遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(2007級)

遙感科學(xué)與技術(shù)專業(yè)（2007級）生產(chǎn)實(shí)習(xí)指導(dǎo)書基于高光譜遙感技術(shù)的太湖水質(zhì)監(jiān)測與評價(jià)－以TSM為例南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院

遙感科學(xué)與技術(shù)系

2011年2月 2實(shí)習(xí)性質(zhì)與任務(wù)通過生產(chǎn)實(shí)習(xí)，加深學(xué)生對3年多所學(xué)遙感專業(yè)知識的理解與掌握，使理論知識融會貫通，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力和綜合解決實(shí)際問題的能力。實(shí)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)至少能全面掌握1種遙感圖像處理軟件，并能熟練利用該軟件處理常見的遙感專業(yè)問題，為畢業(yè)論文研究的順利進(jìn)行和今后從事相關(guān)專業(yè)研究打下良好的基礎(chǔ)。實(shí)習(xí)方式生產(chǎn)實(shí)習(xí)采用教師講授主要的實(shí)習(xí)內(nèi)容與步驟為輔，學(xué)生上機(jī)操作為主，并輔以指導(dǎo)教師答疑相結(jié)合的方式。在實(shí)習(xí)過程中，為解決某個(gè)特定的問題，不局限于老師講授和實(shí)習(xí)指導(dǎo)書中給出的方法，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的方法來解決問題，充分激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性。技術(shù)路線與時(shí)間安排本次實(shí)習(xí)以水體中總懸浮顆粒物濃度(TSM)的遙感監(jiān)測與評價(jià)為例，采用衛(wèi)星影像多光譜遙感技術(shù)和同步或準(zhǔn)同步的水質(zhì)數(shù)據(jù)與水體實(shí)測高光譜反射率數(shù)據(jù)，建立TSM的高光譜響應(yīng)模型，并將該模型用于衛(wèi)星多光譜遙感圖像，以獲得平面上分布的水體TSM濃度，并以此作為水質(zhì)評價(jià)的指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)的遙感定量監(jiān)測與評價(jià)的目的。具體的技術(shù)路線框圖如下圖，每部分的時(shí)間粗略安排如下：遙感圖像預(yù)處理：2月26日-3月6日；水體解譯與提取、定性評價(jià)：3月7日-3月9日；水質(zhì)指標(biāo)的高光譜遙感反演：3月12日-3月21日；遙感制圖輸出：3月22日-3月22日；實(shí)習(xí)報(bào)告撰寫：3月23日-3月25日圖1技術(shù)路線框圖主要的實(shí)習(xí)內(nèi)容與步驟4.1遙感圖像預(yù)處理4.1.1實(shí)習(xí)目的利用ENVI軟件進(jìn)行遙感圖像的預(yù)處理，掌握遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法的原理與步驟，為接下來的數(shù)字圖像處理和遙感應(yīng)用做好準(zhǔn)備。本次實(shí)習(xí)主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容：影像數(shù)據(jù)的讀取、對遙感數(shù)據(jù)的基本操作、影像數(shù)據(jù)的大氣校正、幾何糾正。4.1.2實(shí)習(xí)原理與步驟（1）給定格式文件的讀取ENVI數(shù)據(jù)瀏覽器提供了一種字節(jié)水平上檢查數(shù)據(jù)文件的方式。能用來瀏覽文件結(jié)構(gòu)、識別未知文件類型，并且數(shù)據(jù)中顯示出一幅圖像的文件頭時(shí)能判定數(shù)據(jù)的偏差。1）選擇File>DataViewer.2）出現(xiàn)DataViewerInputFile對話框時(shí)，選擇給定的文件，點(diǎn)擊'OK”。 43）出現(xiàn)DataViewer對話框，在窗口文件頭欄顯示文件名和字節(jié)數(shù)，并在窗口里顯示實(shí)際數(shù)據(jù)值（默認(rèn)的為16進(jìn)制，可自己根據(jù)圖像格式的說明進(jìn)行選擇）。第一列顯示字節(jié)值（顯示行的起始字節(jié)），向后16列顯示了數(shù)據(jù)的16個(gè)字（每個(gè)字所占的字節(jié)數(shù)與ViewFormat菜單下所選擇的數(shù)據(jù)類型有關(guān)），最后一列顯示了ASCII值。