混合光谱模型.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,武汉大学 龚龑,高光谱遥感,第6节 混合光谱模型,武汉大学遥感信息工程学院,龚 龑,高光谱遥感,第四章 高光谱数据处理,1,一、混合光谱的基本概念,二、混合光谱的成因分析,三、线性光谱混合模型,四、其它混合光谱模型,第四章 第6节 混合光谱模型,2,1.1混合光谱,成像光谱仪定标,像元灰度值与入瞳辐射值之间的联系,光谱重建,像元入瞳辐射值与反射率的联系,高光谱特征选择与提取,基于像元光谱特征的可分性进行降维,影像分类,给每个像元赋予一个类别标识,光谱匹配,根据像元的光谱曲线判定属性,回顾前面课程所学习的内容：,一切分析皆基于像元进行,一、混合光谱的基本概念,3,一个像元能否真正的只代表一种地物目标？,MODIS,空间分辨率是多少？,1km 500m 250m,250m,*,250m,的空间范围内是否仅有一种地物？,一、混合光谱的基本概念,1.1混合光谱,4,影像,分类图,无论将其划归为水体还是桥梁都是不正确的.,一、混合光谱的基本概念,1.1混合光谱,5,遥感器所获取的地面反射或发射信号是以像元为单位记录的，它是像元所对应地表物质光谱信号的综合。,每个像元所对应的地表，往往包含着不同的覆盖成分，它们具有不同的光谱特征。而每个像元仅用一个信号记录这些“,异质,”成分，因此形成,混合光谱,现象，对应的像元称为,混合像元,。,混合光谱的定义：,一、混合光谱的基本概念,1.1混合光谱,6,混合光谱现象的存在，使制约遥感影像分类精度提高的重要原因。,为了提高遥感影像应用的精度，就必须解决混合像元问题。,像元级,亚像元级,一、混合光谱的基本概念,1.1混合光谱,7,纯净像元是相对的，混合像元广泛存在。,混合光谱现象并非仅仅在高光谱遥感中存在，在全色影像、多光谱影像中同样存在。,思考:既然混合光谱问题普遍存在,为什么在高光谱遥感中得到重点关注?,一、混合光谱的基本概念,1.1混合光谱,8,进入到像元内部，地物的基本组成成分被称为“端元”，每种成分的比例称为“丰度”。,图像端元（植被、水体）,物理端元（高岭土、明矾石等）,1.2端元与丰度,一、混合光谱的基本概念,9,朝阳面,土壤,阴影,1.2端元与丰度,一、混合光谱的基本概念,10,确定端元类型及相应丰度的过程被称为“光谱解混”或者“混合像元分解”。,光谱混合原理、混合的描述方式,分解方式、分解算法,（下一讲）,1.2端元与丰度,一、混合光谱的基本概念,11,一、混合光谱的基本概念,二、混合光谱的成因分析,三、线性光谱混合模型,四、其它混合光谱模型,第四章 第6节 混合光谱模型,12,沙滩,河水,CCD记录能量,=沙滩反射能量+河水反射能量,二、混合光谱的成因分析,2.1物质混合因素,13,1.在IFOV所对应的分辨单元内，有多种物质成分存在的空间混合；,物质混合包含两方面内容：,2.在分辨单元内，由于地形和阴影引起的照度差异。,二、混合光谱的成因分析,2.1物质混合因素,14,物质混合主要是一种累加效果，瞬时视场内总的光谱反射（发射）能量可近似等效为各种混合成分各自光谱反射（发射）能量的简单相加。,二、混合光谱的成因分析,2.1物质混合因素,15,大气传输因素是指，由于大气传输过程中的漫射、折射等效应，会使得影像像元中包含了IFOV所对应的地面分辨单元之外的地物信息，从而产生光谱混合。,像元信息与IFOV的不一致性,二、混合光谱的成因分析,2.2大气传输因素,地面分辨单元内的地物是纯净的，仍会有混合光谱现象。,16,IFOV,所对应的反射能,3.邻近地物的反射能,2.