遙感影像處理實(shí)習(xí)7

1、實(shí)習(xí)序號及題目實(shí)習(xí)7地表反射率、溫度的反演以及植被指數(shù)的計(jì)算實(shí)習(xí)人姓名任課教師姓名實(shí)習(xí)地點(diǎn)榆中校區(qū)實(shí)驗(yàn)樓A109實(shí)習(xí)日期時(shí)間2012年12月12日實(shí)習(xí)目的1、初步掌握使用定量遙感方法反演地表反射率、地表溫度和植被指數(shù)的方法，深入認(rèn)識在ENVI FLAASH中MODTRAN算法的主要內(nèi)容，獲得常見的幾種土地覆蓋類型所具有的反射率、溫度和植被指數(shù)的參數(shù)特征的認(rèn)識。實(shí)習(xí)內(nèi)容1、打開ENVI軟件，加載含有元數(shù)據(jù)的Landsat TM/ETM+影像數(shù)據(jù)；2、遙感影像目視分析，通過有關(guān)工具（衛(wèi)星影像元數(shù)據(jù)、SRTM和Google Earth）記錄影像的如下信息：影像獲取日期和時(shí)間（GMT）、研究區(qū)中心坐標(biāo)

2、、研究區(qū)海拔高度、影像適用的MODTRAN氣溶膠反演模式；3、遙感影像輻射定標(biāo)，獲得Landsat TM/ETM+影像的輻亮度（可見光/近紅外）和輻照度（熱紅外）；4、遙感影像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，從BSQ轉(zhuǎn)到BIL5、使用FLAASH進(jìn)行大氣輻射校正，得到可見光、近紅外各個(gè)波段的地表反射率6、使用波段計(jì)算工具（Band Math）進(jìn)行地表反射率和NDVI計(jì)算。7、分析不同地表覆蓋類型的反射率、地表溫度和植被指數(shù)，給出統(tǒng)計(jì)表8、選取遙感影像中的5種典型地物，進(jìn)行地表反射率、溫度和植被指數(shù)的提取，對植被指數(shù)、地表溫度反演結(jié)果進(jìn)行合理性分析，說明誤差的可能來源?；驹?、 輻射定標(biāo)：就是將傳感器記錄的輻

3、射量化值（Digital Number，DN）轉(zhuǎn)換成絕對輻射亮度值、表觀反射率，或者表觀溫度的過程。絕對定標(biāo)：通過各種標(biāo)準(zhǔn)輻射源，建立輻射亮度值與輻射量化值（DN）之間的定量關(guān)系式中，輻射亮度值L的常用單位為W/(m2.m.sr)，或者W/(cm2.nm.sr) 。1W/(m2.m.sr)=0.1 W/(cm2.nm.sr) 1、 大氣輻射效應(yīng)及其校正：瑞利散射（Rayleigh）：發(fā)生在距地面2-8km的對流層大氣中。由大氣中的氧、氮分子的輻射吸收和再發(fā)射造成的散射，亦稱分子散射。米氏散射（Mie）：發(fā)生在4.5km以下的低層大氣中；由直徑為0.110倍入射輻射波長微粒造成的。微粒的主要組成

4、為霾、水滴、塵埃、煙霧、花粉、微生物、海上鹽粒、火山灰等，統(tǒng)稱為氣溶膠（aerosol）。大氣中的煙霧和粉塵越多，就會(huì)散射越多的紫光和藍(lán)光。導(dǎo)致彩色合成影像偏藍(lán)。非選擇性散射：云、霧、水滴、塵埃等直徑大于入射輻射波長10倍以上的微粒，就會(huì)發(fā)生非選擇性散射，對所有波長的光都進(jìn)行同比例的散射。組成云霧的水滴和冰晶對所有可見光波長的均等散射，使云呈現(xiàn)白色。云霧的存在直接妨礙著影像信息的提取。2、 基于輻射傳輸模型的大氣校正：MODTRAN輻射傳輸模型（MODerate spectral resolution atmospheric TRANsmittance algorithm and comput

