14-波段运算和波谱运算

1、ENVI/IDL 14-14-波段运算与波谱运算波段运算与波谱运算 刘海新 河北工程大学资源学院 电话ENVI/IDL 1 1、概述、概述 ENVI ENVI 波段运算工具能够调用用户编写的程序进行定制的处理。波段运算工具用来波段运算工具能够调用用户编写的程序进行定制的处理。波段运算工具用来 定义输入的波段或文件，并调用用户编写的函数，最后将结果输出到文件或是内存定义输入的波段或文件，并调用用户编写的函数，最后将结果输出到文件或是内存 中。中。 波段运算函数使用变量命名为波段运算函数使用变量命名为b1(B1),b2(B2) b1(B1),b2(B2) 等等。通过在波段

2、运算表达式窗口中等等。通过在波段运算表达式窗口中 输入函数名和变量名就可以调用该波段运算函数。通过波段运算对话框为变量赋值输入函数名和变量名就可以调用该波段运算函数。通过波段运算对话框为变量赋值 。 上图通过三个波段的相加说明了波段运算的处理过程。表达式中的每一个波段都对上图通过三个波段的相加说明了波段运算的处理过程。表达式中的每一个波段都对 应于一个输入的影像波段，对这三个波段求和并输出结果影像。这个表达式中的每应于一个输入的影像波段，对这三个波段求和并输出结果影像。这个表达式中的每 个变量不仅可以对应于单一波段，也可以对应与一个文件。例如：在表达式个变量不仅可以对应于单一波段，也可以对应与

3、一个文件。例如：在表达式 b1+b2+b3 b1+b2+b3 中，如果中，如果b1 b1 映射为文件而映射为文件而b2,b3 b2,b3 映射为单一波段则结果为映射为单一波段则结果为b1 b1 所对应的所对应的 文件的所有波段分别和文件的所有波段分别和b2b2、b3 b3 进行求和。进行求和。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 2 2、Band MathBand Math工具工具 要在要在ENVI ENVI 中使用波段运算工具：选择中使用波段运算工具：选择 Basic Tools Band MathBasic Tools Band Math。将出现。将出现Band Band

4、Math Math 对话框，以上面的波段求和为例，说对话框，以上面的波段求和为例，说 明使用方法。明使用方法。 输入输入b1+b2+b3b1+b2+b3，点击，点击add to listadd to list添加到添加到 以前的以前的band math band math 表达式中，点击表达式中，点击okok弹出弹出 变量赋值对话框，如右图。变量赋值对话框，如右图。 注意，一旦一个波段选中，则另外所选波注意，一旦一个波段选中，则另外所选波 段一定要与第一个波段具有相同的行列。段一定要与第一个波段具有相同的行列。 14.114.1波段运算波段运算 可用波段列表，用于变量的赋值可用波段列表，用于变

5、量的赋值 表达式中的变量以及赋值情况表达式中的变量以及赋值情况 ENVI/IDL 3 3、使用波段运算需要满足、使用波段运算需要满足4 4 个基本条件：个基本条件： 1 1） 必须符合必须符合IDL IDL 语言书写波段运算表达式语言书写波段运算表达式 所定义的处理算法或波段运算表达式必须满足所定义的处理算法或波段运算表达式必须满足IDL IDL 语法。不过，书语法。不过，书 写简单的波段运算表达式无须具备写简单的波段运算表达式无须具备IDL IDL 的基本知识，但是如果所感的基本知识，但是如果所感 兴趣的处理需要书写复杂的表达式，建议学习用于波段运算的兴趣的处理需要书写复杂的表达式，建议学习

6、用于波段运算的IDL IDL 知识。知识。 2 2）所有输入波段必须具有相同的空间大小）所有输入波段必须具有相同的空间大小 由于波段运算表达式是根据由于波段运算表达式是根据pixel-for-pixel pixel-for-pixel 原理作用于波段的，原理作用于波段的， 因此输入波段在行列数和像元大小必须相同。因此输入波段在行列数和像元大小必须相同。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 3 3）表达式中的所有变量都必须用）表达式中的所有变量都必须用BnBn（或（或bnbn）命名表达式中代）命名表达式中代 表输入波段的变量必须以字母表输入波段的变量必须以字母“b”“b”或或“B

