NOAA利用ENVI进行海底栖息地制图与信息提取
分享
-
2016-06-02
美国国家海洋和大气局（NOAA）以声纳、激光雷达和光学遥感为数据源，利用ENVI软件对海底环境进行探测与研究，从而得到了海底地形与栖息地信息。
ENVI与ArcGIS的一体化集成使得NOAA可以方便地将ENVI中得到的栖息地制图与其他信息导入ArcGIS中进行附加分析与应用程序的建立。
利用ENVI得到的最新的、高精度的栖息地制图，可以帮助资源管理者制定科学的规则和条例，从而保存那些濒危生境。
图像提供关键信息
环境管理和环境保护机构在以前采用了各种各样的技术来管理人类与自然环境的相互作用。如今，由于地理空间图像可以实时获取感兴趣区域的精确信息，使其成为了环境保护机构的重要信息来源。先进的图像处理软件可以从图像中提取重要信息，利用这些信息可以实现更具挑战的环境保护工作，如生物多样性评估、环境影响监测等。
NOAA利用图像进行了一系列的环境管理与保护工作，包含保护和管理沿海及海洋生态系统和资源。NOAA向学者、民企和国家等提供上述服务。最近，NOAA协助一个合作伙伴完成了某海洋保护区的海底生境制图和信息提取工作。为了高效的进行这项工作，NOAA需要研发一种新的半自动方法进行不同类型图像的处理、分析和融合工作，从而为合作伙伴提供制定知情决策所需要的基础数据。
美国国家公园管理局寻求帮助
美国国家公园管理局（NPS）希望NOAA可以帮助他们对维京群岛圣克罗伊岛的巴克岛礁国家古迹（见图1）附近海底栖息地进行制图与信息提取。这个岛礁是美国国家公园系统中为数不多的海洋保护区之一，属于珊瑚礁生态系统，维系着种类繁多的天然动植物种群，包含一些濒危物种，比如玳瑁（海龟的一种）和褐鹈鹕（ti hu 均读二声）。NPS号召NOAA的生态地理分部通过提供产品与服务协助巴克岛礁国家古迹周边环境的生态系统管理工作。为了这项工作，NOAA需要一种高效且有效的方法对海洋生物资源的分布和生态系统进行测定与评估。
巴克岛礁国家古迹的资源受到来自游客、船只、潜水者以及污染、气候变化、飓风等极端天气事件的威胁。NOAA要进行的海洋生境制图将会为巴克岛礁国家古迹资源管理者了解生境现状和变化因素提供帮助，从而他们可以制定科学的规则和条例来保护和保存海洋栖息地。
NOAA在对研究区域进行评估后发现，基于光学图像目视解译的传统海洋制图方法不能得到一个全面综合的栖息地制图，这个制图所涵盖的范围包括从巴克岛海岸线到1800米的深度范围。NOAA的一位海洋学家Tim Battista说：“我们遇到了一个非常罕见和独特的问题”。“没有一种技术或传感器可以让我们采集如此范围的数据。我们必须设计出一种创新的方法来测量海底深度，并描述巴克岛礁国家古迹海洋全景的栖息地信息。”
图1 巴克岛礁国家古迹（图片来自Google Map）
NOAA最终设计了一种新方法，通过融合四种不同的声纳仪器、激光雷达和光学图像传感器的各自优势来获取他们需要的信息。NOAA选择ENVI遥感图像处理软件作为他们解决方案的关键部分，是因为ENVI集成了最新的具有自动工作流的光谱图像处理和分析功能，并且允许用户迅速有效地验证结果的科学性和精度。ENVI支持多种不同类型的数据，比如雷达、激光雷达、光学图像、高光谱、立体像对、热红外以及声纳等。融合不同类型传感器的优势可以得到丰富的地理空间上下文信息，从而辅助决策。
NOAA使用多光谱和激光雷达数据来记录浅海区域的深度和其他特征。这些图像是由飞机在研究区域上空获取的，只能达到30米内的深度，而不能透入到海底。在更深的区域，NOAA采用船只（例如Nancy Foster，见图2）携带的声纳技术对海底进行扫描。Nancy Foster每秒发射多于3500的声脉冲，并由船上的接收器记录海底返回声脉冲的时间和角度。航海和声纳技术的采用，实现了海底深处信息的获取。返回声脉冲的强度提供了海底信息，比如海底的硬度、粗糙度等，这些特征常常可以代表一些独立生境，如珊瑚、沙滩和海草。
雷达和声纳组成的海洋测深法也被应用于ArcGIS中，用来计算一系列复杂的度量和指标，如坡度、粗糙度和曲率，这些信息可以详细描述海底生境的差别。为了降低数据冗余度从而更好的了解海底环境的复杂性，NOAA将主成分分析（PCA）作为处理工作的一部分。这些信息连同一些辅助数据（如强度信息）被加载到ENVI中，研究者便可以确定海底平坦区域的不同硬度沉积物的区别。
