lesson

آموزش مقدماتی تجزیه و تحلیل طیفی فراطیفی

Ad
jabar majidi
اردیبهشت 1400
image

این آموزش شما را با ابزار تجسم و تجزیه و تحلیل، برای کار با داده های فرا طیفی آشنا می کند. در این آموزش موارد زیر بررسی می شود: الف_ تحلیل مشخصات داده های طیفی AVIRIS ب_ مقایسه طیف های تصویر با طیف های شناخته شده کتابخانه ج_ استخراج طیف های تصویر متوسط از مناطق مورد نظر (ROI) د_ طراحی تصاویر رنگی برای تشخیص کانی شناسی

این آموزش شما را با ابزار تجسم و تجزیه و تحلیل، برای کار با داده های فرا طیفی آشنا می کند. در این آموزش موارد زیر بررسی می شود:
الف_ تحلیل مشخصات داده های طیفی  AVIRIS
ب_ مقایسه طیف های تصویر با طیف های شناخته شده کتابخانه
ج_ استخراج طیف های تصویر متوسط از مناطق مورد نظر (ROI)
د_ طراحی تصاویر رنگی برای تشخیص کانی شناسی

از این آموزش با ENVI 5.1 یا بالاتر استفاده کنید. نام برخی از منو ها و ظاهر پنجره های، بسته به نسخه ای که استفاده می کنید متفاوت خواهد بود.

در تصویر یک مشخصات فایل استفاده شده نشان داده شده است(برای مشاهده ی تصاویر در پایین صفحه از دکمه ی تمام جزئیات استفاده کنید). همچنین از برخی از طیف های کتابخانه ای که همراه با نصب ENVI در اختیار کاربر قرار می گیرند، استفاده می شود. تصویری که در این تمرین استفاده شده توسط سنسور تصویربرداری فرو سرخ قابل مشاهده در هوا (AVIRIS) جمع آوری شده است. این تصویر در 8 آگوست 2011 از هواپیمای ER-2 جمع آوری شد.

پس زمینه:
سنسورهای ابر طیفی با تقسیم طیف به بسیاری از باندهای طیفی باریک، اطلاعات طیفی را در یک طیف پیوسته جمع آوری می کنند. طیف سنج های تصویربرداری هوا و ماهواره می توانند تا چند صد باند با وضوح طیفی 10 نانومتر (nm) یا حتی باریک تر داشته باشند. بعضی سنسورهای چند طیفی مانند Landsat 8 OLI دارای 9 باند طیفی و وضوح طیفی 106 نانومتر است.
وضوح طیفی به عرض هر باند در طیف گرفته شده اشاره دارد.  این به عنوان توسط پهنای کامل از نصف حداکثر(FWHM) شناخته می شود. نمونه گیری طیفی مفهوم جداگانه ای است که به فاصله باند یا کمی سازی طیف در مراحل گسسته اشاره دارد. طیف سنج های با کیفیت معمولاً به گونه ای طراحی می شوند که فاصله باند تقریباً برابر با FWHM باشد، و این توضیح می دهد که چرا نمونه برداری طیفی غالباً با وضوح طیفی استفاده می شود.
تصویر نشان می دهد که چگونه یک پیکسل معین از یک تصویر چند طیفی فقط باندهای طیفی گسسته را پوشش می دهد. اگرچه می تواند باندهای زیادی را پوشش دهد که برای طیف حرارتی قابل مشاهده است، اما نمی تواند مانند یک سنسور ابرطیف یک طیف مداوم از یک جسم تولید کند.