7、”“B”开头，后跟开头，后跟5 5 位以位以 内的数字。例如：对内的数字。例如：对3 3 个波段进行求和运算的有效表达式可以个波段进行求和运算的有效表达式可以 用以下用以下3 3 种方式书写：种方式书写： b1 + b2 + b3b1 + b2 + b3 B1 + B11 + B111B1 + B11 + B111 B1 + b2 + B3B1 + b2 + B3 4. 4. 波段运算表达式所生成的结果必须在行列数方面与输入波波段运算表达式所生成的结果必须在行列数方面与输入波 段相同。段相同。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 4 4、用于波段运算的、用于波段运算的IDL I

8、DL 知识知识 波段运算的强大功能是由波段运算的强大功能是由IDL IDL 的功能、速度和灵活性所提供的。但是要熟的功能、速度和灵活性所提供的。但是要熟 练使用波段运算功能，并不需要成为一个熟悉练使用波段运算功能，并不需要成为一个熟悉IDL IDL 编程的专家。下面的知编程的专家。下面的知 识可以帮助熟练使用波段运算功能并避免一些经常出现的问题。识可以帮助熟练使用波段运算功能并避免一些经常出现的问题。 1 1） 数据类型数据类型 IDL IDL 中的数学运算与简单的使用计算器进行运算是有一定差别的。要重视输入波段中的数学运算与简单的使用计算器进行运算是有一定差别的。要重视输入波段 的数据类型和

9、表达式中所应用的常数。每种数据类型的数据类型和表达式中所应用的常数。每种数据类型尤其是非浮点型的整型数尤其是非浮点型的整型数 据都包含一个有限的数据范围。例如：字节型数据表示的值仅为据都包含一个有限的数据范围。例如：字节型数据表示的值仅为0-2550-255，如果对两，如果对两 个字节型数据波段求和（个字节型数据波段求和（b1 + b2b1 + b2）并且其值大于）并且其值大于255255，那么得到的结果将与期望值，那么得到的结果将与期望值 不等。当一个值大于某个数据类型所能容纳的值的范围时，该值将会溢出（不等。当一个值大于某个数据类型所能容纳的值的范围时，该值将会溢出（ overflowov

10、erflow）并从头开始计算，例如：将字节型数据）并从头开始计算，例如：将字节型数据250 250 和和10 10 求和，结果为求和，结果为4 4。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 类似的情况经常会在波段运算中遇到，因为遥感影像通常会被存储为字节类似的情况经常会在波段运算中遇到，因为遥感影像通常会被存储为字节 型或整型。要避免数据溢出，可以使用型或整型。要避免数据溢出，可以使用IDL IDL 中的一种数据类型转换功能对中的一种数据类型转换功能对 输入波段的数据类型进行转换。例如：在对两个字节型图像波段求和时，输入波段的数据类型进行转换。例如：在对两个字节型图像波段求和时，

11、如果使用如果使用IDL IDL 函数函数FIXFIX（）将数据类型转换为整型，就可以得到正确的结（）将数据类型转换为整型，就可以得到正确的结 果。例如果。例如fixfix（b1b1）+ b2+ b2 有人可能会问：既然浮点型数据可以表示所有的数据值，为什么不在所有有人可能会问：既然浮点型数据可以表示所有的数据值，为什么不在所有 的计算中都使用浮点型数据呢？这是因为一个数据所能表现的动态数据范的计算中都使用浮点型数据呢？这是因为一个数据所能表现的动态数据范 围越大，它占用的磁盘空间越多。例如：字节型数据的一个像元仅占用围越大，它占用的磁盘空间越多。例如：字节型数据的一个像元仅占用1 1 个字节；