图2 Nancy Foster（研究测量船， 图片来自中国海事服务网）
然后，NOAA利用ENVI的特征提取工具FX对图像进行了分割处理。通过边缘的确定和像元的归类，将图像分割成反应真实地物的对象。自动化的工作流程让用户可以逐步完成处理工作。首先是确定分割尺度，NOAA将分割尺度设置的比较大，这样便可以尽可能地将图像中明显的地物识别出来。然后类似的连续分块被合并为一个对象。这两步工作确定的海底典型地物的边缘便属于栖息地信息的一种。ENVI先进的特征提取功能相对于耗时严重的传统手工特征提取方法更加快速和便捷。
“ENVI提供了预览功能，可以让我们实时查看设定不同分割参数时得到的结果。这个功能可以让我们根据需要调整好参数设置后再进行全部数据的处理，从而得到最优结果，”Bryan Costa（地理空间学家）说到。“ENVI节省了我们很多时间，并且让我们可以尽可能精确地提取研究区域的多种特征类型。”
在图像分割后，ENVI提供了样本选择和设定规则的方法进行图像分类。用户也可以用已有的GIS数据或野外数据来辅助进行图像分类。NOAA通过选择具有独特声纳或光学特征的地点进行特征分析，利用潜水员和水下机器人获取的静态图片和动态视频对分类结果进行验证。NOAA的计划是为了描述海底构成、海底生物及其数量等。
NOAA在得到分割对象和地面验证数据后，找到基于ENVI的一个免费的二次开发包RuleGen进行后续处理，RuleGen是ENVI使用者开发的，可以进行分类和生成决策树。ENVI是由IDL语言开发设计的，可以方便地进行自定义和功能扩展。NOAA发现RuleGen对于处理他们的声纳数据非常适合，并应用RuleGen获得了ENVI EX中需要用到的每个对象的空间、光谱和纹理特征。然后获得了一个初步的生境分类制图，并对其进行了验证。
图3 NOAA使用ENVI EX提取巴克岛附近的海底生境信息（上图），并对特征对象进行归类（下图）（图片来自NOAA）
图4 NOAA使用ENVI进行PCA，数据源为四种不同的声纳传感器和多光谱数据集，范围覆盖巴克岛礁国家古迹附近的20000英亩（图片来自NOAA）
图5 ENVI EX工具允许用户调整分割参数并实时预览效果，这项功能在NOAA的自动化制图过程中起到了关键作用，并帮助分析家更好的了解海底生境特征
图6 利用ENVI EX工具进行特征提取，从而识别典型地物和海底生境类型
“声纳数据常常包含很多噪声，并且具有异质性，这些情况使得基于像元的传统分类方法不具有可行性，”Sam Tormey（海洋空间专家）说到。“ENVI可以帮助我们克服这些困难，所以我们开始使用面向对象的图像分类方法。现在我们可以客观有效地处理异质性的数据，并生产满足需求的产品。”
整合GIS与图像
最后，NOAA将由图像得到的海洋栖息地制图和其他信息加载进ArcGIS，进行进一步分析和应用。生物组成、生物覆盖度和覆盖百分比数据是资源管理者在制定生态系统管理决策时所需要的关键信息。由图像提取并加入GIS的信息提供了研究区域一个完整的全景图，包含了相关数据和现状信息。ENVI和ArcGIS的一体化集成，使得用户直接将图像中获取的信息传递到ArcGIS Desktop和Server平台中。
NOAA为合作伙伴开发的应用中有一个是基于网络的制图门户。合作伙伴可以有选择地单独查看每一种生境类型，可以叠加地面真实点，可以查看获取的视频和图片，同时可以进行自定义制图。这种门户应用对于那些不熟悉GIS传统软件的合作伙伴非常方便。“ENVI和ArcGIS的无缝集成，可以让我们同时应用ENVI的图像分析功能和ArcGIS的地理空间分析和统计功能，极大的增强了我们的分析能力，”Costa说，“同时还可以允许我们把海洋栖息地制图结果放在网上让所有人浏览和使用”
在不久的将来，NOAA 将发表最终的海洋栖息地制图结果、图像提取的信息、静态图片和视频以及为巴克岛礁国家古迹管理者开发的相关应用。“我们以前是靠手动数字化和目视解译光学图像进行制图工作的，”Tormey说，“这样限制了我们监测的区域面积，并且非常耗时，工作的关键取决于经验和图像分析能力，但是这些是很不容易复制的。ENVI提供的新方法可以让我们综合运用多种声纳传感器、多光谱和激光雷达的优势，生产覆盖整个研究区域的产品。同时我们可以选择一个合适的空间比例尺，使得制图结果能够更好的反映地面真实地物特征。”
