1、实验四 海洋表面动力地形卫星测量分解测绘工程学院海洋遥感应用技术实验报告实验名称：实验四 海洋表面动力地形卫星测量姓 名： 管明雷 学 号： 141003105 班 级： 海洋101 指导教师： 彭红春 日 期： 实验报告成绩：地理信息系统实验室 2012-2013学年第二学期 实验四 海洋表面动力地形卫星测量1、实验目的 1.掌握ENVI 雷达数据分析功能的使用2、实验数据 使用的数据是加州 Death Valley地区的 Radar-C（SIR-C）雷达数据。该数据是搭载在 Space Shuttle Endeavor 飞行器上的SIR-C 传感器于1994 年4 月获取的。 3、实验步骤
2、一、 背景知识：SIR-C 和SAR SIR-C是一个极化的合成孔径雷达（polarimetric synthetic aperture radar ），它使用两个微波波长：L- 波段（24cm）和C-波段（6cm ）。SIR-C 雷达系统是作为科学试验，搭载在Space Shuttle Endeavor 飞行器上，分别在1994年四月（SRL-1 ）和八月（SRL-2 ）采集了全球许多地区高质量的SAR 影像数据（第二个雷达系统“X-SAR ”也搭载在该飞行器上，但是在这里我们不会讨论或者处理这些数据）。 1、分析SIR-C 数据 本专题使用的数据是SIR-C 数据L- 波段“Single
3、Look Complex （SLC ）”的子集，它覆盖了 Death Valley地区的北部，包括 Stovepipe Wells、一个活跃的沙丘地带以及山脉向外延伸的冲积扇（alluvial fans ）。这些数据都经过了预先处理，从磁带上读取并提取子集，再多视（multilooking）处理成 13m （平均而言）的矩形像元。这些提供的数据都采用了ENVI 特定的“压缩数据产品（.cdp）”格式，该格式是非成像格式，同磁带格式有些相似，它们不能够直接被查看，除非“合成”为具体的极化影像。 2、读取SIR-C 的CEOS 磁带数据 3、多视SIR-C 数据 多视（Multilooking）是
4、一种减少 SAR 数据中斑点噪声，改变 SAR 文件大小的方法。SIR-C 数据可以在指定的视数、行列数或者方位和距离分辨率下进行查看。 注意：本专题使用的 SIR-C 文件是单视角的数据集，它的距离分辨率（range resolution ）为13m ，方位分辨率（azimuth resolution ）为5m。我们已经进行了多视处理，使得航向方向的像元大小为13m 。为了使SIR-C数据处理过程完整，这里将包含多视处理的指导说明。要对数据进行多视化处理： （1）选择Radar Polarimetric ToolsMultilook Compressed Data SIR-C Multilo
5、ok 。 （2）当Input Data Product Files对话框出现在屏幕上后，点击Open File，选要输入的文件。 ENVI 会探测该文件是否包含L- 或者C-波段的数据，并在对话框相应的区域中显示出文件名。 （3）点击OK。 （4）通过选择紧靠文件名的矩形框，选取要进行多视处理的文件。可以选择多个文件进行处理。 （5）输入下面三个值之一：视数、像元数或者像素大小，然后其它的两个就会被自动地计算出来。这个过程既支持整型也支持浮点型的视数。 （6）在Samples （range）和Lines（azimuth）对应的文本框中输入所需的数值。 （7）在合适的文本框中输入基准文件名（ba
6、se filename ），然后点击OK。 二、合成影像 本专题提供的SIR-C 的四重极化数据以及喷气式实验室（JPL ）磁带上可用的数据都是非成像压缩格式的数据。因此，SIR-C 数据的影像必须通过压缩散射矩阵数据算术的合成计算出来。可以根据需要合成任何发送和接收到的极化组合。 1.选择Radar Polarimetric Tools Synthesize SIR-C Data 。 2.当Input Product Data Files 对话框出现在屏幕上后，点击 Open File按钮，打开一个标准的文件选择对话框，选择进入envidata/ndv_sirc子目录。 3. 从列表中选择文
