实验二十二 三维遥感制图

一、实验目的
通过利用ASTER影像立体像对进行高程信息（DEM）提取实验，掌握运用ENVI Topographic功能从ASTER影像数据中提取DEM 的操作，加深对遥感影像信息与DEM 关系的理解。
二、实验内容
①运用ASTER 可见光近红外波段（VNIR）的Band3N和Band3B立体像对数据提取高程信息（DEM）的原理分析；②运用ENVI Topographic功能从广西姑婆山地区ASTER数据提取DEM的操作。
三、实验要求
①掌握利用立体像对提取DEM 的基本操作方法；②掌握DEM 编辑方法。编写实验报告。
四、技术条件
①微型计算机；②广西姑婆山地区ASTER 数据；③ENVI软件；④Photoshop软件（ver.6.0以上）和ACDSee软件（ver.4.0以上）。
五、实验步骤
（1）打开广西姑婆山地区ASTER数据：打开“File>Open Image Files”，将ASTER数据放入“Available Bands List”中，可以看到，ASTER数据包含从可见光到热红外共14个光谱通道，分为可见光近红外（VNIR）、短波红外（SWIR）、热红外（TIR）。其中可见光近红外（VNIR）中的Band3 分为Band3N 和Band3B, Band3N 为星下点数据， Band3B为后视波段，在本次实验中将利用这两个波段进行立体像对观测及DEM 提取。
（2）输入立体像对：打开“Topographic>DEM Extraction>DEM Extraction Wizard>New”，将出现“DEM Extarction Wizard Step 1 of 9”输入立体像对对话框，如图21-1所示，选择“Select StereoImage …”，在“LeftImage”输入星下点数据Band3N；在“Right Image”输入后视数据Band3B，输入完毕后将会自动算出该地区最高点和最低点高程。
（3）选择地面控制点：输入立体像对影像后，选择【Next】按钮进行下一步操作，出现“DEM Extraction Wizard Step 2 of 9”选择地面控制点对话框，如图21-2所示，本次实验选择“No GCPs（relative DEM values only）”选项，即不选择地面控制点，这种方法提取的高程信息为相对高程。

图21-1 选择立体像对影像对话框


图21-2 选择地面控制点对话框

（4）定义连接点：选择地面控制点后，选择【Next】按钮进行下一步操作，出现“DEM Extraction Wizard Step 4 of 9”定义连接点对话框，在连接点来源选项中，选择“Generate Tie Points Automaticalyl”选项，即自动生成连接点，自定义生成连接点参数，包括连接点数量（Number of Tie Points）、选择窗口大小（Search Window Size）、移动窗口大小（Moving Window Size）、区域海拔（Region Elevation）四项，如图21- 3所示，设定适当的参数后选择【Next】按钮进行下一步操作。
等待连接点自动产生后，将会出现左右两幅影像及“DEM Extraction Wizard Step 5 of 9”编辑连接点对话框，如图21-4所示，按动“Current Tie Point”左右箭头，选择目前连接点，将误差较大的连接点进行手动调节，或者直接按【Delete】按钮删除；或者选择【Add】按钮在左右两幅影像上添加新的连接点，确保“Maximum Y Parallax”最大视角误差小于10。
编辑连接点完成后，选择【Next 按钮进行下一步操作，出现“DEM Extraction Wizard Step 6 of 9”对话框，生成左右两幅核线影像，选择保存路径，并可以选择下方“Examine Epipolar Results”检查核线结果，如图21-5所示。
（5）设置DEM 提取参数：保存和检查核线结果后，选择【Next】按钮进行下一步操作，出现“DEM Extraction Wizard Step 7 of 9”对话框，选择输出DEM 的投影坐标以及像元大小，选择好后点击【Next】按钮进行下一步操作，将出现“DEM Extraction Wizard Step 8 of 9”设置DEM 参数对话框，如图21-6所示。

图21-3 定义连接点对话框


图21-4 编辑连接点对话框


图21-5 保存核线影像文件对话框


图21-6 DEM 提取参数设置对话框

在DEM 提取参数（DEM Extraction Parameters）列表中可以设置最小相关系数（Minmum Correlation）、背景值（Background Value）、边缘圆滑（Edge Trimming）、移动窗口大小（Moving Window Size）、地形精度（Terrain Relief）、地形级别（Terrain Detail）。
在DEM结果输出列表中，可以选择输出数据类型（分整型和浮点型两种）、选择输出文件存储路径，如图21-6所示。
（6）编辑DEM：输出DEM 数据后，出现“DEM Extraction Wizard Step 9 of 9”对话框，点击【Load DEM Result to Display with Editing Tool】按钮，可以显示提取出的DEM数据和“DEM Editing Tool”对话框，可以用DEM 编辑工具对生成的DEM 数据进行编辑，如图21-7所示。