12、整型数据的一个像元占用个字节；整型数据的一个像元占用2 2 个字节；浮点型数据的一个像元占用个字节；浮点型数据的一个像元占用 4 4 个字节。浮点型结果将比整型结果多占用一倍的磁盘空间。关于个字节。浮点型结果将比整型结果多占用一倍的磁盘空间。关于IDLIDL数数 据类型的占用磁盘空间和数据范围的详细介绍，参考下表。据类型的占用磁盘空间和数据范围的详细介绍，参考下表。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 2 2）IDL IDL 数据类型的动态变换数据类型的动态变换 IDL IDL 的数据类型转换功能，例如：的数据类型转换功能，例如：fixfix（）不是唯一对波段运算结果的数据类型

13、进（）不是唯一对波段运算结果的数据类型进 行转换的方法。这是因为行转换的方法。这是因为IDL IDL 的数据类型是可以动态变换的，也就是说的数据类型是可以动态变换的，也就是说IDL IDL 能够将能够将 表达式中的数据类型转换为它在表达式中所遇到的最高数据类型。由于一些数字（表达式中的数据类型转换为它在表达式中所遇到的最高数据类型。由于一些数字（ 例如：小的整型数据）可以使用几种不同的数据类型表示出来，因此例如：小的整型数据）可以使用几种不同的数据类型表示出来，因此IDL IDL 必须制定必须制定 某些默认规则对这些数据进行解译。某些默认规则对这些数据进行解译。 例如：不包含小数点的数据，即使

14、它仅包含字节型的动态范围，也将被解译为整型例如：不包含小数点的数据，即使它仅包含字节型的动态范围，也将被解译为整型 数据。例如：如果想为一幅字节型数据图像加数据。例如：如果想为一幅字节型数据图像加5 5，并且使用如下的波段运算表达式，并且使用如下的波段运算表达式 ：B1 + 5B1 + 5 数据数据5 5 将被解释为将被解释为2 2 个字节的整型数据，因此波段运算结果将被提升为整型数据图个字节的整型数据，因此波段运算结果将被提升为整型数据图 像（占用字节型图像的两倍磁盘空间）。如果想保持结果为字节型图像，可以使用像（占用字节型图像的两倍磁盘空间）。如果想保持结果为字节型图像，可以使用 数据类型

15、计算函数数据类型计算函数bytebyte（）：（）：b1 + byteb1 + byte（5 5）或使用）或使用IDL IDL 中将整型数据转换为字节中将整型数据转换为字节 型数据的缩写：型数据的缩写：b1 + 5Bb1 + 5B 在数据后紧跟一个字母在数据后紧跟一个字母B B 表示将该数据解译为字节型数据。如果在波段运算表达式表示将该数据解译为字节型数据。如果在波段运算表达式 中经常使用常数，这些类似的缩写是很有用的。中经常使用常数，这些类似的缩写是很有用的。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 3 3） 注意操作顺序注意操作顺序 在波段运算过程中，是根据数学运算符的优先级对

16、表达式进行处理，而不在波段运算过程中，是根据数学运算符的优先级对表达式进行处理，而不 是根据运算符的出现顺序。使用圆括号可以更改操作顺序，系统最先对嵌是根据运算符的出现顺序。使用圆括号可以更改操作顺序，系统最先对嵌 套在表达式最内层的部分进行操作。具有相同优先级的运算符根据它们在套在表达式最内层的部分进行操作。具有相同优先级的运算符根据它们在 表达式中出现的顺序进行操作。例如：表达式中出现的顺序进行操作。例如：5 + 3 5 + 3 * * 2 2考虑表达式（用常数代替考虑表达式（用常数代替 波段）波段） 求得的值为求得的值为1111，因为乘号运算符的优先级高（，因为乘号运算符的优先级高（5

17、+ 35 + 3）* * 2 2 求得的求得的 值为值为1616，因为圆括号改变了操作顺序将优先级的顺序与数据类型的动态变，因为圆括号改变了操作顺序将优先级的顺序与数据类型的动态变 换结合起来时，如果操作不当，也将改变表达式的运算结果。要确保将表换结合起来时，如果操作不当，也将改变表达式的运算结果。要确保将表 达式中的数据提升为适当的数据类型，从而避免数据的溢出或在处理整型达式中的数据提升为适当的数据类型，从而避免数据的溢出或在处理整型 除法时出现错误。例如，考虑如下示例：除法时出现错误。例如，考虑如下示例：floatfloat（5 5）+ 10 / 3 + 10 / 3 所有的常所有的常 数