大气程辐射能,二、混合光谱的成因分析,2.2大气传输因素,17,大气传输因素,A,A,A,A,A,A,A,A,B,地面分辨单元,A,A,A,A,A,A,A,A,A+B,影像像元,二、混合光谱的成因分析,2.2大气传输因素,18,由于成像光谱仪CCD焦平面技术的误差、以及镜头光学传输系统以及仪器辐射传输系统的误差，会使得在成像阶段产生信号混合。,二、混合光谱的成因分析,2.3仪器因素,19,混合光谱成因类型：,仪器因素,大气传输因素,物质混合因素,非线性因素,线性因素,光学系统的校准,辐射传输的定标,在地物光谱重建过程中加以考虑,重点考虑因素,二、混合光谱的成因分析,20,2.4混合像元的反射率表达,二、混合光谱的成因分析,21,辐射强度与辐亮度的关系,辐亮度关系,二、混合光谱的成因分析,2.4混合像元的反射率表达,22,在混合光谱条件下，IFOV地面像元的表观反射率等于各端元反射率按它们在像元中的面积比的,加权和,，这是建立线性混合光谱模型的物理基础。,辐照度与辐亮度的关系,二、混合光谱的成因分析,2.4混合像元的反射率表达,23,在均匀光照明、表面较光滑的情况下，实验室和野外实验均已证明线性混合光谱关系的正确性。,由于物体表面复杂、地表大气作用关系复杂、阴影以及仪器视场不均匀等原因产生的非线性效应，可能偏离线性模型，但基本上是符合的A 线性模型与非线性效应,二、混合光谱的成因分析,2.4混合光谱模型类型,24,B.主要模型类型,线性模型 概率模型 几何光学模型 随机几何模型 模糊分析模型,相同之处：都考察端元组分与丰度的关系。,不同之处：其它地面特性和影像特征的影响。,二、混合光谱的成因分析,2.4混合光谱模型类型,25,C.考察地面差异性的方式,线性模型 几何光学模型 随机几何模型 概率模型,模糊分析模型,视为残差,基于地面几何形状,基于概率考虑,二、混合光谱的成因分析,2.4混合光谱模型类型,26,一、混合光谱的基本概念,二、混合光谱的成因分析,三、线性光谱混合模型,四、其它混合光谱模型,第四章 第6节 混合光谱模型,27,可以从如下三方面对线性光谱混合模型进行描述：,物理学,代数学,几何学,三、线性光谱混合模型,28,像元的混合光谱是像元内部各物质的“纯”光谱的面积加权平均。,3.1物理学描述,三、线性光谱混合模型,29,混合像元的光谱吸收、反射强度等于内部各端元的光谱吸收、反射强度的相加。,3.1物理学描述,三、线性光谱混合模型,30,遥感影像所获取的像元光谱矢量C是其所有端元光谱矢量A（Endmenber matrix）与各端元光谱丰度B（Endmenber abundance）矢量的乘积。,端元光谱矢量A,m,n,n,1,m,1,各端元丰度B,像元光谱矢量C,m-,波段数,n,-端元数,3.2代数学描述,三、线性光谱混合模型,31,Boardman（1993）首先研究了高光谱数据在其特征空间中的,单形体,结构，继而引入了,凸面几何学,的分析方法，开拓了从特征空间对光谱线性混合进行诠释的新道路。,几何,光谱特征空间,立足于,3.3几何学描述,三、线性光谱混合模型,32,单形体：只有（n1）个顶点的凸面几何体是n 维空间中最简单的形式，称之为,单形体,（simplex）。,如一维空间中由两个点确定的,线段,、二维空间中由三个点确定的,三角形,、三维空间中由四个点确定的,四面体,。,1维 2顶点,2维 3顶点,3维 4顶点,3.3几何学描述,三、线性光谱混合模型,33,高光谱图像中的每个像元，都是其L维特征空间中的一个点（L为波段数），其中有一些称之为,端元,的点构成了高光谱图像的,基本元素,，其余像元都可由这些点线性组合而成。,若有,n,个端元，则可构成具有,n-1,维空间的凸面单形体，这些端元则位于凸面单形体的顶面上，其余像元位于凸面体内部。,3.3几何学描述,三、线性光谱混合模型,34,以2维（即两个波段）3个端元的情况为例：,在二维空间内，A、B、C三个端元位于分离的三个顶点，那么这三种物质的各种混合像元的光谱都位于以这三个点为顶点的凸面单形体内。