图21-7 DEM 编辑工具对话框

六、实验报告
（1）简述实验过程。
（2）回答问题：①ASTER有15个波段，提取DEM 数据依靠哪些波段数据？为什么？②本次实验提取了相对DEM 数据，如果要提取绝对DEM数据，需要如何操作？
实验报告格式见附录一。

一、实验目的
通过运用ENVI的“Basic Tools>Band Math”功能操作，从Landsat-5 TM 数据中提取水体特征信息——归一化差值水体指数NDWI.掌握遥感水体信息提取技术方法，增加对遥感水体信息提取原理的理解。
二、实验内容
①归一化差异水体指数计算公式分析；②运用ENVI的Band Math匹配功能对桂林市Landsat-5 TM遥感影像数据进行NDWI提取运算；③NDWI图像分析。
三、实验要求
①明白归一化差值水体指数NDWI计算公式的构成及意义；②掌握归一化差值水体指数NDWI计算的ENVI基本操作；③编写实验报告。
四、技术条件
①微型计算机；②桂林市Landsat-5 TM 遥感影像；③ENVI软件；④ACDSee软件（ver.4.0以上）。
五、实验步骤
目前常用的水体信息提取方法主要有：单波段法、谱间关系法和归一化差异水体指数法，本次实验使用归一化差异水体指数法对桂林市Landsat-5 TM 遥感影像进行水体信息提取。
归一化差异水体指数（Normlaized Difference Water Index，简写为NDWI）：由于水体的反射从可见光到中红外波段逐渐减弱，在近红外和中红外波长范围内吸收性最强，几乎无反射，因此用可见光波段和近红外波段的反差构成的NDW I可以突出影像中的水体信息。另外，由于植被在近红外波段的反射率一般最强，因此采用绿光波段与近红外波段的比值可以最大限度地抑制植被的信息，从而达到突出水体信息的目的。其计算公式为
NDWI=（GREEN- NIR）/（GREEN +NIR） （25- 1）
式中：GREEN为绿光波段数据；NIR为近红外波段数据。
归一化差异水体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，未经大气校正的辐射亮度或者量纲为一的DN值数据不适合计算水体指数，本次实验选择桂林市Landsat-5 TM 遥感影像，对归一化差值水体指数进行计算，具体操作步骤如下。
（1）辐射校正。对桂林市Landsat-5 TM 遥感影像进行辐射校正，辐射校正方法参考本书实验十九。
（2）归一化差异水体指数（NDWI）。对于Landsat-5 TM遥感影像，TM2（0.52～0.60μm）为绿波段，TM4（0.76～0.96μm）为近红外波段。运用ENVI软件波段运算（Band Math）功能，将公式（25-1）变换为（TM2-TM4）/（TM2+TM4）进行NDWI计算，具体操作步骤如下：
1）在ENVI主菜单栏中选择“File>Open lmage File”，出现文件目录窗口，将经过辐射校正的桂林市Landsat-5 TM 遥感影像数据调入“Available Bands List”窗口。
2）根据公式（25-1），利用桂林市陆地卫星遥感数据TM2与TM4波段进行归一化差异水体指数（NDWI）计算，在ENVI主菜单栏中选择“Basic Tools>Band Math”命令，出现“Band Math”对话框，如图25-1所示。
在“Band Math”对话框内的“Enter an expression”文本框中输入变量名和所需要的数学运算符，变量名必须以字符“b”或“B”开头，后面为5个以内的数字字符，如：（b2-b4）/（b2+b4）。
3）表达式输入完成后，点击【Add to List】按钮，则输入的表达式会自动显示在“Band Math”对话框内“Previous Band Math Expressions”文本框中，确定无误后点击【OK】按钮，出现“Variablesto Bands Pairings”对话框，如图25-2所示。

