05 PIE-Hyp光譜分析

PIE-Hyp光譜分析

高光譜遙感數據是一個光譜圖像立方體，其主要特點是將傳統的圖像空間維與光譜維信息融合為一體，在獲取地表空間圖像的同時，得到每個像元對應的地物光譜信息。

高光譜數據可完整涵蓋探測譜段范圍內的地物光譜信息，大幅提高了精細信息表達能力，使得基於地物光譜信息進行高光譜數據的處理與分析成為可能，利用高光譜圖像數據涵括的地物豐富的精細光譜信息，依據地物光譜特征產生的內在機理，可實現地物成分信息反演與地物識別。

高光譜數據處理與分析的核心是地物光譜分析，PIE-Hyp軟件中提供了波普運算、包絡線去除、光譜重采樣、光譜微分、S-G濾波、諧波分析和光譜MNF變換7個光譜分析工具。

1.波譜運算

PIE-Hyp軟件的波譜運算工具可以進行波譜間的運算。波譜曲線可以來自一幅多波段圖像或波譜庫。

• 由於每個用戶都有獨特的需求，利用此工具用戶可以自定義數學表達式，對波譜曲線以及多波段圖像進行處理。
• 波譜運算表達式中的每一個變量可以是一幅多波段影像，也可是波譜庫中的波譜曲線，但要求參與波譜運算的圖像必須具有相同的大小和相同的波段數。
• 當參與波譜運算的變量為多波段圖像時，可以將波譜運算表達式應用到多波段圖像的所有波段中。

1.1主要內容

通過PIE-Hyp對演示數據進行波譜運算操作。

1.2學習目標

• 熟練掌握波譜運算基本操作。

1.3使用數據

序號	數據名稱	數據說明
1	GF5_AHSI_sub.tif	待進行波譜運算的GF5高光譜正射影像

 

1.4波譜運算操作

在"圖譜分析"標簽下的"光譜處理"組，單擊【波譜運算】按鈕，彈出"波譜運算"對話框，如下圖所示：（當點擊三角、邏輯、對數三個按鈕時，才會彈出右邊藍色的框）

圖  波譜運算對話框

• 輸入表達式：支持手動輸入波譜運算表達式或者復制粘貼表達式，其中變量名必須以"s"或"S"開頭；目前支持的運算符包括+、－、×、÷、指數、三角、邏輯、對數等；
• 加入列表：將輸入的波譜運算表達式加載到波譜運算表達式列表（如果波譜運算表達式不合法，將給予提示）；
• 清空列表：將波譜運算表達式列表中的表達式一次性全部清除；

確定運算表達式后，點擊【確定】按鈕進入下一步，如下圖所示：

圖  波譜運算變量設置對話框

• 波譜變量設置：分別設置表達式中各波譜變量，參與波譜運算的變量可以是圖像數據也可以是光譜文件；圖像或波譜文件設置通過在數據列表中選擇對應的圖像或波譜文件來實現；如果待處理的圖像或波譜文件未加載到數據列表中，可通過點擊【…】按鈕將其加載到圖像列表中再進行選擇；
  • 輸出路徑：設置波譜運算結果的保存路徑及文件名。

所有參數設置完成后，點擊【確定】按鈕即可進行波譜運算。

1.5操作技巧

技巧1 當參與波譜運算的變量為圖像數據時，參與波譜運算的圖像必須具有相同的大小和相同的波段數。

1.6常見問題

暫無。

1.7復習思考題

(1)使用演示數據或其他高光譜遙感數據，練習波譜運算工具，通過練習掌握波譜運算工具的使用，包括波譜運算表達式的設置、波譜變量的設置等內容，並對波譜運算結果進行分析。

2.包絡線去除

包絡線去除是將反射波譜歸一化的一種方法。可以有效地突出曲線的吸收和反射特征，使得在同一基准線上可以對比吸收特征。經過包絡線去除后的圖像，有效地抑制了噪聲，突出了地物波譜的特征信息，便於圖像分類和識別。

包絡線是連接波譜頂部的凸起（局部波譜最大值）的直線段擬合。第一個和最后一個波譜數據值在外殼上，因此在輸出的包絡線去除的數據文件中的首末波段都等於1.0。包絡線去除采用以下公式：

S_cr=  S⁄C

式中，為包絡線去除的結果；為初始波譜；為包絡曲線。

在包絡線去除后的圖像中，包絡線和初始波譜匹配處波譜等於1.0，出現吸收特征的區域波譜小於1.0。為得到更好的結果，利用文件選擇功能中的波譜子集選擇功能選擇包含吸收特征的波段。