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01011bed.html
ENVI与ArcGIS的一体化集成使得NOAA可以方便地将ENVI中得到的栖息地制图与其他信息导入ArcGIS中进行附加分析与应用程序的建立。
利用ENVI得到的最新的、高精度的栖息地制图，可以帮助资源管理者制定科学的规则和条例，从而保存那些濒危生境。
图像提供关键信息
环境管理和环境保护机构在以前采用了各种各样的技术来管理人类与自然环境的相互作用。如今，由于地理空间图像可以实时获取感兴趣区域的精确信息，使其成为了环境保护机构的重要信息来源。先进的图像处理软件可以从图像中提取重要信息，利用这些信息可以实现更具挑战的环境保护工作，如生物多样性评估、环境影响监测等。
NOAA利用图像进行了一系列的环境管理与保护工作，包含保护和管理沿海及海洋生态系统和资源。NOAA向学者、民企和国家等提供上述服务。最近，NOAA协助一个合作伙伴完成了某海洋保护区的海底生境制图和信息提取工作。为了高效的进行这项工作，NOAA需要研发一种新的半自动方法进行不同类型图像的处理、分析和融合工作，从而为合作伙伴提供制定知情决策所需要的基础数据。
美国国家公园管理局寻求帮助
美国国家公园管理局（NPS）希望NOAA可以帮助他们对维京群岛圣克罗伊岛的巴克岛礁国家古迹（见图1）附近海底栖息地进行制图与信息提取。这个岛礁是美国国家公园系统中为数不多的海洋保护区之一，属于珊瑚礁生态系统，维系着种类繁多的天然动植物种群，包含一些濒危物种，比如玳瑁（海龟的一种）和褐鹈鹕（ti hu 均读二声）。NPS号召NOAA的生态地理分部通过提供产品与服务协助巴克岛礁国家古迹周边环境的生态系统管理工作。为了这项工作，NOAA需要一种高效且有效的方法对海洋生物资源的分布和生态系统进行测定与评估。
巴克岛礁国家古迹的资源受到来自游客、船只、潜水者以及污染、气候变化、飓风等极端天气事件的威胁。NOAA要进行的海洋生境制图将会为巴克岛礁国家古迹资源管理者了解生境现状和变化因素提供帮助，从而他们可以制定科学的规则和条例来保护和保存海洋栖息地。
NOAA在对研究区域进行评估后发现，基于光学图像目视解译的传统海洋制图方法不能得到一个全面综合的栖息地制图，这个制图所涵盖的范围包括从巴克岛海岸线到1800米的深度范围。NOAA的一位海洋学家Tim Battista说：“我们遇到了一个非常罕见和独特的问题”。“没有一种技术或传感器可以让我们采集如此范围的数据。我们必须设计出一种创新的方法来测量海底深度，并描述巴克岛礁国家古迹海洋全景的栖息地信息。”
图1 巴克岛礁国家古迹（图片来自Google Map）
NOAA最终设计了一种新方法，通过融合四种不同的声纳仪器、激光雷达和光学图像传感器的各自优势来获取他们需要的信息。NOAA选择ENVI遥感图像处理软件作为他们解决方案的关键部分，是因为ENVI集成了最新的具有自动工作流的光谱图像处理和分析功能，并且允许用户迅速有效地验证结果的科学性和精度。ENVI支持多种不同类型的数据，比如雷达、激光雷达、光学图像、高光谱、立体像对、热红外以及声纳等。融合不同类型传感器的优势可以得到丰富的地理空间上下文信息，从而辅助决策。
NOAA使用多光谱和激光雷达数据来记录浅海区域的深度和其他特征。这些图像是由飞机在研究区域上空获取的，只能达到30米内的深度，而不能透入到海底。在更深的区域，NOAA采用船只（例如Nancy Foster，见图2）携带的声纳技术对海底进行扫描。Nancy Foster每秒发射多于3500的声脉冲，并由船上的接收器记录海底返回声脉冲的时间和角度。航海和声纳技术的采用，实现了海底深处信息的获取。返回声脉冲的强度提供了海底信息，比如海底的硬度、粗糙度等，这些特征常常可以代表一些独立生境，如珊瑚、沙滩和海草。
雷达和声纳组成的海洋测深法也被应用于ArcGIS中，用来计算一系列复杂的度量和指标，如坡度、粗糙度和曲率，这些信息可以详细描述海底生境的差别。为了降低数据冗余度从而更好的了解海底环境的复杂性，NOAA将主成分分析（PCA）作为处理工作的一部分。这些信息连同一些辅助数据（如强度信息）被加载到ENVI中，研究者便可以确定海底平坦区域的不同硬度沉积物的区别。
