今天小編為大家?guī)砀吖庾V成像技術(shù)如何進(jìn)行地物識(shí)別的知識(shí)點(diǎn):
隨著國(guó)內(nèi)高光譜研究的推進(jìn)及國(guó)產(chǎn)高光譜儀的研制,高光譜技術(shù)在地物檢測(cè)的應(yīng)用日益廣泛,如在農(nóng)業(yè)上根據(jù)作物的光譜可以監(jiān)控氮、磷、鉀、水分等營(yíng)養(yǎng)元素的豐缺、可以判別農(nóng)作物的種類和生長(zhǎng)期、可以觀察農(nóng)作物是否有病蟲害;在礦業(yè)中可根據(jù)礦石的光譜特征判斷其組分;在水體研究中可根據(jù)水域的光譜研究其含沙量、營(yíng)養(yǎng)化以及受污染程度等。
圖1中展示了不同地物間的光譜曲線,可以看出,植被之間的光譜曲線具有一定的相似性,但在550nm、850nm兩反射峰處可以分辨出不同樹種與不同植被類型之間的細(xì)微區(qū)別[1-2]。不同地物的光譜曲線各自具備獨(dú)特的光譜特征,水體具有相較于其他地物更低的反射率;土壤的在可見光波段的反射率與波長(zhǎng)有正相關(guān)關(guān)系;植被在700nm附近反射率急劇上升,形成植被獨(dú)特的紅邊特征。
圖 1 地物光譜曲線示意圖
光譜曲線的分析一般是差異性分析,比如采用最小距離、光譜角度匹配、光譜相似度等模型算法[3]。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),會(huì)出現(xiàn)同類型地物的不同種類的光譜之間差異太小,導(dǎo)致曲線相似性度量類方法失效。這時(shí),可以從光譜曲線的波峰、波谷、拐點(diǎn)等特征點(diǎn)著手進(jìn)行光譜曲線特征分析,這些特征點(diǎn)蘊(yùn)含了大量的信息,決定了曲線的形狀,在利用高光譜進(jìn)行地物識(shí)別領(lǐng)域具有重要的物理意義。
1、反射峰、反射谷的提取
光譜反射率曲線由眾多連續(xù)排列的離散點(diǎn)組成,其波峰值要大于兩肩的數(shù)值,所以判斷波峰的條件為:Ri > Ri-1 且 Ri > Ri+1.
其中,Ri是波長(zhǎng)為i時(shí)的反射率。這個(gè)判斷方法適用于絕對(duì)平滑的曲線,但是大多數(shù)反射率曲線都帶有噪音,利用這個(gè)方法將會(huì)把噪音形成的波峰也提取出來,這不是理想的結(jié)果。噪音造成局部振動(dòng)的幅度較小,遠(yuǎn)低于主體曲線的振幅。為了消除它的影響,可以設(shè)定一個(gè)振幅閥值,在眾多的波峰點(diǎn)和波谷點(diǎn)中,振動(dòng)幅度大于閥值的點(diǎn)予以保留,作為特征點(diǎn),振動(dòng)幅度小于或等于閥值的點(diǎn)不予記載,當(dāng)作是噪音。具體的實(shí)現(xiàn)在后面給予說明。如圖2,假定閥值為0.01,A為谷點(diǎn)或起始點(diǎn),A,B,C,D,E的反射率分別為0.385,0.405,0.402,0.437,0.391。由于RB - RC= 0.003,小于閥值0.01,并且RD > RB,故而判斷B,C兩點(diǎn)為噪音所致,予以排除。由于RD - RA= 0.052> 0.01,RD - RE= 0. 046 > 0.01,故而判斷D點(diǎn)為真正的波峰。
波谷的判斷提取與波峰相似,在此不再贅述。
圖 2 波峰提取示意圖
2、提取弧段頂點(diǎn)
光譜曲線近似的可看成是由分段的凸、凹弧曲線組成。某一段弧線的頂點(diǎn)是此段上曲率最大的點(diǎn),它對(duì)確定曲線的形狀有重要作用。曲率的計(jì)算公式為
k= | Ri" | / (1 + Ri2′ )3/2
其中Ri"為波長(zhǎng)為i時(shí)的二階導(dǎo)數(shù),k為此點(diǎn)曲率。曲率的計(jì)算由于用到一階和二階導(dǎo)數(shù),所以受噪音的影響極大。曲線上的“毛刺”段導(dǎo)數(shù)的變化極大,曲率值遠(yuǎn)超于弧線的頂點(diǎn),所以上式適用于平滑曲線,對(duì)于不穩(wěn)定的波段需加強(qiáng)去噪處理。
3、光譜差異性分析
地物光譜曲線分辨率較高,一般不同的地物在曲線中呈現(xiàn)出不同的反射特征,這些差異在特征點(diǎn)上表現(xiàn)的比較明顯。即使是同一植物,在不同的生長(zhǎng)期內(nèi)其光譜也會(huì)發(fā)生有規(guī)律的變化,這些變化能夠被特征點(diǎn)準(zhǔn)確地記錄下來。從表2中可以看出從3月25日到5月11日這段時(shí)期冬小麥綠峰、紅邊的移動(dòng)狀況。
由圖1可得結(jié)論:在5月11日早熟小麥開始灌漿時(shí),其光譜曲線在627nm處出現(xiàn)了一個(gè)小反射峰,振幅約為0.003,這說明小麥已微微變黃,肉眼難以直接觀察到的變化在曲線上已體現(xiàn)出來。
表 1 小麥的特征波長(zhǎng)(500~800nm)
4、曲線擬合
無論是地物光譜數(shù)據(jù)庫,還是高光譜遙感影像,光譜維數(shù)的增加都導(dǎo)致了數(shù)據(jù)量的急劇膨脹,而我們則希望能用較少的數(shù)據(jù)表示較多的信息。就試驗(yàn)所用的手扶式光譜儀來說,一次測(cè)量就收集了從325nm到1075nm共750組數(shù)據(jù)點(diǎn)。大量的數(shù)據(jù)不僅占用了硬盤空間而且不利于網(wǎng)絡(luò)上的傳輸,所以在一定的條件下對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮是有必要的。選點(diǎn)是壓縮的關(guān)鍵,既要使點(diǎn)盡可能的少,也要能夠表達(dá)出足夠的信息。本文將曲線的起點(diǎn)和末點(diǎn)以及波峰波谷作為選定點(diǎn),另外加上其它一些特征點(diǎn)作為壓縮曲線的節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)選定之后用分段三次多項(xiàng)式的方法進(jìn)行插值[4],然后與原曲線對(duì)比,進(jìn)行誤差分析。分段三次多項(xiàng)式法是在每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間都擬合一條三次曲線,要求曲線通過這兩個(gè)節(jié)點(diǎn),并且在節(jié)點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)等于給定的已知值,因而是一種比較精密的插值方法。選用圖3已標(biāo)注的8個(gè)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行插值,插值結(jié)果與原曲線的對(duì)比見圖3。
在圖3中,實(shí)線為原曲線,虛線為插值后的擬合曲線,誤差∑|模擬值-實(shí)測(cè)值|∑實(shí)測(cè)值=4.14%,該方法將750組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)壓縮為8組特征光譜數(shù)據(jù),同時(shí)又保存了大部分光譜信息。因而是比較適用的。
圖 3 擬合曲線和原曲線
以上就是有關(guān)=如何進(jìn)行地物識(shí)別的知識(shí),希望對(duì)大家有所幫助?! ?br />
? ? ? ?審核編輯:鄢孟繁
評(píng)論
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