2.1主要內容

通過PIE-Hyp對演示數據進行包絡線去除操作。

2.2學習目標

• 熟練掌握包絡線去除基本操作。

2.3使用數據

序號	數據名稱	數據說明
1	GF5_AHSI_ref.tif	待進行包絡線去除的GF5高光譜地表反射率影像

 

2.4包絡線去除操作

在"圖譜分析"標簽下的"光譜處理"組，單擊【包絡線去除】按鈕，彈出"包絡線去除"對話框，如下圖所示：

圖  包絡線去除對話框

• 輸入文件：選擇需要進行包絡線去除的文件；
  點擊【…】按鈕，彈出輸入數據信息對話框；

圖  包絡線去除加載數據對話框

• 通過"選擇文件"中的文件列表選擇文件或者通過單擊【導入文件】按鈕打開輸入文件選擇對話框選擇輸入外部文件；
• 單擊"選擇區域"右下端的【…】按鈕打開空間子集選擇對話框，可通過縮放紅色方框或者手動輸入待處理的空間范圍；
• 單擊"選擇波段"右下端的【…】按鈕打開波段子集選擇對話框，可通過波段列表選擇待處理的波段子集，至少需要選擇2個波段；
• 單擊【確定】按鈕，文件及空間波譜子集選擇完成，返回到包絡線去除對話框。

• 輸出文件：設置輸出數據的保存路徑及名稱。

所有參數設置完成后，單擊【確定】按鈕，即可輸出結果。

2.5操作技巧

暫無。

2.6常見問題

問題 1：在什么情況下應用包絡線去除？如何評價包絡線去除之后的效果？

解決辦法：在光譜曲線相似的情況下，不便於直接提取光譜特征用於計算，包絡線去除結果可以突出光譜特征，如光譜曲線的吸收、反射，並能將不同量級的曲線歸一化到一致的光譜背景上，有利於比較不同曲線的光譜差異，相似曲線包絡線去除后能明顯區分或提取吸收特征，說明包絡線去除后可取得較好的提取效果。

2.7復習思考題

(1)使用演示數據或其他高光譜遙感數據，練習包絡線去除工具，通過練習掌握包絡線去除工具的使用，並對包絡線去除結果進行分析。

3.光譜重采樣

高光譜影像具有多個波段，每個波段記錄的能量值與光譜響應函數有關，每個波段都對應一定的中心波長和波段寬度。不同高光譜傳感器測量得到的數據受到儀器光譜響應的影響不同，光譜特征存在差異，影響數據的定量化應用能力。因此，需要對不同儀器獲得的光譜曲線數據進行光譜重采樣，實現不同儀器光譜數據的統一。使用光譜重采樣工具可以對波譜庫進行重采樣，使其與其他波譜或者波譜源相匹配，這些波譜或者波譜源來自已知傳感器（如TM、MSS等）濾波函數（波譜相應函數）、自定義的濾波函數、ASCII波長文件或一個特定圖像的波長文件。目前PIE-Hyp軟件中采用拉格朗日插值法進行插值重采樣，使其與其他波譜或者波譜源相匹配，這些波譜或者波譜源可以來自已知的波譜文件或從影像中獲取的波長信息

3.1主要內容

通過PIE-Hyp對演示數據進行光譜重采樣操作。

3.2學習目標

• 熟練掌握光譜重采樣基本操作。

3.3使用數據

序號	數據名稱	數據說明
1	usgs_min.sli	待進行光譜重采樣的波譜庫，420個波段，中心波長為：0.3951~2.56μm
2	cup_sub.img	待進行光譜重采樣的參考影像文件，50個波段，中心波長為：1.9908~2.479μm

 

3.4光譜重采樣操作

在"圖譜分析"標簽下的"光譜處理"，單擊【光譜重采樣】按鈕，彈出"光譜重采樣"對話框，如下圖所示：

圖  光譜重采樣對話框

• 輸入文件：選擇需要進行重采樣的光譜文件，光譜文件為.sli格式；
• 重采樣到：設置輸入的文件需要重采樣到什么波譜源；
  • 輸入光譜文件：以輸入的光譜文件為參考；
  • 輸入影像文件：以輸入的影像文件為參考，影像文件必須包含中心波長信息。
• 光譜文件：選擇參考光譜文件或參考影像；
• 輸出文件：設置輸出數據的保存路徑及名稱；
• 設置壞波段值：修改壞波段值。

