第6節(jié)混合光譜模型,高光譜遙感第四章高光譜數(shù)據(jù)處理,1,一、混合光譜的基本概念二、混合光譜的成因分析三、線性光譜混合模型四、其它混合光譜模型,第四章第6節(jié)混合光譜模型,2,1.1混合光譜,成像光譜儀定標(biāo)像元灰度值與入瞳輻射值之間的聯(lián)系光譜重建像元入瞳輻射值與反射率的聯(lián)系高光譜特征選擇與提取基于像元光譜特征的可分性進(jìn)行降維影像分類給每個(gè)像元賦予一個(gè)類別標(biāo)識(shí)光譜匹配根據(jù)像元的光譜曲線判定屬性,回顧前面課程所學(xué)習(xí)的內(nèi)容：,一、混合光譜的基本概念,3,1.1混合光譜,一個(gè)像元能否真正的只代表一種地物目標(biāo)？,MODIS空間分辨率是多少？1km500m250m,250m*250m的空間范圍內(nèi)是否僅有一種地物？,一、混合光譜的基本概念,4,1.1混合光譜,影像,分類圖,一、混合光譜的基本概念,5,1.1混合光譜,遙感器所獲取的地面反射或發(fā)射信號(hào)是以像元為單位記錄的，它是像元所對(duì)應(yīng)地表物質(zhì)光譜信號(hào)的綜合。,每個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的地表，往往包含著不同的覆蓋成分，它們具有不同的光譜特征。而每個(gè)像元僅用一個(gè)信號(hào)記錄這些“異質(zhì)”成分，因此形成混合光譜現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的像元稱為混合像元。,混合光譜的定義：,一、混合光譜的基本概念,6,1.1混合光譜,混合光譜現(xiàn)象的存在，使制約遙感影像分類精度提高的重要原因。,一、混合光譜的基本概念,7,純凈像元是相對(duì)的，混合像元廣泛存在。,混合光譜現(xiàn)象并非僅僅在高光譜遙感中存在，在全色影像、多光譜影像中同樣存在。,思考:既然混合光譜問題普遍存在,為什么在高光譜遙感中得到重點(diǎn)關(guān)注?,一、混合光譜的基本概念,1.1混合光譜,8,進(jìn)入到像元內(nèi)部，地物的基本組成成分被稱為“端元”，每種成分的比例稱為“豐度”。,圖像端元（植被、水體）物理端元（高嶺土、明礬石等）,1.2端元與豐度,一、混合光譜的基本概念,9,朝陽面,土壤,陰影,1.2端元與豐度,一、混合光譜的基本概念,10,確定端元類型及相應(yīng)豐度的過程被稱為“光譜解混”或者“混合像元分解”。,1.2端元與豐度,一、混合光譜的基本概念,11,一、混合光譜的基本概念二、混合光譜的成因分析三、線性光譜混合模型四、其它混合光譜模型,第四章第6節(jié)混合光譜模型,12,CCD記錄能量=沙灘反射能量+河水反射能量,二、混合光譜的成因分析,2.1物質(zhì)混合因素,13,1.在IFOV所對(duì)應(yīng)的分辨單元內(nèi)，有多種物質(zhì)成分存在的空間混合；,物質(zhì)混合包含兩方面內(nèi)容：,2.在分辨單元內(nèi)，由于地形和陰影引起的照度差異。,二、混合光譜的成因分析,2.1物質(zhì)混合因素,14,物質(zhì)混合主要是一種累加效果，瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)總的光譜反射（發(fā)射）能量可近似等效為各種混合成分各自光譜反射（發(fā)射）能量的簡單相加。,二、混合光譜的成因分析,2.1物質(zhì)混合因素,15,大氣傳輸因素是指，由于大氣傳輸過程中的漫射、折射等效應(yīng)，會(huì)使得影像像元中包含了IFOV所對(duì)應(yīng)的地面分辨單元之外的地物信息，從而產(chǎn)生光譜混合。,像元信息與IFOV的不一致性,二、混合光譜的成因分析,2.2大氣傳輸因素,16,IFOV所對(duì)應(yīng)的反射能,3.鄰近地物的反射能,2.大氣程輻射能,二、混合光譜的成因分析,2.2大氣傳輸因素,17,二、混合光譜的成因分析,2.2大氣傳輸因素,18,由于成像光譜儀CCD焦平面技術(shù)的誤差、以及鏡頭光學(xué)傳輸系統(tǒng)以及儀器輻射傳輸系統(tǒng)的誤差，會(huì)使得在成像階段產(chǎn)生信號(hào)混合。