18、都为整型，但数都为整型，但floatfloat（）函数将结果转换为浮点型数据，由于除号的优先（）函数将结果转换为浮点型数据，由于除号的优先 级高于加号，因此先以整型数据进行除法运算，将结果与被转换为浮点型级高于加号，因此先以整型数据进行除法运算，将结果与被转换为浮点型 数据的数据的5 5 相加得到一个浮点型结果相加得到一个浮点型结果8.08.0，而不是所期望的结果，而不是所期望的结果8.38.3。如果是。如果是5 5 + 10 / float+ 10 / float（3 3） ，将数据类型转换函数移到除法运算中，将得到期望，将数据类型转换函数移到除法运算中，将得到期望 的结果的结果8.38.3

19、。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 4 4）避免在所用的）避免在所用的IDL IDL 函数中同时调用所有图像数据函数中同时调用所有图像数据 如同其他所有如同其他所有ENVI ENVI 程序一样，波段运算处理也是分块进行的。这意味着如果被处程序一样，波段运算处理也是分块进行的。这意味着如果被处 理的图像大于在参数设置中被指定的局部（理的图像大于在参数设置中被指定的局部（tiletile）尺寸，运算将被分解为更小的部）尺寸，运算将被分解为更小的部 分，系统对每一部分进行单独处理，然后再重新组合起来。当使用的分，系统对每一部分进行单独处理，然后再重新组合起来。当使用的IDL ID

20、L 函数同时函数同时 需要调用所有图像数据时，由于波段运算表达式是对每一部分数据进行单独处理的需要调用所有图像数据时，由于波段运算表达式是对每一部分数据进行单独处理的 ，这种处理方法将会产生问题。，这种处理方法将会产生问题。 例如，在使用求取数组中的最大值的例如，在使用求取数组中的最大值的IDL IDL 函数函数MAXMAX（）时：（）时：b1 / maxb1 / max（b1b1） 如果波段运算是分块进行的，则每一个部分除以的值是该部分的最大值，而不是整如果波段运算是分块进行的，则每一个部分除以的值是该部分的最大值，而不是整 个波段的最大值。如果发现波段运算结果中有较宽的水平条带，那很有可能

21、是由于个波段的最大值。如果发现波段运算结果中有较宽的水平条带，那很有可能是由于 分块处理造成的，因为图像是水平分块的。要避免同时调用所有图像数据的分块处理造成的，因为图像是水平分块的。要避免同时调用所有图像数据的IDL IDL 函函 数还包括：数还包括：MAXMAX、MINMIN、MEANMEAN、MEDIANMEDIAN、STDDEVSTDDEV、VARIANCE VARIANCE 和和TOTALTOTAL。在多数情况下。在多数情况下 ，使用，使用BYTSCL BYTSCL 函数也比较困难，但是如果先知道了输入波段的数据范围，可以将函数也比较困难，但是如果先知道了输入波段的数据范围，可以将

22、BYTSCL BYTSCL 函数与函数与MIN MIN 和和MAX MAX 关键字合并起来使用。关键字合并起来使用。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 5 5）充分利用）充分利用IDL IDL 功能强大的数组运算符功能强大的数组运算符 IDL IDL 的数组运算符不但便于使用而且功能强大。它们允许对图像中的每一个像元进的数组运算符不但便于使用而且功能强大。它们允许对图像中的每一个像元进 行单独检验和处理，而且避免了行单独检验和处理，而且避免了FOR FOR 循环的使用（不允许在波段运算中使用）。数循环的使用（不允许在波段运算中使用）。数 组运算符包含关系运算符（组运算符包含关