（2）基本操作>子區(qū)裁剪1） 選擇File>SaveFileas>ENVIStandard,出現(xiàn)NewFileBuilder對話框。2） 點(diǎn)擊ImportFile…,當(dāng)CreateNewFileInputFile對話框出現(xiàn)時(shí)，從下列選項(xiàng)中選擇一個(gè)文件或多個(gè)文件。如果內(nèi)藏的文件沒有在列表中顯示出來，點(diǎn)擊“OpenImageFile”，選擇要輸入的文件。3） 點(diǎn)擊Spatialsubset按鈕，出現(xiàn)selectSpatialsubset對話框，在對話框內(nèi)按不同方式進(jìn)行子區(qū)的裁剪。4） 點(diǎn)擊Spectralsubset按鈕，出現(xiàn)FileSpectralsubset對話框，選取需要處理的波段。點(diǎn)擊0K?；氐紺reateNewFileInputFile窗口。5） 選擇輸出到“File”或“Memory”。若需要，可以鍵入一個(gè)輸出文件名。>圖像信息的統(tǒng)計(jì)選擇BasicTools>Statistics>ComputeStatistics，出現(xiàn)CalculateStatisticsInputFile對話框。通過點(diǎn)擊標(biāo)簽為“SelectInputFile”的列表中的文件名，選擇輸入文件，也可通過點(diǎn)擊適當(dāng)?shù)淖蛹粹o，選擇按標(biāo)準(zhǔn)方式的空間或波譜構(gòu)造子集，點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)CalculateStatisticsParameters對話框。在該對話框中，你將選擇要計(jì)算的統(tǒng)計(jì)信息類型（基本統(tǒng)計(jì)、直方圖統(tǒng)計(jì)和協(xié)方差統(tǒng)計(jì)），和要生成的記錄類型（文本、圖表）。若把統(tǒng)計(jì)信息保存到一個(gè)ENVI格式的統(tǒng)計(jì)信息文件，以便以后用ENVI功能加快處理。在“EnterOutputStatsFilename”標(biāo)簽下輸入或選擇一個(gè)文件名。系統(tǒng)默認(rèn)統(tǒng)計(jì)信息文件的擴(kuò)展名為.sta。點(diǎn)擊“OK”，啟動統(tǒng)計(jì)信息的計(jì)算。（3）大氣校正大氣校正的目的就是要消除大氣條件對遙感影像數(shù)據(jù)的影響，將傳感器接收到的遙感信號中的大氣貢獻(xiàn)部分剔除，進(jìn)而恢復(fù)地面目標(biāo)的光譜特征。常用的大氣校正方法有：6S模型、LOWTRAN/MODTRAN模型、ATCOR模型、TURNER模型、黑暗像元法等。本次實(shí)習(xí)采用黑暗像元法進(jìn)行：使用【BasicTools】->[Preprocessing]->[GeneralPurposeUtilities]->[DarkSubtract]功能，然后在打開的窗口中進(jìn)行操作。在選擇最小暗像元的時(shí)候，利用QuickStatistics工具進(jìn)行，其中認(rèn)為小于3%比例的像元值為正確的。（4）幾何糾正利用ENVI軟件相應(yīng)功能模塊實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的幾何糾正。使用【Map】->[Registration]->[SelectGCPs:ImagetoImage]功能。在ImagetoImageRegistration對話框中，點(diǎn)擊選擇Display#1，作為BaseImage。點(diǎn)擊Display#2,作為WarpImage。點(diǎn)擊OK啟動配準(zhǔn)程序。通過將光標(biāo)放置在兩幅影像的相同地物點(diǎn)上，來添加單獨(dú)的地面控制點(diǎn)。注意：幾何糾正的精度控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)。4.1.3實(shí)習(xí)結(jié)果輸出要求圖像預(yù)處理實(shí)習(xí)結(jié)束后，提交以下文件：（1） 子區(qū)圖像（以“subset+學(xué)號”命名）及其統(tǒng)計(jì)文件（以“sta_subset+學(xué)號”命名）。（2） 大氣校正后的圖像文件（以“atmosphere_corr+學(xué)號"命名）。（3）幾何糾正后的圖像文件（以“geometric_corr+學(xué)號"命名）。4.2水體信息的提取、水質(zhì)定性評價(jià)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^上機(jī)操作，掌握水體信息的提取方法，重點(diǎn)是在圖像增強(qiáng)的基礎(chǔ)上，通過3通道彩色合成的方法，在圖像上突出不同水質(zhì)的水體之間的色彩差異，達(dá)到定性評價(jià)水質(zhì)的目的。