,二、混合光譜的成因分析,2.3儀器因素,19,混合光譜成因類型：,儀器因素,大氣傳輸因素,物質(zhì)混合因素,二、混合光譜的成因分析,20,2.4混合像元的反射率表達(dá),二、混合光譜的成因分析,21,輻亮度關(guān)系,二、混合光譜的成因分析,2.4混合像元的反射率表達(dá),22,在混合光譜條件下，IFOV地面像元的表觀反射率等于各端元反射率按它們?cè)谙裨械拿娣e比的加權(quán)和，這是建立線性混合光譜模型的物理基礎(chǔ)。,二、混合光譜的成因分析,2.4混合像元的反射率表達(dá),23,在均勻光照明、表面較光滑的情況下，實(shí)驗(yàn)室和野外實(shí)驗(yàn)均已證明線性混合光譜關(guān)系的正確性。,由于物體表面復(fù)雜、地表大氣作用關(guān)系復(fù)雜、陰影以及儀器視場(chǎng)不均勻等原因產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，可能偏離線性模型，但基本上是符合的。,A線性模型與非線性效應(yīng),二、混合光譜的成因分析,2.4混合光譜模型類型,24,B.主要模型類型,線性模型概率模型幾何光學(xué)模型隨機(jī)幾何模型模糊分析模型,不同之處：其它地面特性和影像特征的影響。,二、混合光譜的成因分析,2.4混合光譜模型類型,25,C.考察地面差異性的方式,線性模型幾何光學(xué)模型隨機(jī)幾何模型概率模型模糊分析模型,二、混合光譜的成因分析,2.4混合光譜模型類型,26,一、混合光譜的基本概念二、混合光譜的成因分析三、線性光譜混合模型四、其它混合光譜模型,第四章第6節(jié)混合光譜模型,27,可以從如下三方面對(duì)線性光譜混合模型進(jìn)行描述：物理學(xué)代數(shù)學(xué)幾何學(xué),三、線性光譜混合模型,28,像元的混合光譜是像元內(nèi)部各物質(zhì)的“純”光譜的面積加權(quán)平均。,3.1物理學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,29,混合像元的光譜吸收、反射強(qiáng)度等于內(nèi)部各端元的光譜吸收、反射強(qiáng)度的相加。,3.1物理學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,30,遙感影像所獲取的像元光譜矢量C是其所有端元光譜矢量A（Endmenbermatrix）與各端元光譜豐度B（Endmenberabundance）矢量的乘積。,3.2代數(shù)學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,31,Boardman（1993）首先研究了高光譜數(shù)據(jù)在其特征空間中的單形體結(jié)構(gòu)，繼而引入了凸面幾何學(xué)的分析方法，開拓了從特征空間對(duì)光譜線性混合進(jìn)行詮釋的新道路。,3.3幾何學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,32,單形體：只有（n1）個(gè)頂點(diǎn)的凸面幾何體是n維空間中最簡單的形式，稱之為單形體（simplex）。,如一維空間中由兩個(gè)點(diǎn)確定的線段、二維空間中由三個(gè)點(diǎn)確定的三角形、三維空間中由四個(gè)點(diǎn)確定的四面體。,1維2頂點(diǎn),2維3頂點(diǎn),3維4頂點(diǎn),3.3幾何學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,33,高光譜圖像中的每個(gè)像元，都是其L維特征空間中的一個(gè)點(diǎn)（L為波段數(shù)），其中有一些稱之為端元的點(diǎn)構(gòu)成了高光譜圖像的基本元素，其余像元都可由這些點(diǎn)線性組合而成。