5、er model）MODTRAN可以計(jì)算0到50000cm-1的大氣透過率和輻射亮度。波長范圍的精度是2cm-1。在給定輻射傳輸驅(qū)動(dòng)、氣溶膠和云參量、光源與遙感器的幾何立體對和地面光譜信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)輻射傳輸方程來計(jì)算大氣的透過率以及輻射亮度。MODTRAN4中改進(jìn)了Rayleigh散射和復(fù)折射指數(shù)的計(jì)算精度，增加了計(jì)算太陽散射貢獻(xiàn)的方位角參數(shù)選項(xiàng)，并且將7種BRDF模型引進(jìn)到模型中，使地表特征的參數(shù)化成為可能。3、 大氣輻射傳輸模型(可見光/近紅外波段)：4、 NDVI：歸一化差值植被指數(shù)（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）對于陸地

6、表面主要覆蓋而言，如果根據(jù)地表實(shí)際的反射率來計(jì)算，則云、雪在可見光波段比近紅外波段有較高的反射率，因而其NDVI值為負(fù)值水體的NDVI接近0巖石、裸土在兩波段有相似的反射作用，因而其NDVI介于0與0.1之間在有植被覆蓋的情況下，NDVI介于0.11.0之間，且隨植被覆蓋度的增大而增加。幾種典型的地面覆蓋類型在大尺度NDVI圖像上區(qū)分鮮明，植被得到有效的突出。因此，NDVI特別適用于全球或區(qū)域植被的宏觀動(dòng)態(tài)監(jiān)測。NDVI是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子。NDVI與葉面積指數(shù)（LAI）、綠色植物凈第一生產(chǎn)率（NPP）、植被覆蓋度、光合作用等指標(biāo)參數(shù)密切相關(guān)，并據(jù)以完成地表植被物理參數(shù)的反

7、演。NDVI可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云/陰影和大氣條件有關(guān)的輻照度條件變化（大氣程輻射）等的影響。6、地表溫度的計(jì)算（反演）：陸面溫度（LST）：根據(jù)輻射溫度理論，利用熱紅外波段的遙感數(shù)據(jù)反演計(jì)算獲得的地表亮度溫度，又成表皮溫度；基于landsat 7ETM+數(shù)據(jù)的陸面溫度反演算法T=k2/ln(k1/L+1)，其中：T=衛(wèi)星接收有效溫度，K1,k2=定標(biāo)系數(shù)，L=光譜輻射亮度。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備1、 LT51310352009209IKR00，1-7波段且包括MTL文件；操作方法及過程1、 加載數(shù)據(jù)，進(jìn)行輻射定標(biāo)，我采用的是蘭州市附近的landsat5tm影像，加載432假彩色合成

8、組合方式顯示，觀察影像。輻射定標(biāo)操作：basic toolspreprocessingcalibration utilitieslandsat calibration，選擇有六個(gè)波段的MTL.txt文件，加載1-5和7波段影像，點(diǎn)擊ok。設(shè)置參數(shù)，衛(wèi)星傳感器為landsat 5 TM，影像獲取的時(shí)間為默認(rèn)，因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^地理信息添加影像，因此這些信息會(huì)自動(dòng)提取，時(shí)間為2007年5月20日，太陽高度角為65.14，自己后的定標(biāo)類型我選擇radiance（輻射），點(diǎn)擊edit calibration parameters，觀察參數(shù)，一般為默認(rèn)，點(diǎn)擊ok，選擇儲存位置，命名為radianced，點(diǎn)擊

9、ok2、 加載數(shù)據(jù)，我們觀察到，現(xiàn)在數(shù)據(jù)信息已經(jīng)發(fā)生改變且為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)。下面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換BSQBIL，操作為：basic tools convert data(BSQ、BIL、BIP)，選擇進(jìn)行輻射定標(biāo)的影像radianced，選擇輸出類型為BIL，convert in place選擇NO，代表重新儲存，選擇YES代表替換原BSQ文件。選擇儲存位置，命名為BIL，點(diǎn)擊ok3、 用FLAASH方法進(jìn)行大氣輻射校正：spectralFLAASH在此設(shè)置參數(shù)。Input radiance image 加載為BIL文件，彈出窗口，其中第一項(xiàng)為每隔波段對應(yīng)著不同的因子，第二個(gè)為每個(gè)波段對應(yīng)相同

