一种针对地物光谱不确定性的光谱角度制图方法

摘要

本发明提出一种针对地物光谱不确定性的光谱角度制图方法，包括：获取测试光谱和参考光谱；利用所述测试光谱和参考光谱计算光谱差异量，并根据所述光谱差异量构建与所述测试光谱的向量具有相同维数且各分量大小相等的光谱差异向量；利用所述光谱差异向量计算在地物光谱不确定性情况下所述测试光谱与参考光谱之间的光谱角；根据所述光谱角进行光谱角度制图。采用本发明提出的方法，通过光谱差异量在地物光谱不确定性情况下获取测试光谱与参考光谱之间的光谱角，根据得到的光谱角进行光谱角度制图，克服由于地物光谱不确定性带来的影响提高地物识别的精度，对地物光谱不确定性具有更好的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及遥感技术领域，尤其涉及一种针对地物光谱不确定性 的光谱角度制图方法，用于高光谱遥感矿物制图和目标识别。

背景技术

高光谱遥感数据提供了地物大量光谱信息，有利于地物精细分类 和定量遥感。光谱角制图算法(Spectral angle mapping，SAM)是基于 光谱曲线整体相似性的一种算法，在高光谱遥感信息分类中应用广 泛。

光谱角制图算法对整个光谱曲线的相似性进行计算，是一种全局 性的描述指标，对具有相似光谱曲线的地物区分较差。目前主要通过 设置局部区间权重、选取波段组合和引进核函数等方法对光谱角制图 算法进行改进。具体改进方法可参见文献1：何中海,何彬彬.基于 权重光谱角制图的高光谱矿物填图方法[J].光谱学与光谱分析,2011, 31(8):2200-2204和文献2：吕银亮,李少昆,王克如,等.基于改进光 谱角算法的小麦产量监测研究[J].新疆农业科学,2011,48(001):1-5 及文献3：Gu Y,Wang C,Wang S,et al.Kernel-based regularized-angle  spectral matching for target detection in hyperspectral imagery[J].Pattern  Recognition Letters,2011,32(2):114-119。然而，地物光谱的不确定性 往往使同种地物光谱之间存在一定程度的差异，影响了地物的识别精 度，对光谱角制图算法的地物识别效果也会产生一定的影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种针对地物光谱不确定性的光谱角度制 图方法，以解决现有光谱角度制图方法没有考虑地物光谱不确定性的 问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提出了一种针对地物光谱不确定性的 光谱角度制图方法，包括：

获取测试光谱和参考光谱；

利用所述测试光谱和参考光谱计算光谱差异量，并根据所述光谱 差异量构建与所述测试光谱的向量具有相同维数且各分量大小相等 的光谱差异向量；

利用所述光谱差异向量计算在地物光谱不确定性情况下所述测 试光谱与参考光谱之间的光谱角；

根据所述光谱角进行光谱角度制图。

优选地，所述获取测试光谱和参考光谱具体包括：

利用高光谱影像、实测光谱数据或者光谱库获取所述测试光谱；

利用高光谱影像、实测光谱数据或者光谱库获取所述参考光谱。

优选地，所述利用测试光谱和参考光谱计算光谱差异量具体包 括：

获取所述测试光谱和参考光谱的光谱向量；

根据获取测试光谱和参考光谱的光谱向量计算光谱差异量n，公 式如下：

$n=\frac{(\overrightarrow{t}·\overrightarrow{r})\times \Sigma t_i-\Sigma r_i\times \Sigma t_i^2}{\Sigma t_i\times \Sigma r_i-\mathrm{nb}\times (\overrightarrow{t}·\overrightarrow{r})}$

其中，$\overrightarrow{t}=(t_1,t_2,...,t_{\mathrm{nb}})$表示测试光谱向量，$\overrightarrow{r}=(r_1,r_2,...,r_{\mathrm{nb}})$表示 和参考光谱向量，nb表示光谱向量的维数，i为1到nb间的任意整 数。

优选地，所述利用光谱差异向量计算在地物光谱不确定性情况下 所述测试光谱与参考光谱之间的光谱角具体包括：

根据所述光谱差异向量计算在地物光谱不确定性情况下所述测 试光谱与参考光谱之间光谱角的余弦值，公式如下：

$\cos \alpha \text{'}=\frac{(\overrightarrow{t}+\overrightarrow{c})·\overrightarrow{r}}{\left|\right|\overrightarrow{t}+\overrightarrow{c}\left|\right|\times \left|\right|\overrightarrow{r}\left|\right|}$

其中，$\overrightarrow{t}=(t_1,t_2,...,t_{\mathrm{nb}})$表示测试光谱向量，$\overrightarrow{r}=(r_1,r_2,...,r_{\mathrm{nb}})$表示 和参考光谱向量，表示光谱差异向量，n为光谱差异 量，α'为在光谱差异量情况下的测试光谱向量与参考光谱向量之间的 光谱角；