وضوح طیفی مورد نیاز برای یک سنسور خاص به خصوصیات طیفی ماده ای که می خواهید شناسایی کنید بستگی دارد. هر ماده مشخصه ی طیفی منحصر به فردی را در طیف الکترومغناطیسی به نمایش می گذارد. عواملی که روی طیف ماده تأثیر می گذارند شامل ترکیب(composition)، ساختار(crystallinity)، اندازه دانه(grain size)، هندسه مشاهده و میزان اختلاط (mixture)هستند.
وضوح طیفی بالا از یک طیف سنج تصویری به شما امکان می دهد مواد را شناسایی کنید، در حالی که سنسورهای باند پهن مانند Landsat TM فقط به شما امکان می دهد بین مواد تفاوت قائل شوید. این مفاهیم را در مراحل بعدی بررسی می شوند.

تمرین 1: مشاهده طیف مواد
در این تمرین، پروفیل های طیفی پیکسل ها را در یک تصویر بازتابی تجزیه و تحلیل می شوند، سپس با طیف کتابخانه ای از مواد شناخته شده مقایسه خواهند شد. تجزیه و تحلیل داده های ابرطیفی معمولاً شامل داده های بازتاب آشکار است، جایی که تصاویر ممکن است به دلیل توپوگرافی تغییراتی در نور داشته باشند.  در داده های بازتابی، مقادیر پیکسل معمولاً از 0 تا 1 است اما اغلب توسط برخی از فاکتورها مقیاس بندی می شوند تا داده های عدد صحیح را بدست آورند.

1_ انوی را باز کنید

2_ در قسمت toolbar بر روی open کلیک کنید

3_ تصور مورد نظر خود را انتخاب کرده و روی Open کلیک کنید. با توجه به تصویر AVIRIS از 224 باند این صحنه ENVI، به طور خودکار بهترین باند ها را برای یک نمایشگر با رنگ واقعی تعیین می کند. در این حالت ، باند 29 را به قرمز، باند 20 را به سبز و باند 12 را به آبی اختصاص می دهد. این ترکیب باند تضاد رنگی خوبی را در بین مواد مختلف صحنه ایجاد نمی کند. دقت کنید با توجه با تصویری که انتخاب می کنید، باند ها و ترکیبات رنگی متفاوت خواهند بود.

4_ در toolbar بر روی data manager کلیک کنید

5_از لیست باندهای موجود در تصویر پیمایش کنید. برای تعیین نام آنها به ترتیب به باند های قرمز، سبز و آبی، روی نامهای باند زیر کلیک کنید:
FLAASH (Band 183...)
FLAASH (Band 193...)
FLAASH (Band 207...)

6_ روی دکمه Load Data در Data Manager کلیک کنید. ترکیب باند حاصل تضاد رنگی بهتری را در کل صحنه فراهم می کند.

7_ data manager را ببندید

مشاهده ی طیف تصویر:
ENVI می تواند پروفایل های افقی(x)، عمودی(y) و طیفی(z) را از هر تصویری استخراج کند. تجزیه و تحلیل داده های فرا طیفی در درجه اول مربوط به استخراج پروفیل های طیفی است که اطلاعات طیفی را از کل پرونده و نه فقط باندهای نمایش داده شده روی صفحه می گیرد. به عنوان مثال، پرونده CupriteReflectance.dat حاوی 170 باند داده "خوب" است، بنابراین یک پروفایل طیفی برای هر پیکسل مشخص، بازتابی برای همه 170 باند را نشان می دهد.

1_ در Layer Manager، بر روی تصویر خود راست کلیک کرده و Profiles> Spectral Profile را انتخاب کنید. درون تصویر یک نقطه سفید کوچک وجود دارد که با چهار گوشه سفید احاطه شده است. نقطه پیکسل انتخاب شده مشخصات طیفی طیف آن را نشان می دهد.

2_ به شکل منحنی بازتاب در پنجره مشخصات طیفی توجه کنید. شکاف ها نشان دهنده نوارهایی است که در پرونده هدر ENVI به عنوان "بد" مشخص شده اند. اینها عمدتاً نوارهای بخار آب هستند(تصویر3).

3_ برای انتخاب پیکسل متفاوت، در هر نقطه از تصویر کلیک کنید. مشخصات طیف برای نشان دادن طیف آن پیکسل به روز می شود.