7、件ndv_l.cdp。当文件名出现在Selected Files L: 区域中后，点击OK。接着Synthesize Parameters 对话框出现在屏幕上（见上图）。 （图1 Input Product Data Files）4.按“OK” （图2 Synthesize Parameters 对话框 ）三、 默认极化组合 四种标准的发送/ 接收极化组合（HH、VV、HV 以及TP）会列出在Synthesize Parameters 对话框的“Select Bands to Synthesize”区域中。默认情况下，这些波段都会被选取进行合成。 1.在Enter Output Filenam
8、e 区域中，输入带完成路径的输出文件名ndv_l.syn。 2.从Output Data Type 下拉式菜单中选择 Byte 。这将把输出数据转换为字节型数据。选择合适的选项，点击OK。 注意：如果要进行定量的分析，那么输出的数据必须保留为浮点型的格式。 四、 显示影像 1. 点击可用波段列表对话框中的波段名L-TP: ndv_l.syn，然后点击 Load Band 。SIR-C 的L- 波段全能量影像会显示在一个新的显示窗口中。 2. 使用Scroll 和Zoom 窗口，查看影像。 3. 从主影像显示窗口菜单栏中选择Enhance Interactive Stretching。接着包含影
9、像数据直方图的一个窗口会出现在屏幕上。 该直方图的显示窗口在文本框中显示出了应用到输入直方图上的当前拉伸（垂直虚线之间）以及相应的DN值。 4. 使用鼠标左键点击并拖动垂直虚线，或者在相应的文本框中输入所需的DN值，改变拉伸的范围。 5. 在对话框左边的文本框中输入5 ，在右边的文本框中输入 95 。 （ 图3 L-TP: ndv_l.syn ）（图4 影像数据直方图）6. 选择Stretch Type Gaussian（初始设置是Linear ），这将把高斯（Gaussian）对比度拉伸自动地运用到影像中，5 的最高和最低像素值都会被忽略掉。 （图5 高斯（Gaussian）对比度拉伸结果）
10、7. 尝试比较线性（linear）拉伸和平方根（square-root ）拉伸的不同之处。 8. 要显示彩色合成影像，可以选择可用波段列表对话框中RGB Color 单选按钮。 9. 接着点击波段名L-HH：ndv_l.syn ，L-VV ：ndv_l.syn 和L-HV ：ndv_l.syn 。 10. 从可用波段列表的Display下拉式菜单中，选择New Display，打开一个新的显示窗口。 （图6 彩色合成影像） 影像中颜色的变化是由于地表雷达反射率的不同造成的。沙丘中的明亮区域是由于雷达波被植被（豆灌木丛）散射造成的。冲积扇（alluvial fans ）地表纹理的变化是由于岩石的
11、年代和组成的不同所造成的。 五、定义极化信号的感兴趣区 我们可以在SIR-C 的压缩散射矩阵中提取极化信号，在极化雷达影像上定义感兴趣区或者单个像素。我们通过在影像中选择像素或者绘制折线和多边形，来定义所需的感兴趣区。 1. 在包含灰阶L-TP影像的显示窗口中，选择Overlay Region of Interest。接着ROI Tool对话框出现在屏幕上。 2. 根据本专题的目的，我们会使用先前定义保存的四个感兴趣区，来提取极化信号。选择 File Restore ROIs ，然后选中文件名 pol_sig.roi，恢复先前保存的感兴趣区。接着一个消息对话框就会出现在屏幕上，描述被恢复的感兴
12、趣区状态。然后点击OK。 （图7 ROI Tools）3.被命名为veg、fan 、sand 以及desert pvt 的感兴趣区就会出现在 Available Regions of Interest 列表框中，并且这些感兴趣区被绘制在影像窗口中。 点击ROI_TYPE，然后点击Polygon、Polyline 或者 Point，选择要绘制的感兴趣区的类型。 （1）通过点击鼠标左键，选择线段的端点，绘制多边形，或者按住鼠标左键，移动鼠标光标连续的绘制多边形。点击鼠标右键封闭该多边形，再次点击鼠标右键接受该多边形。 （2）使用同样的方法绘制折线。点击鼠标左键定义线段端点，点击鼠标右键封闭折线，再