基于同种地物光谱之间的光谱角余弦最大原则根据所述光谱角 的余弦值，计算在地物光谱不确定性情况下所述测试光谱与参考光谱 之间的光谱角。

优选地，所述测试光谱为在350～2500nm的太阳反射光谱范围内 去除四个水汽强吸收波段后得到的光谱。

优选地，所述参考光谱为在350～2500nm的太阳反射光谱范围内 去除所述四个水汽强吸收波段后得到的光谱。

优选地，所述四个水汽强吸收波段包括：900～990nm、1100～1190 nm、1300～1520nm和1750～2080nm。

(三)有益效果

本发明提出的一种针对地物光谱不确定性的光谱角度制图方法， 可以利用光谱差异量可以有效表征同种地物光谱的差异，克服地物光 谱不确定性的影响并提高地物识别的精度，对地物光谱不确定性具有 更好的适用性。

附图说明

图1为本发明一种针对地物光谱不确定性的光谱角度制图方法的 流程图；

图2为本发明实施例中从USGS标准光谱库中选择的高岭石参考 光谱；

图3为本发明实施例中从USGS标准光谱库中选择的高岭石测试 光谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明一种针对地物光谱不确定性的光谱角度制图方法 的流程图，如图所示，本发明实施例包括以下步骤：

S101、获取测试光谱和参考光谱；主要包括利用高光谱影像、实 测光谱数据或者光谱库获取所述测试光谱和参考光谱。

本发明实施例中采用从USGS标准光谱库选择高岭石参考光谱， 如图2所示，已去掉水汽强吸收的四个波段：900～990nm、1100～1190 nm、1300～1520nm、1750～2080nm；从USGS标准光谱库选择高岭 石测试光谱，如图3所示，已去掉水汽强吸收的四个波段：900～990nm、 1100～1190nm、1300～1520nm、1750～2080nm。

S102、利用所述测试光谱和参考光谱计算光谱差异量，并根据所 述光谱差异量构建与所述测试光谱的向量具有相同维数且各分量大 小相等的光谱差异向量，具体包括：

本发明实施例中通过获取所述测试光谱和参考光谱的光谱向量， 并根据获取测试光谱和参考光谱的光谱向量计算光谱差异量n，公式 如下：

$n=\frac{(\overrightarrow{t}·\overrightarrow{r})\times \Sigma t_i-\Sigma r_i\times \Sigma t_i^2}{\Sigma t_i\times \Sigma r_i-\mathrm{nb}\times (\overrightarrow{t}·\overrightarrow{r})}$

其中，$\overrightarrow{t}=(t_1,t_2,...,t_{\mathrm{nb}})$表示测试光谱向量，$\overrightarrow{r}=(r_1,r_2,...,r_{\mathrm{nb}})$表示 和参考光谱向量，nb表示光谱向量的维数，i为1到nb间的任意整 数。计算得到的光谱差异量n值为0.0899。

S103、利用所述光谱差异向量计算在地物光谱不确定性情况下所 述测试光谱与参考光谱之间的光谱角，具体包括：

本发明实施例中获取从步骤S103得到的光谱差异量n (n＝0.0899)，根据所述光谱差异向量计算在地物光谱不确定性情况 下所述测试光谱与参考光谱之间光谱角的余弦值，公式如下：

$\cos \alpha \text{'}=\frac{(\overrightarrow{t}+\overrightarrow{c})·\overrightarrow{r}}{\left|\right|\overrightarrow{t}+\overrightarrow{c}\left|\right|\times \left|\right|\overrightarrow{r}\left|\right|}$

其中，$\overrightarrow{t}=(t_1,t_2,...,t_{\mathrm{nb}})$表示测试光谱向量，$\overrightarrow{r}=(r_1,r_2,...,r_{\mathrm{nb}})$表示 和参考光谱向量，表示光谱差异向量，n为光谱差异 量，α'为在光谱差异量情况下的测试光谱向量与参考光谱向量之间的 光谱角；

基于同种地物光谱之间的光谱角余弦最大原则根据所述光谱角 的余弦值，计算在地物光谱不确定性情况下所述测试光谱与参考光谱 之间的光谱角。

本发明实施例中求得的在地物光谱不确定性情况下所述测试光谱 与参考光谱之间的光谱角α'为0.0069弧度。不考虑光谱差异量计算 的光谱角为0.0177弧度，可以看出改进的光谱角的计算结果有了较 大改善。

S104、根据所述光谱角进行光谱角度制图，根据改进后的光谱角 进行光谱角度制图，有效地提高了地物识别的精度。

采用本发明提出的一种针对地物光谱不确定性的光谱角度制图 方法，通过光谱差异量在地物光谱不确定性情况下获取测试光谱与参 考光谱之间的光谱角，根据得到的光谱角进行光谱角度制图，克服由 于地物光谱不确定性带来的影响提高地物识别的精度，对地物光谱不 确定性具有更好的适用性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。