图25-1 波段运算对话框


图25-2 变量与波段匹配对话框

在该对话框中的“Variables used in expression”栏中利用实际需要进行运算的波段替换表达式中的变量（如b2、b4等）。首先在“Variables used in expression”栏中点击其要替换的变量，然后在“Available Bands List”栏中将需要进行运算的波段选中，即可完成替换。
4）在“Output Result to”中选择结果输出到文件（File）或内存（Memory）。如果选择结果输出到文件，则点击【Choose】按钮选择输出文件路径。
5）完成上述步骤后，点击【OK】按钮，执行归一化差异水体指数（NDWI）计算。水体信息提取结果如图25-3所示。

图25-3 桂林市Landaat-5 TM 遥感影像水体信息提取图

六、实验报告
（1）简述实验过程。
（2）回答问题：①利用归一化差异水体指数提取水体信息受哪些因素的干扰？②提取水体遥感信息为何要进行辐射校正？
实验报告格式见附录一。

一、实验目的

通过运用ENVI软件的3D Surface View功能将二维遥感影像模拟显示为具有立体感的三维透视遥感图的实验操作，增强对三维遥感影像图的形态特征和运用价值的了解，掌握制作三维遥感图的方法。

二、实验内容

①R（TM5）、G（TM4）、B（TM 3）假彩色合成影像图制作；②运用ENVI软件的3D SurfaceView功能和DEM 数据制作三维卫星遥感影像；③三维卫星遥感影像应用分析。

三、实验要求

①实验前准备好与待作三维显示的遥感影像完全空间匹配的DEM 数据；②通过变化成图参数对三维遥感影像进行不同视角的交互式浏览观察；③掌握制作单波段灰阶三维遥感影像和彩色三维遥感影像ENVI的操作方法；④编写实验报告。

四、技术条件

①微型计算机；②国际分幅127-43 TM 影像数据；③与127-43 TM 影像对应的1:50000 DEM数据；④ENVI软件（ver.4.0以上）；⑤ACDSee软件（ver.6.0以上）。

五、实验步骤

（1）在ENVI主菜单栏中选择“File>Open Image File”，出现文件目录窗口，分别将127-43 TM 影像数据和对应的DEM数据调入“Available Bands List”窗口，并使127-43 TM 影像数据以RGB（B5\B4\B3）方式显示到“Display”中。

（2）在ENVI主菜单栏中选择“Topographic>3D SurafceView”，在“Associated DEM Input File”对话框中选择DEM数据，点击【OK】按钮确定，打开“3D SurafceView Input Parameters”对话框（图22-1）。

（3）在“3D SurfaceView Input Parameters”对话框中，设置以下参数：

DEM Resolution（DEM分辨率）：可以根据实际需求选择不同的分辨率，DEM 将按照所选择的分辨率被重采样。使用较高分辨率会减慢可视化速度；

图22-1 三维可视化输入参数设置

Resampling（重采样方法）：ENVI提供“Nearest Neighbor”（最邻近）和“Aggregate”（集合）两种重采样方法；

DEM min plot value和DEM max plot value（DEM最小和最大值范围）：从DEM数据中选取满足特定需要的数据值，低于最小值和高于最大值的DEM 值，将不被绘制在三维场景中；

Vertical Exaggeration（垂直放大系数）：输入的值将使得垂直方向真正放大。值越高，放大越多；

lmage Resolution（图像纹理分辨率）：选择“Ful”l（原始大小）或“Other”（设定值）图像分辨率，若选择“Other”，图像将按输入的像元数被重采样，并提示选择重采样方法。

（4）设置好上述参数后，点击【OK】按钮，创建三维场景，如图22-2所示。

在“3D SurfaceView”窗口中，可以保存三维场景为图像文件（File>Save Surface As），也可以选择“Options”选项对三维场景背景进行更改、添加或移除矢量文件等。

（5）交互式三维场景浏览：可以通过鼠标控制旋转、平移及缩放三维曲面。

◎点击并拖放鼠标左键旋转X -Y平面，双击鼠标左键能够定位到显示窗口内的像元；

◎点击并拖放鼠标中键可以平移图像；

◎点击并向右拖放鼠标右键可以放大三维场景；

◎点击并向左拖放鼠标右键可以缩小三维场景。

图22-2 127-43幅TM影像3D透视图

六、实验报告

（1）简述实验过程。

（2）回答问题：①制作遥感三维影像图需要哪些数据？对这些数据有何要求？②遥感三维影像图实际有四维信息，是哪四维信息？③遥感影像三维可视化技术在实际地质工作中有何用途？

实验报告格式见附录一。