13、次点击鼠标右键接受该折线。 （3）点的感兴趣区模式被用来选择单一的点。点击鼠标左键，将当前鼠标光标下的像素添加到感兴趣区中。 4.点击New Region，定义其它感兴趣区，并为其输入名字，选择一种颜色。 （图8 绘制的多边形参数）（图9 绘制的多边形在图像的显示）6. 绘制第二个感兴趣区。 选择ROI Tool对话框中File Save ROI ，可以将感兴趣区保存到一个文件，然后我们可以在后续的操作处理中再恢复该感兴趣区。 六、提取极化信号 极化信号是地表单个像元或像元平均的完整雷达散射特性的三维描述。它展现出了所有发送和接收极化的后向散射响应，它能够以同极化（co-polarized）和
14、交叉极化（cross-polarized）的方式进行表现。同极化（co-polarized）信号具有相同的发送和接收极化，而交叉极化（cross-polarized）信号具有正交的发送和接收极化。 极化信号可以使用感兴趣区，确定像素的位置，从压缩散射矩阵数据中提取出来。极化信号可以显示在一个极化信号浏览器中。 1. 选择Radar Polarimetric Tools Extract polarization Signatures SIR-C。文件名ndv_l.cdp应该出现在Input Data Product Files 对话框中，如果它没有出现，那么点击Open File，并选中这个文件
15、。 2.点击OK。接着Polsig Parameters 对话框就会出现在屏幕上。 3.通过点击Select All ，选择这四个感兴趣区（veg、fan 、sand 以及 desert pvt ）。 4.选择Memory单选按钮，然后点击 OK。 （图10 Polsig Parameters 对话框） 接着四个极化信号浏览器对话框就会出现在屏幕上，每一个对应于一个感兴趣区。极化信号可以显示为三维的格网表面绘制图或者二维的灰阶影像。 X 和Y 轴分别表示椭圆率（ellipticity ）和方位角（orientation angles），通过在 Polsig_Data下拉式菜单中，选择所需的选项
16、，可以有选择地将垂线（Z）轴绘制为强度（intensity ）、归一化强度或者分贝（dB）。 5. 极化信号的统计信息会显示在Polarization Signature Viewer 窗口的底部。注意不同表面强度（intensity ）值的范围。光滑一点的表面（sand 和desert pvt ）具有较低的 Z 值。粗糙的表面（fan 和veg）具有较高的 Z 值。最小的强度值表明了极化信号的“基座高度（pedestal height）”。粗糙一些的表面具有多次散射的特性，因此它比光滑的表面具有更高的基座高度。信号的形状也能表示出散射的特性。信号峰值中部显示出Bragg-type 类型（共振
17、）的散射机理。 6. 从下拉式菜单中，选择Polsig_Data Normalized，改变Z 坐标轴。 这将对信号进行归一化处理，除以信号的最大值，使得信号值分布在 0 和1 之间。该步骤可以较好显示基座高度（pedestal height）及其形状，但是它也会消弱绝对强度的差异。 相应地，也可以选择Polsig_Data Co-Pol 或者Cross-Pol，在同极化（co-polarized ）和交叉极（cross-polarized）信号之间进行切换。 7. 使用鼠标左键绘制图右边的极化信号影像上拖曳2D光标，注意极化图相应的“3D”光8. 点击鼠标左键，并拖动某个坐标轴，实时地旋转极
18、化信号。 （图11 坐标轴旋转后图）9. 在Polarization Signature Viewer 窗口中，选择File Save Plot As ，输出极化信号，或者选择 Print 直接输出到打印机。 10. 当查看完极化信号，选择File Cancel，关闭Polarization Signature Viewer 窗口。七、使用自适应滤波 自适应滤波（Adaptive filters）被用来消弱雷达影像中的斑点噪声，它将同时保留雷达影像的纹理信息。1.选择Radar Adaptive Filters Gamma 。接着 Gamma Filter Input File 对话框就会出现
19、在屏幕上，它将列出打开的文件。自适应滤波可以运用到整个文件或者某个单一波段上。 2.点击Select By File 旁边的箭头切换按钮，切换到 Select By Band，列出打开文件的所有波段。 3.选择波段L-HH:NDV_L.SYN ，然后点击 OK。接着Gamma Filter Parameters 对话框就会出现在屏幕上。 4.将Filter Size（NN）设置为3 ，Number of Looks 设置为1.000，并点击Memory单选按钮，将结果输出到内存中。 5.点击OK。生成的影像结果名Gamma （L-HH: NDV_L.SYN ）就会出现在可用波段列表中。 （图1