實(shí)習(xí)內(nèi)容與步驟（1）水體信息提取水體信息的提取較為簡單，可充分利用水體與其它地物類型的光譜差異（如近紅外波段的近乎全部吸收的特性），采用波段運(yùn)算或閾值的方法進(jìn)行提取。本次實(shí)習(xí)需要注意的是水體區(qū)域與陸地上陰影區(qū)域的差異，防止部分陰影被誤判為 6水體。(2)水質(zhì)的定性評價(jià)可在彩色合成的基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)處理來進(jìn)行水質(zhì)的定性評價(jià)。>彩色合成在AvailableBandsList窗口中，選擇RGBColor，然后分別指定RGB對應(yīng)的不同波段，即可實(shí)現(xiàn)彩色合成的目的。由于高光譜遙感圖像的波段較多，應(yīng)設(shè)法選擇能夠突出不同水質(zhì)水體差異的波段進(jìn)行合成，即定性評價(jià)水質(zhì)的最佳波段合成方案。最優(yōu)合成波段的選擇方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)介紹。>增強(qiáng)處理增強(qiáng)處理的目的是為了在圖像上更好的突出不同地物之間的差異，此處是針對不同水質(zhì)水體差異的增強(qiáng)。下面僅列出幾種方法，實(shí)習(xí)時(shí)可根據(jù)需要選擇合適的方法進(jìn)行處理。卷積增強(qiáng)(Convolution)空間增強(qiáng)技術(shù)是利用像元自身及其周圍像元的灰度值進(jìn)行運(yùn)算，達(dá)到增強(qiáng)整個(gè)圖像之目的。卷積增強(qiáng)(Convolution)是空間增強(qiáng)的一種方法。卷積增強(qiáng)的方法很多，可在打開的ConvolutionsandMorphology窗口中選擇使用的方法。卷積增強(qiáng)(Convolution)時(shí)將整個(gè)像元分塊進(jìn)行平均處理，用于改變圖像的空間頻率特征。卷積增強(qiáng)(Convolution)處理的關(guān)鍵是卷計(jì)算子----系數(shù)矩陣的選擇。該系數(shù)矩陣又稱卷積核(Kernal)。卷積核的大小和數(shù)值可以自行調(diào)整。具體操作步驟：打開【Filter】->[ConvolutionsandMorphology]功能，在其中選擇不同的卷積方法，并可定義核的大小與數(shù)值，進(jìn)行卷積增強(qiáng)運(yùn)算。直方圖均衡化(HistogramEqualization)直方圖均衡化實(shí)質(zhì)上是對圖像進(jìn)行非線性拉伸，重新分配圖像像元值，使一定灰度范圍內(nèi)的像元數(shù)量大致相同。這樣，原來直方圖中間的峰頂部分對比度得到增強(qiáng)，而兩側(cè)谷底部分對比度降低，輸出圖像的直方圖是一較平的分段直方圖。具體操作步驟：可在打開圖像的窗口中，選擇Enhance菜單，注意下面有針對image、scroll和zoom窗口分別進(jìn)行的均衡化操作，這些操作的差異在于統(tǒng)計(jì)直方圖時(shí)，分別對圖像顯示的窗口、整個(gè)圖像和放大圖像窗口進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)。注意：認(rèn)真對比直方圖均衡化前后的圖像差別，仔細(xì)觀察直方圖均衡化的效果。主成分變換主成分變換(PrincipalComponentAnalysis)是一種常用的數(shù)據(jù)壓縮方法，它可以將具有相關(guān)性的多波段數(shù)據(jù)壓縮到完全獨(dú)立的較少的幾個(gè)波段上，使圖像數(shù)據(jù)更易于解譯。具體操作步驟：打開【Transform】->[PrincipalComponents]功能，然后可 7分別選擇主成分正變換和逆變換操作。4.2.3輸出結(jié)果要求輸出直方圖均衡后的圖像，以“his_equ_+學(xué)號命名”以幾個(gè)波段的ENVI默認(rèn)格式數(shù)據(jù)形式，輸出主成分變換后的前幾個(gè)分量，以“pca_+學(xué)號”命名。給出水質(zhì)定性評價(jià)采用的彩色合成波段及其增強(qiáng)結(jié)果（如RGB真彩色合成采用了a，b，c波段），并說明圖像上不同水質(zhì)水體之間的差異，將之寫入實(shí)習(xí)報(bào)告。4.3遙感參數(shù)定量反演（★）（1） 目的與要求了解遙感參數(shù)定量反演在遙感定量化發(fā)展方向上的重要性。理解并能初步掌握遙感參數(shù)定量反演可以采用的方法、步驟及其結(jié)果評價(jià)方法。了解和掌握典型地物（如植被）的高光譜特征，尤其是某些特征波段的吸收與反射特征，并學(xué)會采用光譜導(dǎo)數(shù)和光譜積分等高光譜分析方法提取地物的特征參數(shù)。