D Visualizer窗口中选择所创建的感兴趣区，然后点击Apply。

图23-15：航空混合＝线性混合（左）＋线性波谱混合（右）

2. 在可用波段列表对话框中显示这些影像。此外，在分析过程中将会产生均方根（RMS）误差影像。

图23-16：线性波谱分离丰度影像

丰度影像中的亮值代表了高的丰度；光标值/位置功能（Cursor Value/Location）可以用于查看实际的像素值。

图23-17：线性波谱分离结果图

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如果确信能够使用所有的端元，那么点击Apply a unit sum constraint按钮，再次运行线性波谱分离算法。

♦ 添加注记并输出影像地图

要获取关于地图制图的额外信息，请参见地图制图专题辅导，《ENVI遥感影像处理实用手册》ENVI User's Guide）或者在线帮助。

♦ 结束ENVI程序

1.3. 总结

我们已经发展了许多各种先进的工具来分析处理成像光谱仪数据（高光谱数据）。这些工具都很完善成熟，且被有选择地使用到AVIRIS以及其它的数据集中。在许多我们想要分析研究的领域中，我们可以使用某些高光谱工具分析处理各种可用的多光谱数据。ENVI允许用户使用为高光谱数据所设计的工具，来发展使用和分析多光谱数据集的新方法。