20、2 Gamma图像） 八、显示滤波处理后的结果 1. 选择Gray Scale 单选按钮，然后在可用波段列表对话框中选中其波段名。 2. 从可用波段列表对话框底部的Display下拉式菜单按钮中，选择 New Display，打开一个新的显示窗口，然后点击Load Band 。 3.在主影像显示窗口菜单中，选择Enhance Image Square Root，对影像进行平方根对比度拉伸。可以使用动态链接的功能，将Gamma滤波后的影像同原始影像进行比较。 4.通过在可用波段列表对话框中选择L-HH: NDV_L.SYN ，然后打开一个新的显示窗口，并点Load Band，显示原始影像波段。5
21、. 同样对该影像进行快速平方根对比度拉伸。 6.选择To o l s Link Link Displays。接着Link Displays 对话框就会出现在屏幕上。 7.确保包含了Gamma滤波后的影像和原始影像的两个显示窗口的显示窗口名旁的箭头切换按钮选择的是Ye s，然后点击 OK。当窗口被链接在一起后，会自动激活动态链接功能。 （图13 Link Displays对话框）8.在某个影像窗口中点击鼠标左，会在一个影像上（基准影像）显示出另一个被链接影像的一部分（叠合区域）。叠合区域可以同时显示在主影像窗口，或者显示在 Zoom 窗口中。 9. 通过点击并按住鼠标左键，并拖动鼠标，来移动叠合
22、区域。 10.通过按住鼠标中键，并拖动叠合区域的一角到所需的位置，来改变叠合区域的大小。 11.将Gamma滤波后的影像同原始影像数据进行比较。 12.在主影像窗口中，选择Tools Link Unlink Displays 或者 Dynamic Overlay Off，关闭动态链接的功能。 （图14 图像的对比）九、 斜距到地距的转换 斜距成像的雷达数据会在横向上存在几何变形。真实的或者地面距离的像素大小会根据入射角的改变，而在横向上有所不同。通过重采样斜距数据，生成地面距离为固定大小的像素，我们可以校正该几何变形。斜距到地距的转换（slant-to-ground range transfo
23、rmation）需要关于传感器方位的信息。对于SIR-C数据，我们可以在CEOS 的头文件中发现所需的必要信息。 使用Radar Open/Prepare Radar File View Generic CEOS Header ，并选择文件 ndv_l.cdp，查看CEOS 的头文件。滚动 CEOS 头文件报告，注意到航向间隔（航向方向）是5.2 米，而像素间隔（斜距方向）是 13.32 米。我们将会使用斜距到地距（Slant-to-Ground-Range）的转换功能，把输出影像的像元重采样到13.32 m 的矩形，以消除斜距的几何变形。 （图15 CEOS 的头文件）1.选择Radar S
24、lant to Ground Range SIR-C。 2.当Enter SIR-C Parameters Filename 对话框出现在屏幕上后，选择文件ndv_l.cdp。接着Slant Range Correction Input File对话框就会出现在屏幕上。 3.选中文件ndv_l.syn，然后点击 OK。接着 Slant to Ground Range Correction 对话框就会出现在屏幕上，所有从CEOS 头文件获取的相关的信息都会添加到.cdp 文件中。 4.在Output pixel size文本框中输入13.32 ，生成地面距离成矩形的像素。 5.选择Bilinea
25、r 作为Resampling Method（重采样法），然后输入ndv_gr.img 作为要输出的文件名，点击OK。接着输入影像就会被重采样成1152 个13.32 m 大小的矩形像素。 （图16 Slant Range Correction Input File）6.显示该影像，并把它同斜距影像进行比较。 （图17 斜距影像进行比较）十、 使用纹理分析 纹理作为尺度的函数，是以影像灰度级为基准的空间变化的度量值。纹理将在用户选定大小的窗口计算出来。本专题展示的纹理分析值是 Occurrence Measures，它包括数据范围、平均值、方差、熵以及偏度。 1. 选择Radar Texture