當讀到一個"壞"波段（在輸入的波長范圍之外的波段被稱為"壞"波段）時，將會用到該值，而不會對它進行重采樣。例如，如果輸入的數據范圍為0.5-2.0，要重采樣到0.4-2.4，則0.4-0.5和2.0-2.4之間的波段值就是在"設置壞波段值"中選值框中的值。

所有參數設置完成后點擊【確定】按鈕，即可輸出光譜重采樣。

 

3.5操作技巧

建議不要將低波譜分辨率波譜重采樣到高光譜分辨率中，因為生成的結果是不真實的。對於波譜重采樣，一般有如下兩種意義：

• 利用高光譜的高光譜分辨率波譜重采樣到低光譜分辨率波譜上，進而在多光譜數據中用來分類。其中高光譜分辨率的波譜一般從標准波譜庫中獲取。
• 用於驗證影像大氣校正后的波譜曲線的效果。

3.6常見問題

問題1：如何對輸入波譜范圍外的壞波段值進行設置？

解決辦法：波譜范圍外的壞波段值光譜值一般設置為零，被采樣的數據在該部分無數據，該部分重采樣的結果無意義，也不進行采樣。

3.7復習思考題

(1)使用演示數據或其他數據，練習光譜重采樣工具，通過練習掌握光譜重采樣工具的使用，並對光譜重采樣結果進行分析。

4.光譜微分

光譜微分技術通過數學模擬反射光譜，計算不同階數的微分值以便迅速地確定光譜彎曲點及最大最小發射率的波長位置。光譜的低階微分處理技術對噪聲影響敏感性較低，主要用於減弱大氣散射和吸收對目標光譜特征的影響。通過微分初始光譜，使得大氣影響降到最小，從而消除或抑制其對光譜的影響，光譜微分技術還可以用於生物化學成分的提取、遙感地質分析等方面。另外光譜在經過微分處理后可以放大相似光譜之間的差異，提取特定應用的特定波段，進而增強各類定量反演的准確性。

4.1主要內容

通過PIE-Hyp對演示數據進行光譜微分操作。

4.2學習目標

• 熟練掌握光譜重采樣基本操作。

4.3使用數據

序號	數據名稱	數據說明
1	GF5-AHSI-ref.tif	待進行光譜微分的GF5高光譜地表反射率影像

 

4.4光譜微分操作

在"圖譜分析"標簽下的"光譜處理"組，單擊【光譜微分】按鈕，彈出"光譜微分"對話框，如下圖所示：

圖  光譜微分參數設置對話框

• 輸入高光譜影像：單擊【…】輸入高光譜影像，根據用戶需要在影像中選擇進行豐度反演的區域范圍和波段子集；
• 微分類型：整數階微分和分數階微分；
  • 整數階微分：輸入整數，如1，2，3…，階次數值輸入越大表示微分此次越高，光譜中特征波段突出更明顯；
  • 分數階微分：輸入小數，如0.1，0.5，1.2…，輸入小數階次微分是弱化整數階次微分處理差異過度突出，能提取相對的差異信息。
• 輸出微分影像：設置輸出數據的保存路徑及名稱；

所有參數設置完成后，單擊【確定】按鈕進行光譜微分處理。

4.5操作技巧

暫無。

4.6常見問題

暫無。

4.7復習思考題

(1)使用演示數據或其他數據，練習並掌握光譜微分工具的使用，並對光譜微分結果進行分析。

5.光譜濾波

Savitzky-Golay濾波器（S-G濾波器）最初由Savitzky和Golay於1964年提出，發表於Analytical Chemistry雜志。之后被廣泛運用於數據流平滑去燥，是一種在時域內基於局域多項式最小二乘法擬合的濾波算法，它使用簡化的最小二乘擬合卷積方法對曲線進行平滑處理並可計算平滑后曲線各階導數。此濾波器最大的特點是在濾除噪聲的同時較好地保留了圖像細節, 而且由於該算法不受圖像本身數據限制, 從而提高了平滑濾波的適用性。Savitzky-Golay濾波工具可針對高光譜影像因機械振動等因素導致光譜曲線有毛刺、不平滑現象進行平滑濾波處理。

5.1主要內容

通過PIE-Hyp對演示數據進行光譜濾波操作。

5.2學習目標

• 熟練掌握光譜濾波基本操作。

5.3使用數據

序號	數據名稱	數據說明
1	GF5_AHSI_sub.img	待進行光譜濾波的GF5高光譜地表反射率數據

 