10、的因子，因此我們選擇第二個(gè)，因子輸入10.0000；output reflectance file選擇保存位置，命名為 reflectance，output directory FLAASH files選擇輔助信息保存位置，rootname for FLAASH file選擇輔助信息命名前綴為l5_。Scene center location，影像中心定位我們首先查看影像，在BIL上右擊edit header查看行列信息，發(fā)現(xiàn)samples為8381，lines為7301，因此中心行列號為4191、3651。右擊影像pixel locator，輸入4191、3651，點(diǎn)擊apply，查看到la

11、t顯示36、3、24.73；lon顯示為102、59、44.90，這些就是中心坐標(biāo)。將這些信息輸入Scene center location。傳感器選擇，我們選擇多光譜中的landsat TM5，平均海拔高度，因?yàn)椴樵兊弥m州地區(qū)的平均高程大概為2571m，因此這里我們輸入2.571，這里是以千米為單位；時(shí)間我們通過頭文件查看得知為2007年5月20日，3點(diǎn)38分36秒；大氣模型我們選擇sub-arctic summer，亞極地夏季，水汽含量默認(rèn)為1；氣溶膠模型選擇rural 鄉(xiāng)村模型。4、 Multispectral setting：這里select channel definitions

12、 選擇GUI，打開選項(xiàng)卡第二項(xiàng)，這里assign default values選擇overland retrieval standard（660:2100nm），之后下面亮相KT高值會(huì)自動(dòng)選擇第七波段，KT低值會(huì)自動(dòng)選擇第三波段，其他選項(xiàng)默認(rèn)；advanced settings這里的選項(xiàng)都不需要改動(dòng)，選擇默認(rèn)的即可。點(diǎn)擊apply。查看生成結(jié)果。5、 打開原始影像的第六波段，觀察影像信息，同樣進(jìn)行輻射定標(biāo)，輻射定標(biāo)操作：basic toolspreprocessingcalibration utilitieslandsat calibration，選擇有一個(gè)波段的MTL.txt文件，加載6波段

13、影像，點(diǎn)擊ok。設(shè)置參數(shù)，衛(wèi)星傳感器為landsat 5 TM，影像獲取的時(shí)間為默認(rèn)，時(shí)間為2007年5月20日，太陽高度角為65.14，自己后的定標(biāo)類型我選擇radiance（輻射），點(diǎn)擊edit calibration parameters，觀察參數(shù)，一般為默認(rèn)，點(diǎn)擊ok，選擇儲存位置，命名為radianced2，點(diǎn)擊ok；6、 計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI通過transformNDVI來計(jì)算，打開對話框，影像選擇為大氣校正后的影像FLAASH，之后參數(shù)基本默認(rèn)，系統(tǒng)可以自動(dòng)生成如紅光波段為3波段，近紅外波段為4波段，其中輸出數(shù)據(jù)類型選擇floating。選擇儲存位置，命名為NDVI。7、

14、使用柵格計(jì)算器進(jìn)行溫度反演，根據(jù)率面溫度反演算法，公式為T=k2/ln(k1/L+1)，這里我們用波段計(jì)算器basic toolsband math，輸入1260.56/alog(607.76/b6+1)-273.13，之后b6選擇輻射定標(biāo)之后的第六波段，選擇儲存位置，命名為wendu。8、 分別在地表反射率、溫度、NDVI中選取五種地物，觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以地表反射率為例。打開影像，右擊ROI工具，ROI_type中選擇polygon，選擇水庫作為一個(gè)地物，在影像中選擇ROI。選擇結(jié)束之后，點(diǎn)擊stats查看統(tǒng)計(jì)信息，并將統(tǒng)計(jì)信息保存，在excel中打開制圖。結(jié)果與分析1、 生成FLASSH結(jié)果