初步掌握遙感反演中采用的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法。（2） 基本原理遙感參數(shù)定量反演的模型大致可以分為三類：統(tǒng)計(jì)模型、物理模型和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝?jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型一般是描述性的，即對一系列觀測數(shù)據(jù)作經(jīng)驗(yàn)性的統(tǒng)汁描述，或者進(jìn)行相關(guān)分析，建立遙感參數(shù)與地面觀測數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系。物理模型理論基礎(chǔ)完善，模型參數(shù)具有明確的物理意義，并試圖對作用機(jī)理進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t綜合了統(tǒng)計(jì)模型和物理模型的優(yōu)點(diǎn)。（3）實(shí)習(xí)內(nèi)容與步驟水質(zhì)指標(biāo)的高光譜遙感反演實(shí)習(xí)內(nèi)容與步驟：①根據(jù)地面光譜測量與水質(zhì)采樣分析對比實(shí)驗(yàn)選擇水質(zhì)指標(biāo)的特征光譜響應(yīng)波段，并構(gòu)建水質(zhì)指標(biāo)的光譜響應(yīng)指數(shù)（如單波段反射率、波段比值、歸一化反射率等），最后建立該指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系。②比較地面光譜測量數(shù)據(jù)的波段設(shè)置與多光譜圖像的波段設(shè)置，利用光譜重采樣方法生成地面測量儀器波段所對應(yīng)的遙感圖像，然后將上面所建立的水質(zhì)指標(biāo)的高光譜響應(yīng)模型用于圖像，得到面上的水質(zhì)指標(biāo)的遙感定量反演結(jié)果。實(shí)習(xí)結(jié)果要求：建立水質(zhì)指標(biāo)的高光譜響應(yīng)模型，并對該模型的精度進(jìn)行評價(jià)，將結(jié)果寫入實(shí)習(xí)報(bào)告；實(shí)現(xiàn)多光譜遙感圖像的水質(zhì)指標(biāo)的遙感反演，輸出帶有圖例的TSM反演圖像，以“TSM_+學(xué)號”命名。4.4遙感制圖輸出（1）目的與要求學(xué)會各種遙感專題圖件的輸出方法，掌握在遙感圖件上添加各種注記的方法，如經(jīng)緯度、網(wǎng)格、圖例等，并能初步實(shí)現(xiàn)輸出結(jié)果的美觀易懂。（2）基本原理主要通過成熟軟件系統(tǒng)中的功能，輸出各種格式的專題圖件。（3）實(shí)習(xí)步驟打開需要輸出的圖像，在圖像窗口中選擇【Overlay】菜單，然后分別選擇vAnnotation＞和＜GridLines＞功能,可在打開的窗口中設(shè)定需要在輸出圖像上添加的各種注記，并可設(shè)定各種相應(yīng)的參數(shù)。（4）實(shí)習(xí)結(jié)果要求以誕格式輸出帶有經(jīng)緯度網(wǎng)格、指北針、圖名、圖例的水質(zhì)分布圖件，以"Output_+學(xué)號"命名。示例：N0510200-3030-5090-1102009年1N0510200-3030-5090-1102009年11J1丨丨太湖懸浮物濃度空間分布圖單位：mg/L110?130130-150Kilometers實(shí)習(xí)成績評定生產(chǎn)實(shí)習(xí)成績由下面3個(gè)部分組成：（1）平時(shí)成績（是否遲到、早退或者缺勤）：占總成績的20％；（2）上機(jī)實(shí)習(xí)輸出結(jié)果：占總成績的40％；說明：按照實(shí)習(xí)指導(dǎo)書的輸出結(jié)果要求或講課教師的要求，學(xué)生在所用電腦中輸出必要過程的結(jié)果，該結(jié)果由階段結(jié)果檢查老師負(fù)責(zé)收集并批閱，在實(shí)習(xí)結(jié)束后給出每個(gè)結(jié)果的相應(yīng)成績。（3）實(shí)習(xí)報(bào)告：占總成績的40％。說明：實(shí)習(xí)報(bào)告是衡量實(shí)習(xí)效果和評定成績的重要依據(jù)，要求在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立按時(shí)完成，一旦發(fā)現(xiàn)由他人代寫或抄襲他人的實(shí)習(xí)報(bào)告，按不及格論處。實(shí)習(xí)報(bào)告的內(nèi)容主要包括以下三部分內(nèi)容：實(shí)習(xí)目的、實(shí)習(xí)內(nèi)容與結(jié)果（重點(diǎn)