26、 Filters Occurrence Measures 。 2. 当Texture Input File 对话框出现在屏幕上后，点击Select By箭头切换按钮，选择Band，然后选择波段L-HH: ndv_l.syn ，点击 OK。3. 在Occurrence Texture Parameters 对话框中，取消所有的 Textures to Compute选项，除了Data Range 。将ProcessingWindow: Rows和Cols 更改为 7 7，然后输入要输出的文件名 ndv_hh.tex ，点击OK。 （图18 Occurrence Texture Parameter
27、s 对话框） 等待若干秒后，一个 ENVI 的状态窗口就会出现在屏幕上。新生成的波段将会列出在可用波段列表中。 生成彩色编码的纹理影像 在可用波段列表对话框中，点击波段名Data Range:L-HH，然后点击Load Band ，显示生成的数据范围纹理影像。 1. 对该影像进行快速平方根对比度拉伸。 2. 在主影像显示窗口中，选择To o l s Color Mapping Density Slice 。 3. 在Density Slice Band Choice对话框中，选择波段 Data Range:L-HH，然后点击 OK。 4. 在Density Slice 对话框中，使用默认的分割
28、范围，然后点击 Apply。使用影像动态链接功能，对照原始影像数据，查看该影像。 （图19 ensity Slice 对话框）5. 现在，在主影像显示窗口中，选择Tools Cursor Location/Value，在浏览影像过程中，查看数据范围值。 6. 试着生成自己的密度分割影像 ，或者在 Density Slice 对话框中，选择 File Restore Ranges，选取文件texture.dsr，然后点击Open，再点击Apply，使用预先确定的彩色编码密度分割文件TEXTURE.DSR。 该密度分割影像用不同的颜色，显示出了影像中各种不同的纹理。显示其它的纹理度量影像，并对它们
29、进行密度分割处理。使用动态链接功能，将它们同原始影像数据进行比较。 生成要输出的影像地图 1. 让数据范围纹理影像继续显示在显示窗口中，然后给该影像添加边框，放置图例和文本注记。 2. 在主影像显示窗口中，选择Overlay Annotation。 3. 当Annotation 对话框出现在屏幕上后，选择Options Set Display Borders 。 4. 在上面的文本框中输入100 ，选择 Border Color 为White，然后点击 OK。这将给影像的顶部添加上100 个像素宽度的白色边框。（图20 影响地图显示）5. 在滚动窗口中，将主影像指示矩形框放置在影像的顶部，带有
30、边框的显示出影像的一部分。 6. 在注记对话框中部的文本区域中输入一个标题，将标题放置在影像的顶部。 7. 在Size 文本框中输入16，改变字体大小，并将Color改为 Black。 （图21 Annotation 对话框）8. 使用鼠标左键，将该标题放置在影像上，点击鼠标右键锁定标题注记的位置。 我们可以采用同样的方法，放置多个文本注记，并可以修改这些文本注记的字体大小、类型、颜色以及宽度。 9. 在Annotation 对话框中，选择 Object Color Ramp ，在影像顶部的边框中放置彩色色标（color table ramp）注记。 10. 分别在Min 和Max 文本框中输
31、入数值 0 和255，将 Inc 设置为4 ，Font Size 设置为14，注记该彩色色标。使用鼠标左键，将彩色色标注记放置在影像上，点击鼠标右键锁定该注记的位置。 11. 使用Annotation 对话框，在影像上添加其它所需的注记对象。 12. 选择File Save Image As Postscript File ，将影像保存为 PostScript文件。 4、实验心得 这是海洋卫星最后一个实验，是做关于“海洋表面动力地形卫星测量”，说句实话。这个实验没以前实验做得认真。这个实在我们考完试以后，匆匆忙忙赶着做。其实，我觉得这个很不好：一方面，该我们自己，之前没有提前做；另一方面，所有实验作业非要赶在一块收齐，而且时间紧迫。让我根本没法自己思考，找个实验指导书按部就班。反正，我们有学到多少东西。
