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【ENVI入门系列】19.植被分析工具

详细信息

植被分析工具

1. 概述

2. 详细操作步骤

2.1 植被增强显示

2.2 植被指数计算器

2.2.1 植被波谱特征

2.2.2 植被指数计算器

2.3 植被分析工具

2.3.1 林木健康分析工具

2.3.2 农作物胁迫（Agricultural Stress）

2.3.3 易燃性分布分析工具

2.3.4 植被抑制工具

1. 概述

植被既是陆地生态系统的主体，也是人类重要的环境资源和物质资源，绿色植被在地球的能量转化和物质循环中起着巨大而独特的作用，它为各种生物提供适宜的栖身场所和食物。遥感技术具有快速、准确、经济、大范围、可周期性的获取陆地、海洋和大气资料的能力，是获取地球信息的高新技术手段，在植被研究中也发挥了巨大的作用。常用的方法是结合不同波长范围的反射率来增强植被特征，如植被指数（vegetation indices ——VI）的计算。通过分析不同植被指数可以评估植被健康等。

本课程学习使用高光谱数据计算各种不同的植被指数，之后利用植被分析工具进行植被分析。

表1.1 例子数据

文件	说明
JasperRidge98av_flaash_refl.dat (以及.hdr)	AVIRIS高光谱数据，经过FLAASH大气校正的反射率数据。
jasper_aviris_urban_mask.dat (以及.hdr)	道路和建筑物的掩膜文件。

2. 详细操作步骤

2.1 植被增强显示

一般采用标准假彩色来增强植被的显示，植被在标准假彩色的图像上显示红色。

(1) 打开JasperRidge98av_flaash_refl.dat文件。

(2) 选择 R：FLAASH (Band 53…)，G: FLAASH (Band 29…)，B: FLAASH (Band 19…)显示。或者在Data Manager中右键选择Load CIR。

(3) 可以看到植被在图像上显示红色。

图：标准假彩色显示

2.2 植被指数计算器

2.2.1 植被波谱特征

植被跟太阳辐射的相互关系有别于其他物质，如裸土、水体等，比如植被的"红边"现象，即在<700nm附近强吸收，>700nm高反射。很多因素影响植被对太阳辐射的吸收和反射，包括波长、水分含量、色素、养分、碳等。

研究植被的波长范围一般为400 nm to 2500 nm，这也是传感器设计选择的波长范围。这个波长范围可分为以下四个部分：

可见光（Visible）：400 nm to 700 nm
近红外（Near-infrared——NIR）：700 nm to 1300 nm
短波红外1（Shortwave infrared 1—— SWIR-1）：1300 nm to 1900 nm
短波红外2（Shortwave infrared 2——SWIR-2）：1900 nm to 2500 nm

其中NIR和SWIR-1的过渡区（1400nm附近）是大气水的强吸收范围，卫星或者航空传感器一般不获取这范围的反射值。SWIR-1 和 SWIR-2的过渡区（1900nm附近）也是大气水的强吸收范围。

植被可分为三个部分组成：

植物叶片（Plant Foliage）
植被冠层（Plant Canopies）
非光合作用植被(Non-Photosynthetic Vegetation)

2.2.2 植被指数计算器

植被指数（VI）是两个或多个波长范围内的地物反射率组合运算，以增强植被某一特性或者细节。目前，在科学文献中发布了超过150种植被指数模型，这些植被指数中只有极少数是经过系统的实践检验。所有的植被指数要求从高精度的多光谱或者高光谱反射率数据中计算。

ENVI中提供了7类 27种植被指数的计算

宽带绿度Greenness
窄带绿度
光利用率Light Use Efficiency
冠层氮
干旱或炭衰减Dry or Senescent Carbon
叶绿素Stress Pigments
冠层水分含量Canopy Water Content

提供了生物物理学交叉检验，通过植被指数计算器统一进行计算，提供了每种植被指数的详细资料和计算公式，能够根据影像信息自动显示可计算的植被指数。如下是利用ENVI中的植被指数计算工具Vegetation Index Calculator从AVIRIS数据中计算植被指数。