23、系运算符（LTLT、LELE、EQEQ、NENE、GEGE、GTGT）、）、Boolean Boolean 运算符（运算符（ANDAND、 OROR、NOTNOT、XORXOR）和最小值、最大值运算符（）和最小值、最大值运算符（ ）。这些特殊的运算符对图像中的）。这些特殊的运算符对图像中的 每个像元同时进行处理，并将结果返还到与输入图像具有相同维数的图像中。每个像元同时进行处理，并将结果返还到与输入图像具有相同维数的图像中。 例如：要找出所有负值像元并用值例如：要找出所有负值像元并用值-999 -999 代替它们，可以使用如下的波段运算表达代替它们，可以使用如下的波段运算表达 式：（式：（b1

24、 lt 0b1 lt 0）* *（-999-999）+ +（b1 ge 0b1 ge 0）* * b1 b1 关系运算符对真值（关系成立）返回值为关系运算符对真值（关系成立）返回值为1 1，对假值（关系不成立）返回值为，对假值（关系不成立）返回值为0 0。系。系 统读取表达式（统读取表达式（b1 lt 0b1 lt 0）部分后将返还一个与）部分后将返还一个与b1 b1 维数相同的数组，其中维数相同的数组，其中b1 b1 值为值为 负的区域值为负的区域值为1 1；其他部分值为；其他部分值为0 0，因此在乘以替换值，因此在乘以替换值-999 -999 时，相当于只对那些满时，相当于只对那些满 足条

25、件的像元有影响。足条件的像元有影响。 第二个关系运算符（第二个关系运算符（b1 ge 0b1 ge 0）是对第一个的补充）是对第一个的补充找出那些值为正或找出那些值为正或0 0 的像元的像元 ，乘以它们的初始值，然后再加入替换值后的数组中。类似的使用数组运算符的表，乘以它们的初始值，然后再加入替换值后的数组中。类似的使用数组运算符的表 达式为波段运算提供了很强的灵活性。达式为波段运算提供了很强的灵活性。 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 5 5、波段运算表达式典型例子、波段运算表达式典型例子 （1 1） 避免整型数据除法避免整型数据除法 当对整型数据波段进行除法运算时，运算结

26、果不是被向上或向当对整型数据波段进行除法运算时，运算结果不是被向上或向 下取整，而是直接被简单地舍去（小数点后面的数据被舍弃）下取整，而是直接被简单地舍去（小数点后面的数据被舍弃） 。要避免这种情况发生，通常将数据类型提升为浮点型。要避免这种情况发生，通常将数据类型提升为浮点型。 b1 / floatb1 / float（b2b2） 如果想将除法数据结果保持为整型，最好先将数据转换为浮点如果想将除法数据结果保持为整型，最好先将数据转换为浮点 型进行除法运算，然后再将结果转换为所需的数据类型。例如型进行除法运算，然后再将结果转换为所需的数据类型。例如 ：如果输入波段为字节型，想将结果取整并存储为

27、整型数据，：如果输入波段为字节型，想将结果取整并存储为整型数据， 使用下面的表达式：使用下面的表达式： fixfix（ceilceil（b1 / floatb1 / float（b2b2） 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL （2 2） 避免整型运算溢出避免整型运算溢出 整型数据包含一个动态的数据范围。如果波段运算将生成的数整型数据包含一个动态的数据范围。如果波段运算将生成的数 据相当大或相当小，无法以输入波段的数据类型表示出来，要据相当大或相当小，无法以输入波段的数据类型表示出来，要 注意提升相应的数据类型。例如：如果示例表达式中的波段注意提升相应的数据类型。例如：如果示例表

28、达式中的波段b1 b1 和和b2 b2 为字节型数据，生成结果的最大值可能为（为字节型数据，生成结果的最大值可能为（256256* *256256） =65,025=65,025。由于字节型数据所能表示的最大值为。由于字节型数据所能表示的最大值为255255，因此结果，因此结果 的数据类型只有被转换为的数据类型只有被转换为16-bit16-bit无符号整型才能返回正确的值无符号整型才能返回正确的值 ，否则，大于，否则，大于255 255 的值将溢出，并记录一个错误的值。可以使的值将溢出，并记录一个错误的值。可以使 用如下表达式避免溢出用如下表达式避免溢出 unitunit（b1b1）* * b