5.4光譜濾波操作

在"圖譜分析"標簽下的"光譜處理"組，單擊【光譜濾波】按鈕，彈出"Savitzky-Golay濾波"對話框，如下圖所示：

圖  Savitzky-Golay濾波功能界面

• 輸入文件：同定量反演中輸入文件操作；
• 濾波參數：點數和多項式階次；
  • 點數：輸入整數，如1，2，3…，對整個光譜曲線進行窗口移動平滑，該項代表一次擬合的點數，也是曲線擬合窗口的大小或長度；
  • 多項式階次：輸入整數，如1，2，3…，表示擬合多項式的階次，階次越高，曲線擬合越完整，但噪聲去除越不明顯，與擬合窗口點數相配合設置；
  • 緩存大小（MB）：當待處理數據過大時，可以對數據進行分塊處理，該值需要根據當前計算機的配置及輸入數據的大小進行設置。軟件默認128，表示向計算機申請分配128MB內存空間進行影像分塊計算。

通常情況下，設置的點數越大，多項式次數越小，得到的擬合曲線越平滑，當設置的點數值過小會保留異常值, 過大則可能得到一個存在更多噪聲的結果。當設置的點數一定時，多項式次數設置越大，擬合效果越好，但對波譜曲線平滑效果不明顯；當設置的多項式次數一定時，設置的點數越大，對波譜曲線的平滑效果越好。在進行Savitzky-Golay濾波處理時，點數和多項式階次按系統默認設置即可。

• 輸出濾波影像：輸出結果為光譜維度濾波后的影像文件。

所有參數設置完成后，單擊【確定】按鈕，軟件進行Savitzky-Golay濾波處理。

5.5操作技巧

技巧1通常情況下，點數和多項式階次按系統默認設置即可。點數設置越大，多項式階次也應該設置增大，曲線擬合越好，對波譜曲線平滑效果越好；如果點數設置增加，多項式階次設置減少，曲線擬合不充分，波譜曲線平滑過度，波譜信息出現丟失。

5.6常見問題

暫無。

5.7復習思考題

(1)使用演示數據或其他遙感數據，練習並掌握光譜濾波工具的使用，對比分析光譜濾波結果與原始影像的差異。

6.諧波分析

高光譜遙感影像具有極高的光譜分辨率，光譜分辨率只有幾十甚至幾納米，影像中包含了成千上百個波段，使得像元在每個波段的灰度值可以表示為一條連續的曲線。諧波分析工具利用諧波分析將像元光譜曲線表示成正（余）弦波相疊加的形式，分解成諧波余項、諧波振幅與諧波相位三項系數，通過將諧波分解分量進行重構得到逆諧波重構影像，在有效消除光譜中存在的高頻噪聲同時對光譜進行平滑處理。

6.1主要內容

通過PIE-Hyp對演示數據進行諧波分析操作。

6.2學習目標

• 熟練掌握諧波分析基本操作。

6.3使用數據

序號	數據名稱	數據說明
1	GF5-AHSI-ref.tif	待進行諧波分析的GF5高光譜地表反射率影像

 

6.4諧波分析操作

在"圖譜分析"標簽下的"光譜處理"組，單擊【諧波分析】按鈕，彈出"諧波分析"對話框，如下圖所示：

圖 諧波分析參數設置對話框

• 輸入高光譜影像：輸入待處理的高光譜影像；
• 諧波分析次數：輸入需要進行諧波分析的次數，默認分析次數為10，此項是分析的關鍵，根據需要而確定，諧波分析次數越大，重構擬合精度越高，但計算量也隨之劇增，一般最佳分析次數為波段數目的1/3左右；
• 輸出諧波分析文件：點擊【…】按鈕，設置輸出文件保存路徑和文件名；
• 諧波分析系數文件：
  • 輸出諧波余項文件：諧波余項（A0/2）分量計算結果為一個常數，該值為像元每個波段光譜值的算術平均值。點擊【…】按鈕，設置輸出文件保存路徑和文件名；
  • 輸出諧波振幅文件：諧波振幅與光譜能量相關。點擊【…】按鈕，設置輸出文件保存路徑和文件名；
  • 輸出諧波相位文件：諧波分析初相位，單位：弧度。點擊【…】按鈕，設置輸出文件保存路徑和文件名。
• 選擇輸出逆諧波重構文件：可根據需要選擇性勾選諧波重構影像前的復選框，點擊【…】按鈕，設置輸出文件保存路徑和文件名。根據需要將分解后的諧波文件進行逆諧波重構。默認不進行此操作；

所有參數設置完成后，點擊【確定】按鈕，執行諧波分析操作。

6.5操作技巧

暫無。

6.6常見問題

暫無。

6.7復習思考題

(1)使用演示數據或其他遙感數據，練習並掌握諧波分析工具的使用，對比分析諧波分析結果與原始影像的差異。