(1) 打开JasperRidge98av_flaash_refl.dat数据；

(2) 启动Toolbox/Spectral/Vegetation/Vegetation Index Calculator工具，选择JasperRidge98av_flaash_refl.dat数据，打开Vegetation Indexs Parameters面板，自动估算可计算的植被指数；

(3) 生物物理学交叉检验(Biophysical Cross Checking):on。

(4) 这里可以计算25种植被指数，根据需求选择计算的植被指数；

(5) 选择输出路径和文件名。

(6) 得到的结果是一个25个波段组成的文件，以植被指数名称命名波段名称。

(7) 显示其中一个植被指数，可以看到水体、高密度建筑物区都是Nodata，该工具自动识别无植被区域。

图：植被指数计算器

图：NDVI植被指数

2.3 植被分析工具

ENVI还为植被指数应用提供了三类分析工具：林木健康分析工具、农作物胁迫（Agricultural Stress）、易燃性分布分析工具，以及植被抑制工具。

2.3.1 林木健康分析工具

林木健康工具用于创建整个森林区域健康程度的空间分布图。林木健康程度分布图可用于检测病虫害以及枯萎病的发生情况，也可以用于评估某地区的木材收获量。林木健康工具使用以下几类的植被指数：

绿度：表面绿色植被的分布；
叶绿素：标识类胡萝卜素以及花青素的含量；
冠层水分含量：标识水分含量；
光使用效率：标识森林生长率；

林木健康分析工具根据林木的健康程度将输入影像分为9类，有助于评估整个影像中的林木健康情况。下图显示了林木健康分析工具产生的输出的分类图：

图：林木健康分类示意图

为了得到更加精确结果，要求输入数据是经过大气校正的高光谱反射率数据。

(1) 打开JasperRidge98av_flaash_refl.dat文件；

(2) 在Toolbox中，选择/Spectral/Vegetation/Forest Health Vegetation Analysis。在文件输入对话框中选择高光谱反射率数据，单击OK，打开Forest Health Parameters面板。

注：如果有林区的掩膜文件，可以在中选择掩膜文件，只分析林木区域。

(3) 在Forest Health Parameters面板中，分别选择三种植被指数参与分析（数据波段不一样，可选择的植被指数种类也不一样）：

选择绿度指数Greenness Index：优先选择窄带绿度指数。可设置一个最小绿度指数（Minimum valid greenness value）：0.2，低于这个值的区域不参与计算，被掩膜掉。
选择叶色素指数Leaf Pigment Index：默认。
选择冠层水分含量指数或者光利用率指数Canopy Water or Light Use Efficiency Index：默认。

(4) 选择输出路径及文件名，单击OK执行计算。

图：Forest Health Parameters面板

结果是以ENVI分类结果的格式输出，根据森林健康情况分为9类，在Layer Manager中勾选不同分级的结果，将结果叠加到原图上显示，如下图所示，数字越大表示林木越健康。

图：林木健康分析结果

2.3.2 农作物胁迫（Agricultural Stress）

使用农作物胁迫工具能够创建农作物胁迫的空间分布图。干旱农作物不能有效的利用氮和光能，表现为胁迫较高；而健康生长作物则表现为较低的胁迫。用户能从农作物胁迫的空间分布图上判断出适合农作物生长的区域，该工具可用于精确农业分析。农作物胁迫工具使用以下几类的植被指数：

绿度：来标识闲置农田、虚弱的植被、健康的作物；
光利用效率：标识植被生长率；
冠层氮含量：用于估计相关的氮等级；
叶绿素：突出植被胁迫；
冠层水分含量：标识水胁迫的层次。

农作物胁迫工具将输入影像数据根据胁迫程度分为9类，下面是农作物胁迫的分类示意图：

图：农作物胁迫分类示意图

(1) 打开JasperRidge98av_flaash_refl.dat文件；

(2) 在Toolbox中，打开/Spectral/Vegetation/Agricultural Stress Vegetation Analysis。在文件输入对话框中选择高光谱反射率数据，单击OK，打开Agricultural Stress Parameters面板；