,端元B,端元C,端元A,混合像元,通道1,通道2,3.3几何学描述,三、线性光谱混合模型,35,只含有,A,、,B,两种端元的混合像元,混合像元,D,位于线段,AB,上，,DB/AB=F,A,表示像元中组分所占比例。,D,端元B,端元C,端元A,通道1,通道2,3.3几何学描述,三、线性光谱混合模型,36,含有,A,、,B,、三种端元的混合像元,像元,E,位于,ABC,内，如,E,点。,通过该点作三个边的平行线，可以分别求得各组分物质在像元中所占比例。,F,A,=100%,F,A,=75%,F,A,=50%,F,A,=25%,F,A,=0%,B,C,A,通道1,通道2,3.3几何学描述,三、线性光谱混合模型,E,37,以此可类推，两个通道可解析出三个端元，,三个通道可解析出四个端元，这四个端元为顶点构成凸四面体混合像元位于凸四面体内部。,如果这四个端元点共面，则说明至少有一个端元不独立，可以,减少一个通道,利用三角形来分析。,3.3几何学描述,三、线性光谱混合模型,38,混合像元,端元向量,丰度,误差项,仅利用（）式求解称为,无约束,线性混合模型；,（）式加上条件（）式为,部分约束,混合模型；,（）式加上（）（）式为,全约束,混合模型。,3.4线性光谱混合模型一般形式,三、线性光谱混合模型,（）,（）,（3）,39,一、混合光谱的基本概念,二、混合光谱的成因分析,三、线性光谱混合模型,四、其它混合光谱模型,第四章 第6节 混合光谱模型,40,该模型一般只在仅有,两种地物,混合的条件下使用。利用,线性判别分析,和端元光谱产生一个判别值，根据该判别值对像元属性进行分析。,该模型实质上是源于模式分类思想，属于二类问题的判别。,四、其它混合光谱模型,4.1概率模型,41,Py小于，设为,Py大于，设为,四、其它混合光谱模型,4.1概率模型,m,x,y,0.5,m,42,该模型针对冠状植被地区，它把地面视为由树及其投射的阴影组成,对树冠形态进行了参量化设置。,四、其它混合光谱模型,4.2几何光学模型,43,森林中的地面通常不是裸土，而是草类等低矮植被。,四、其它混合光谱模型,4.2几何光学模型,像元内，地面被分成了四种状态：,光照植被面(C),阴影植被面(T),光照背景面(G),阴影背景面(Z)44,像元反射率：,是地形、树形、方向的函数,四、其它混合光谱模型,4.2几何光学模型,根据假设条件，求取K,C,、K,T,、,K,G,、,K,Z,的表达式，条件不同，面积比例 K 的表达式也不同。,参量反演的途径：,K,C,=A,c,/A,45,像元内反射率同样被表示为四种状态的面积权重组合：,该模型与几何光学模型相似，主要的应用地区为土壤和植被区。,四、其它混合光谱模型,4.3 随机几何模型,把大多数主要的土壤和植被,参数当成随机变量,处理，这样便于消除一些次要参数空间波动引起的地面差异性的影响。,46,刚性聚类,模糊聚类,问题,确定性的划分为某一类,隶属度问题,属于某一类的概率,某一类的比例,基于模糊聚类的思想产生,四、其它混合光谱模型,4.4模糊模型,47,端元,丰度,类别,隶属度,混合像元的模糊模型和模糊聚类的关系,图像端元,四、其它混合光谱模型,4.4模糊模型,48,小结,一、混合光谱的基本概念,1.1混合光谱,1.2端元,1.3丰度,二、混合光谱的成因分析,2.1物质混合 线性因素,2.2大气传输 非线性,2.3仪器因素 非线性,2.4表观反射率的混合像元表达,2.5 混合光谱模型类型,三、线性光谱混合模型,3.1线性光谱混合模型的物理学描述,3.2线性光谱混合模型的代数学描述,3.3线性光谱混合模型的几何学描述,3.4线性光谱混合模型分析,四、其它混合光谱模型,4.1概率模型,4.2几何光学模型,4.3随机几何模型,49,