15、：我們可以觀察到，通過大氣糾正之后的影像植物也就是圖中的紅色區(qū)域的相較于原圖顏色較淺，另外西北方向的薄的白云的影像也大大減輕，裸土部分也沒有之前的深色，整個(gè)影像看起來比較平滑柔和，雜色較少。2、 下面是五種地物的地表反射率隨波段變化的折線圖：水庫：水庫水體的的反射主要在藍(lán)綠波段，其他波段吸收都很強(qiáng)，且所有波段的反射率都很弱，都在1000以下。在432組合影像上，水體呈深藍(lán)色。在第七波段之后反射率為200左右，幾乎全部吸收了。河流：水庫水體反射折線跟水庫有所不同，同樣在12波段反射率高，但第三波段及近紅外波段反射率也很高，之后反射率逐漸降低，但是總體反射率要大于1000也比水庫的總體反射率要高很

16、多，第七波段的反射率還在800左右，說明在影響當(dāng)中，河流的顏色要比水庫顏色要亮很多。裸土：相對于水體，裸地的反射率就比較高了，所有波段的反射率有很高，且隨著波長增加反射率增大，在第五波段形成反射峰。自然狀態(tài)下土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來講土質(zhì)越細(xì)反射率越高，有機(jī)質(zhì)含量越高和含水量越高反射率越低。草地：從圖中可知：可見波段二波段有一個(gè)反射峰，在一波段和三波段有兩個(gè)吸收帶。這是由于葉綠素對藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對綠光反射作用強(qiáng)。在四波段之后之間反射率急劇上升，這是由于植被葉細(xì)胞的影響，除了吸收和透射的部分，形成高的反射率。在中紅外波段，受到綠色植物含水量的影響，吸收率大增，反射率

17、下降，第七波段之后為中心是水的吸收帶，形成低谷。農(nóng)田：農(nóng)田的反射率總體要比草地要高，但是走勢大體一樣，反射光譜曲線比較類似，可見波段二波段有一個(gè)反射峰，在一波段和三波段有兩個(gè)吸收帶，對綠光反射作用強(qiáng)。在四波段之后之間反射率急劇上升，形成高的反射率，但是在第五波段反射率下滑的比草地要多很多。 3、 NDVI：水體的NDVI接近0，巖石、裸土在兩波段有相似的反射作用，因而其NDVI介于0與0.1（1000）之間、在有植被覆蓋的情況下，NDVI介于0.11.0（-1000010000）之間，且隨植被覆蓋度的增大而增加。的地面覆蓋類型在大尺度NDVI圖像上區(qū)分鮮明，植被得到有效的突出。植被蓋度越高ND

18、VI值越大，從表可以看出植被的NDVI平均值達(dá)到5075.77為幾種地物類型最大 ，河流和水庫NDVI值小于0。不同地物NDVI統(tǒng)計(jì)表：MinMaxMeanStdev河流-1327.2949.78-585.432.62農(nóng)田1863.177668.953997.9313.74裸地444.961770.41876.731.29草地1910.177967.125075.7711.43水庫-1837.33416.99-824.252.974、 不同地物地表反演溫度：裸地反演溫度比較高，這是由其裸土表面在熱紅外波段有較高的反射率，使其周圍有較高溫度，反演溫度最高；河流中有含有一定的沙粒，使其在熱紅外波段有較高的反射率，溫度比水庫要高，水庫的溫度就比較低，因?yàn)樗畮熘泻械碾s質(zhì)比較?。淮送廪r(nóng)田和草地的溫度都一般，比水體要高，比裸地要低。MinMaxMeanStdev水庫14.5216.8215.880.38草地14.0533.8322.033.77河流13.5916.8214.680.80農(nóng)田20.8524.7622.210.71裸地29.3741.2036.261.57存在問題與解決辦法（1） 、對于大氣糾正模型FLAASH中的一些參數(shù)設(shè)置還不是很清楚，在這里我們可以充分利用軟件本身帶有的幫助文檔，點(diǎn)擊help，輸入需要查詢的關(guān)鍵字，比如說atomspheric mod