图2 Nancy Foster（研究测量船， 图片来自中国海事服务网）
然后，NOAA利用ENVI的特征提取工具FX对图像进行了分割处理。通过边缘的确定和像元的归类，将图像分割成反应真实地物的对象。自动化的工作流程让用户可以逐步完成处理工作。首先是确定分割尺度，NOAA将分割尺度设置的比较大，这样便可以尽可能地将图像中明显的地物识别出来。然后类似的连续分块被合并为一个对象。这两步工作确定的海底典型地物的边缘便属于栖息地信息的一种。ENVI先进的特征提取功能相对于耗时严重的传统手工特征提取方法更加快速和便捷。
“ENVI提供了预览功能，可以让我们实时查看设定不同分割参数时得到的结果。这个功能可以让我们根据需要调整好参数设置后再进行全部数据的处理，从而得到最优结果，”Bryan Costa（地理空间学家）说到。“ENVI节省了我们很多时间，并且让我们可以尽可能精确地提取研究区域的多种特征类型。”
在图像分割后，ENVI提供了样本选择和设定规则的方法进行图像分类。用户也可以用已有的GIS数据或野外数据来辅助进行图像分类。NOAA通过选择具有独特声纳或光学特征的地点进行特征分析，利用潜水员和水下机器人获取的静态图片和动态视频对分类结果进行验证。NOAA的计划是为了描述海底构成、海底生物及其数量等。
NOAA在得到分割对象和地面验证数据后，找到基于ENVI的一个免费的二次开发包RuleGen进行后续处理，RuleGen是ENVI使用者开发的，可以进行分类和生成决策树。ENVI是由IDL语言开发设计的，可以方便地进行自定义和功能扩展。NOAA发现RuleGen对于处理他们的声纳数据非常适合，并应用RuleGen获得了ENVI EX中需要用到的每个对象的空间、光谱和纹理特征。然后获得了一个初步的生境分类制图，并对其进行了验证。
图4 NOAA使用ENVI进行PCA，数据源为四种不同的声纳传感器和多光谱数据集，范围覆盖巴克岛礁国家古迹附近的20000英亩（图片来自NOAA）
图5 ENVI EX工具允许用户调整分割参数并实时预览效果，这项功能在NOAA的自动化制图过程中起到了关键作用，并帮助分析家更好的了解海底生境特征
图6 利用ENVI EX工具进行特征提取，从而识别典型地物和海底生境类型
“声纳数据常常包含很多噪声，并且具有异质性，这些情况使得基于像元的传统分类方法不具有可行性，”Sam Tormey（海洋空间专家）说到。“ENVI可以帮助我们克服这些困难，所以我们开始使用面向对象的图像分类方法。现在我们可以客观有效地处理异质性的数据，并生产满足需求的产品。”
整合GIS与图像
最后，NOAA将由图像得到的海洋栖息地制图和其他信息加载进ArcGIS，进行进一步分析和应用。生物组成、生物覆盖度和覆盖百分比数据是资源管理者在制定生态系统管理决策时所需要的关键信息。由图像提取并加入GIS的信息提供了研究区域一个完整的全景图，包含了相关数据和现状信息。ENVI和ArcGIS的一体化集成，使得用户直接将图像中获取的信息传递到ArcGIS Desktop和Server平台中。
NOAA为合作伙伴开发的应用中有一个是基于网络的制图门户。合作伙伴可以有选择地单独查看每一种生境类型，可以叠加地面真实点，可以查看获取的视频和图片，同时可以进行自定义制图。这种门户应用对于那些不熟悉GIS传统软件的合作伙伴非常方便。“ENVI和ArcGIS的无缝集成，可以让我们同时应用ENVI的图像分析功能和ArcGIS的地理空间分析和统计功能，极大的增强了我们的分析能力，”Costa说，“同时还可以允许我们把海洋栖息地制图结果放在网上让所有人浏览和使用”
在不久的将来，NOAA 将发表最终的海洋栖息地制图结果、图像提取的信息、静态图片和视频以及为巴克岛礁国家古迹管理者开发的相关应用。“我们以前是靠手动数字化和目视解译光学图像进行制图工作的，”Tormey说，“这样限制了我们监测的区域面积，并且非常耗时，工作的关键取决于经验和图像分析能力，但是这些是很不容易复制的。ENVI提供的新方法可以让我们综合运用多种声纳传感器、多光谱和激光雷达的优势，生产覆盖整个研究区域的产品。同时我们可以选择一个合适的空间比例尺，使得制图结果能够更好的反映地面真实地物特征。”
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d01011bed.html