29、2 b2 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL （3 3） 生成融合图像生成融合图像 波段运算为多幅图像的融合提供了简单的方法。例如：如果波段运算为多幅图像的融合提供了简单的方法。例如：如果b1 b1 和和b2 b2 为字为字 节型数据，下面的表达式将生成一幅新的字节图像，节型数据，下面的表达式将生成一幅新的字节图像，b2 b2 所占权重为所占权重为0.80.8， b1 b1 所占权重为所占权重为0.20.2。 bytebyte（roundround（0.2 0.2 * * b1 b1）+ +（0.8 0.8 * * b2 b2）roundround为整型取整为整型取整 （4 4

30、） 使用数组运算符对图像进行选择性更改使用数组运算符对图像进行选择性更改 波段运算为图像的选择性更改和来自多幅图像的数据结合提供了简单的方波段运算为图像的选择性更改和来自多幅图像的数据结合提供了简单的方 法。在下面的示例中，把两幅图像结合起来进行处理，从而从影像中消除法。在下面的示例中，把两幅图像结合起来进行处理，从而从影像中消除 云的影响。在图像云的影响。在图像b1 b1 中，像元值大于中，像元值大于200 200 的像元被认为是云，希望用图像的像元被认为是云，希望用图像 b2 b2 中的相应像元对它们进行替换。中的相应像元对它们进行替换。 （b1 gt 200b1 gt 200）* * b

31、2 + b2 +（b1 le 200b1 le 200）* * b1 b1 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL 下面的示例是一个较为复杂的表达式，但是所使用的数组运算符与前面的示下面的示例是一个较为复杂的表达式，但是所使用的数组运算符与前面的示 例大同小异。该表达式使用几个标准来生成一幅二进制掩膜图像，用于识别例大同小异。该表达式使用几个标准来生成一幅二进制掩膜图像，用于识别 主要为云的像元。该算法实际应用于从来自主要为云的像元。该算法实际应用于从来自AVHRR AVHRR 的经过定标的日间图像中的经过定标的日间图像中 生成云的掩膜图像。在该表达式中，生成云的掩膜图像。在该表达

32、式中，b4b4（热红外波段）值必须为负，或（热红外波段）值必须为负，或b2b2（ 反射波段）值必须大于反射波段）值必须大于0.65 0.65 并且并且b3 b3 和和b4b4（中红外和热红外波段）的差值必（中红外和热红外波段）的差值必 须大于须大于15 15 度。由于关系运算符为真值（关系成立）返回度。由于关系运算符为真值（关系成立）返回1 1 值，因此生成的掩值，因此生成的掩 膜图像在有云处值为膜图像在有云处值为1 1，在其他区域值为，在其他区域值为0 0。 （b4 lt 0b4 lt 0）oror（b2 gt 0.65b2 gt 0.65）ANDAND（b3 b4b3 b4）gt 15gt

33、 15 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL （5 5） 最小值和最大值运算符的使用最小值和最大值运算符的使用 最小值和最大值运算符也是数组的基础运算符，但与关系运算最小值和最大值运算符也是数组的基础运算符，但与关系运算 符或符或Boolean Boolean 运算符不同的是：它们不返还真值或假值，而返运算符不同的是：它们不返还真值或假值，而返 还实际的最小值和最大值。在下面的示例中，对于图像中的每还实际的最小值和最大值。在下面的示例中，对于图像中的每 一个像元，一个像元，0 0、b2 b2 或或b3 b3 中的最大值将被加到中的最大值将被加到b1 b1 中，该表达式中，该表达式 确保加到确保加到b1 b1 中的值始终为正。中的值始终为正。 b1 +b1 +（0 b2 b30 b2 b3） 14.114.1波段运算波段运算 ENVI/IDL Spectral MatSpectral Mat功能是一种灵活的波谱处理工具，它允许用数学表达式或功能是一种灵