,若有n個(gè)端元，則可構(gòu)成具有n-1維空間的凸面單形體，這些端元?jiǎng)t位于凸面單形體的頂面上，其余像元位于凸面體內(nèi)部。,3.3幾何學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,34,以2維（即兩個(gè)波段）3個(gè)端元的情況為例：,在二維空間內(nèi)，A、B、C三個(gè)端元位于分離的三個(gè)頂點(diǎn)，那么這三種物質(zhì)的各種混合像元的光譜都位于以這三個(gè)點(diǎn)為頂點(diǎn)的凸面單形體內(nèi)。,3.3幾何學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,35,只含有A、B兩種端元的混合像元混合像元D位于線段AB上，DB/AB=FA表示像元中組分所占比例。,D,3.3幾何學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,36,含有A、B、三種端元的混合像元像元E位于ABC內(nèi)，如E點(diǎn)。通過該點(diǎn)作三個(gè)邊的平行線，可以分別求得各組分物質(zhì)在像元中所占比例。,3.3幾何學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,37,以此可類推，兩個(gè)通道可解析出三個(gè)端元，三個(gè)通道可解析出四個(gè)端元，這四個(gè)端元為頂點(diǎn)構(gòu)成凸四面體，混合像元位于凸四面體內(nèi)部。,如果這四個(gè)端元點(diǎn)共面，則說明至少有一個(gè)端元不獨(dú)立，可以減少一個(gè)通道利用三角形來分析。,3.3幾何學(xué)描述,三、線性光譜混合模型,38,混合像元,僅利用（）式求解稱為無約束線性混合模型；,（）式加上條件（）式為部分約束混合模型；,（）式加上（）（）式為全約束混合模型。,3.4線性光譜混合模型一般形式,三、線性光譜混合模型,（）,（）,（3）,39,一、混合光譜的基本概念二、混合光譜的成因分析三、線性光譜混合模型四、其它混合光譜模型,第四章第6節(jié)混合光譜模型,40,該模型一般只在僅有兩種地物混合的條件下使用。利用線性判別分析和端元光譜產(chǎn)生一個(gè)判別值，根據(jù)該判別值對(duì)像元屬性進(jìn)行分析。,該模型實(shí)質(zhì)上是源于模式分類思想，屬于二類問題的判別。,四、其它混合光譜模型,4.1概率模型,41,Py小于，設(shè)為Py大于，設(shè)為,四、其它混合光譜模型,4.1概率模型,m,m,42,該模型針對(duì)冠狀植被地區(qū)，它把地面視為由樹及其投射的陰影組成,對(duì)樹冠形態(tài)進(jìn)行了參量化設(shè)置。,四、其它混合光譜模型,4.2幾何光學(xué)模型,43,森林中的地面通常不是裸土，而是草類等低矮植被。,四、其它混合光譜模型,4.2幾何光學(xué)模型,像元內(nèi)，地面被分成了四種狀態(tài)：光照植被面(C)陰影植被面(T)光照背景面(G)陰影背景面(Z),44,像元反射率：,四、其它混合光譜模型,4.2幾何光學(xué)模型,根據(jù)假設(shè)條件，求取KC、KT、KG、KZ的表達(dá)式，條件不同，面積比例K的表達(dá)式也不同。,參量反演的途徑：,KC=Ac/A,45,像元內(nèi)反射率同樣被表示為四種狀態(tài)的面積權(quán)重組合：,該模型與幾何光學(xué)模型相似，主要的應(yīng)用地區(qū)為土壤和植被區(qū)。,四、其它混合光譜模型,4.3隨機(jī)幾何模型,把大多數(shù)主要的土壤和植被參數(shù)當(dāng)成隨機(jī)變量處理，這樣便于消除一些次要參數(shù)空間波動(dòng)引起的地面差異性的影響。,46,剛性聚類,模糊聚類,問題,確定性的劃分為某一類,基于模糊聚類的思想產(chǎn)生,四、其它混合光譜模型,4.4模糊模型,47,端元,豐度,類別,隸屬度,混合像元的模糊模型和模糊聚類的關(guān)系,四、其它混合光譜模型,4.4模糊模型,48,小結(jié)一、混合光譜的