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1、武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感第6节 混合光谱模型 武汉大学遥感信息工程学院武汉大学遥感信息工程学院龚龚 龑龑高光谱遥感高光谱遥感第四章第四章 高光谱数据处理高光谱数据处理1PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感一、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四章 第第6节节 混合光谱模型混合光谱模型2PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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

2、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3PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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4PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感影像分类图 无论将其划归为水体还是桥梁都是不无论将其划归为水体还是桥梁都是不正确的正确的.一、混合光谱的基本概念1.1混合光谱5PPT课件武汉大学武汉大学

3、龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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“异质异质”成分，因此形成现象，对应的像元称为。混合光谱的定义：一、混合光谱的基本概念1.1混合光谱6PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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7PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱

4、遥感 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8PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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9PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感朝阳面土壤阴影阴影1.2端元与丰度一、混合光谱的基本概念10PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高

5、光谱遥感高光谱遥感 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11PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感一、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四章 第第6节节 混合光谱模型混合光谱模型12PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感沙滩河水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13PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感1.在I

6、FOV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14PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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15PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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

7、息与像元信息与IFOVIFOV的不一致性的不一致性二、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。16PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感1.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17PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感大气传输因素AAAAAAAAB地面分辨单元AAAAAAAAA+B影像像元二、混合光谱的成因分析2.2大气传输因素18PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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

8、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19PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感混合光谱成因类型：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20PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感2.4混合像元的反射率表达121212IFOVA,.,.mmmLLLA AAAAAA 在地面像元的视面积 上有m种物质(端元),其辐亮度为(),(),.,(),他们的IFOV视面积分别为并且1212,.,1mmmiii=1AAAFFF

9、AAAFF 表示各端元在像元中的视面积比 二、混合光谱的成因分析21PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感1122IFOVmmALA LA LAL 探测器所接收的辐射强度等于视面积内所有端元的辐射强度累加的结果.各端元的辐射强度为(),(),.,()像元总的辐射强度为()辐射强度与辐亮辐射强度与辐亮度的关系度的关系111mmiiiiiimiiiALA LAF LLF L ()=()()因此,()()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22PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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

10、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。11mDDiiimiiiEELFF 用反射率形式表示为:()()()()()即 ()=()辐照度与辐亮度辐照度与辐亮度的关系的关系二、混合光谱的成因分析2.4混合像元的反射率表达23PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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24PPT课件武

11、汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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25PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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26PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感一、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、

12、其它混合光谱模型第四章第四章 第第6节节 混合光谱模型混合光谱模型27PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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28PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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29PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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30PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感

13、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Amnn1m1各端元丰度B 像元光谱矢量Cm-波段数n-端元数3.2代数学描述三、线性光谱混合模型31PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 Boardman（1993）首先研究了高光谱数据在其特征空间中的结构，继而引入了的分析方法，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32PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 单形体：

14、只有（n1）个顶点的凸面几何体是n 维空间中最简单的形式，称之为单形体单形体（simplex）。如一维空间中由两个点确定的如一维空间中由两个点确定的线段线段、二维空间中由三个点确定的二维空间中由三个点确定的三角形三角形、三维、三维空间中由四个点确定的空间中由四个点确定的四面体四面体。1维 2顶点2维 3顶点3维维 4顶点顶点3.3几何学描述三、线性光谱混合模型33PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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 n个端元，

15、则可构成具有n-1n-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34PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感以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23.3几何学描述三、线性光谱混合模型35PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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=FA 表示像元中组分所占比例。D

16、 D端元B端元C端元A通道1通道23.3几何学描述三、线性光谱混合模型36PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感 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。FA=100%FA=75%FA=50%FA=25%FA=0%BCA通道1通道23.3几何学描述三、线性光谱混合模型E37PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感以此可类推，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

17、立，可以减少一个减少一个通道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38PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感11101NiiNiiipciccenEc n混合像元端元向量丰度误差项仅利用（）式求解称为无约束无约束线性混合模型；（）式加上条件（）式为部分约束部分约束混合模型；（）式加上（）（）式为全约束全约束混合模型。3.4线性光谱混合模型一般形式三、线性光谱混合模型（）（）（3）39PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感一、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四章 第第6节节 混合光

18、谱模型混合光谱模型40PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感该模型一般只在仅有两种地物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41PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感,(,)(,)0.50.5(,)XYd m xd m yd x yy 假设端元为 和可用下式表示其中一个端元在混合像元中的比例:P (,)(,)(,)d m xmxd m ymyd x yxy表示像元 与端元 之间的距离表示像元 与端元 之间的距离表

19、示端元 与 之间的距离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mxy0.5m42PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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43PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感四、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)44PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感,cTGZcTGZRRRRAAAA,表示四种状态下的反射率，表

20、示四种状态所占的面积ccTTGGZZ R=(A R+A R+A R+A R)A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45PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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。()()()i()iiiiii Rx=f x RxxRxf x（，），表示波长表示像元中心位置坐标，表示第 类覆盖体的平均反射率表示在x位置第 类组分的百分比四、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参数当成随机变量处理，这样便于消除一些次要参

21、数空间波动引起的地面差异性的影响。46PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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47PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感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48PPT课件武汉大学武汉大学 龚龑龚龑高光谱遥感高光谱遥感小结一、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49PPT课件