4_ روی پیکان نمایش در سمت راست پروفایل طیفی کلیک کنید. یک نمودار با نام طیف و محل پیکسل ظاهر می شود: به عنوان مثال، CupriteReflectance (261 ، 393). همچنین می توانید از این پنل برای تنظیم ویژگی های نمودار استفاده کنید.

5_ برای پاک کردن پروفایل طیفی بر روی remove all کلیک کنید.

6_ در قسمت Go To از نوار ابزار ENVI، مختصات جغرافیایی را تایپ کرده و کلید Enter را فشار دهید. نمایشگر بر روی یک قسمت مشخص شده قرار دارد. مشخصات طیفی با طیف آن مکان پیکسل به روز می شود. این طیف ماده ناشناخته ای را نشان می دهد. در مرحله بعدی این طیف با یک طیف کتابخانه ای که نمایانگر داده های زمین است مقایسه می شود.

مشاهده ی کتاب خانه ی طیفی:
یک عمل معمول در تجزیه و تحلیل داده های فرا طیفی، مقایسه طیف های بدست آمده از داده های تصویر با آنهازیف هایی است که در  آزمایشگاه جمع آوری شده اند. با این کار می توانید طیف های تصویر را به سرعت با مواد شناخته شده مقایسه کنید. وقتی طیف ها در همان پنجره ترسیم می شوند، ویژگی های جذب و بازتاب به راحتی مقایسه می شوند.
چندین گروه از طیف آزمایشگاهی آزمایشگاه پیشرانه جت NASA (JPL)، دانشگاه جان هاپکینز (JHU) و سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) همراه با نصب ENVI شما هستند.
پوشه aster شامل کتابخانه طیفی ASTER (نسخه 2) است که شامل هزاران طیف آزمایشگاهی از مواد طبیعی و ساخت بشر با دقت 400 تا 1540 نانومتر است. این پوشه شامل طیفهای JPL و JHU است. کتابخانه های طیفی در قالب کتابخانه طیفی انوی(.sli) ذخیره می شوند.

1_ در  قسمت menu به مسیر Display > Spectral Library Viewer بروید.

2_ در سمت چپ Spectral Library Viewer ، پوشه igcp264 را باز کنید.

3_ مجموعه igcp_1.sli را باز کنید.

4_ با توجه به نیاز خود بر روی یکی از طیف ها کلیک کنید و شکل و جزئیات منحنی بازتاب را یادداشت کنید. همچنین توجه داشته باشید که چگونه واحدهای X و Y نمودار کتابخانه طیفی متفاوت از طیف های تصویر در نیمرخ طیفی هستند.

5_برای دیدن نمودار طیف انتخاب شده(در این مثال کائولینیت)، روی دکمه Show در Spectral Library Viewer کلیک کنید.

6_ نام طیف KAOLINITE_KL500 را از کلید نمودار Spectral Library Viewer انتخاب کرده و به کادر Spectral Profile بکشید.

7_ طیف KAOLINITE_KL500 را در کلید نمودار مشخصات نمودار طیفی انتخاب کرده و برگه Curve را انتخاب کنید. رنگ آن را به آبی تغییر دهید.

8_ Continuum removal یک ابزار تجسم قدرتمند برای تجزیه و تحلیل طیفی، به ویژه برای ویژگی های جذب است. این الگریتم مشخصه طیفی را عادی می کند تا بتوانید ویژگی های جذب فردی را از یک خط پایه مشترک مقایسه کنید. لیست کشویی Y: Data Value را انتخاب کرده و Continuum Removed را انتخاب کنید. مشخصات طیفی باید مانند تصویر 4 باشد.

9_ در محدوده طول موج 2000 تا 2500 نانومتر بزرگنمایی کنید(تصویر 5). اگر ماوس شما دارای چرخ اسکرول است، روی پنجره نمودار کلیک کنید و چرخ را برای بزرگنمایی بچرخانید. یا چرخ اسکرول را کلیک کرده و بکشید تا جعبه ای را در اطراف منطقه مورد نظر برای بزرگنمایی ترسیم کنید.