注：如果有耕田区的掩膜文件，可以在中选择掩膜文件，只分析农田区域。

(3) 在Agricultural Stress Parameters面板中，可选择三类植被指数参与分析（数据波段不一样，可选择的植被指数种类也不一样）：

选择绿度指数Greenness Index：优先选择窄带绿度指数。可设置一个最小绿度指数（Minimum valid greenness value）：0.2，低于这个值的区域不参与计算，被掩膜掉。
选择冠层水分含量指数或者冠层氮含量Canopy Water or Nitrogen Index：默认。
选择光利用率指数或者叶色素指数Light Use Efficiency or Leaf Pigment Index：默认。

(4) 选择输出路径及文件名，单击OK执行计算。

图：Agricultural Stress Parameters面板

结果是以ENVI分类结果的格式输出，根据农作物胁迫性情况分为9类，在Layer Manager中勾选不同分级的结果，将结果叠加到原图上显示，如下图所示，数字越大表示胁迫性越高，作物长势越差。

图：农作物胁迫性分析结果

2.3.3 易燃性分布分析工具

易燃性分布分析工具可用于创建某一区域植被易燃性的空间分布图。易燃性空间分布制图能够用于森林规划，也可用它来分析城郊混合区的火灾风险。高易燃性分布区域通常由处于干燥和干旱状态的植被构成，水分含量很少；而低易燃性分布区通常由茂盛的绿色植被构成。易燃性分布分析使用以下几类的植被指数：

绿度：显示大多数的绿色指数；
冠层水分含量：标识植被的冠层水分含量；
干旱或炭衰竭：突出非生物指数；

易燃性分布分析工具将输入的影像分为9类，分别对应于该地区植被的易然程度，用于评估影像中易燃植被的空间分布。下面显示了易燃性工具的输出分类示意图：

图：易燃物分类示意图

(1) 打开JasperRidge98av_flaash_refl.dat文件；

(2) 在Toolbox中，打开/Spectral/Vegetation/Fire Fuel Vegetation Analysis。在文件输入对话框中选择高光谱反射率数据，单击OK，打开Fire Fuel Parameters面板；

注：如果有林区的掩膜文件，可以在中选择掩膜文件，只分析林区域。

(3) 在Fire Fuel Parameters面板中，可选择三类植被指数参与分析（数据波段不一样，可选择的植被指数种类也不一样）：

选择绿度指数Greenness Index：优先选择窄带绿度指数。可设置一个最小绿度指数（Minimum valid greenness value）：0.2，低于这个值的区域不参与计算，被掩膜掉。
选择冠层水分含量指数Canopy Water Index：默认。
选择干旱或炭衰竭Dry or Senescent Carbon Index：默认。

(4) 选择输出路径及文件名，单击OK执行计算。

图：Fire Fuel Parameters面板

结果是以ENVI分类结果的格式输出，根据易燃性情况分为9类，在Layer Manager中勾选不同分级的结果，将结果叠加到原图上显示，如下图所示，数字越大表示易燃性越高，着火可能性越大。

图：易燃性分析结果

2.3.4 植被抑制工具

植被抑制工具利用影像的红波段和近红外波段，从多光谱和高光谱影像中移除或减少植被光谱信息，对影像进行植被变换。经过植被抑制处理后的影像，能够更好的获得地质学以及城市地物解译的结果，对多光谱尤其是30米左右分辨率的露天植被影像有很好的处理效果。可以用植被抑制的结果来做定性分析，它被广泛使用于地质制图，线形特征增强等。

(1) 打开安装目录下的例子数据can_tmr.img；

(2) 在Toolbox中，打开/Spectral/Vegetation/Vegetation Suppression，选择文件；

(3) 在Specity Output File面板中，设置输出路径和文件名，单击OK运行；

(4) 在主界面中，选择Views->Two Vertical Views，分别在两个Views中以CIR标准假彩色显示抑制前和抑制后的图像。

如下图所示，植被抑制处理之后已经基本没有了植被光谱信息。