ویژگی های جذب دوگانه نزدیک به 2200 نانومتر نقطه مرجع خوبی برای مقایسه طیف های تصویر با طیف های کتابخانه است. در مثال بالا، شکل منحنی بازتاب کانی کائولینیت با طیف تصویر مطابقت دارد.
می توانید طیف مواد شناخته شده دیگر را از کتابخانه طیفی نمایش دهید، اما با وجود صدها طیف موجود، این فرایند می تواند زمانبر باشد. ENVI دارای ابزارهای طیفی پیشرفته ای نظیر Spectral Feature Fitting (SFF) ، Spectral Angle Mapper (SAM) و Spectral Information Divergence (SID) است که می تواند شباهت بین یک ماده ناشناخته و یک ماده مرجع را اندازه گیری کند(برای دیافت ویدیو آموزش این مباحث به بخش آموزش ها مراجعه کنید).

تمرین 3: جدایش کانی شناسی
در این تمرین، تصاویر رنگی برای کمک به تفکیک مواد معدنی طراحی می شوند.

1_ بر روی طیف مورد نظر([1] CupriteReflectance) در Layer Manager کلیک راست کرده و Profiles> Spectral Profile را انتخاب کنید.

2_ در toolbar بر روی select کلیک راست کنید

3_ بر روی ROI قرمز که نمایانگر کائولینیت در قسمت پایین/مرکز تصویر است کلیک کنید. مشخصات طیفی طیف مربوط به آن مکان پیکسل را نشان می دهد

4_ داخلپروفایل طیفی کلیک راست کرده و RGB Bars را انتخاب کنید. میله های عمودی قرمز، سبز و آبی در داخل طرح ظاهر می شوند تا طول موج های اختصاص یافته به هر باند را نشان دهند. این یک ابزار تجسم سریع است. اگر به لایه [1] CupriteReflectance.dat در Layer Manager نگاه کنید (ممکن است لازم باشد در Layer Manager به سمت راست پیمایش کنید)، می توانید باندهای خاص اختصاص داده شده به قرمز، سبز و آبی را ببینید: 2088.4851 نانومتر، 2188.4890 نانومتر، و به ترتیب 2328.1069 نانومتر. میله های رنگی در نمودار مشخصات طیفی این موضوع را تأیید می کند(تصویر 6).
می توانید میله های رنگی را کلیک کرده و بکشید تا آنها را به باند های دیگر تغییر دهید. این یک روش خوب برای بهبود نمایش مواد معدنی خاص با قرار دادن یک نوار رنگ در یک ویژگی جذب و دو مورد دیگر روی شانه های مقابل ویژگی است.

5_ در محدوده طول موج 2000 تا 2500 نانومتر بزرگنمایی کنید. اگر ماوس شما دارای چرخ اسکرول است، روی پنجره نمودار کلیک کنید و چرخ را برای بزرگنمایی بچرخانید. یا چرخ اسکرول را کلیک کرده و بکشید تا جعبه ای را در اطراف منطقه مورد نظر برای بزرگنمایی ترسیم کنید.

6_ برای مخفی کردن منطقه مورد نظر(ROI)، روی disable کلیک کنید

7_ میله های قرمز، سبز و آبی را کلیک کرده و به محلی که در تصویر 7 نشان داده شده بکشید.

8_ در پروفایل طیفی کلیک راست کرده و Load New Band Combination را انتخاب کنید. از آنجا که باند سبز ویژگی جذب است، مقادیر باند سبز کم خواهد بود. باند قرمز و آبی بازتاب بالاتری(و تقریباً برابر) دارند و در نتیجه در مناطقی که کائولینیت فراوان است، پیکسل ها بنفش دیده می شوند.

GeoRS.ir

شبکه ی اجتماعی ما:

آپارات اینستاگرام