隨著國內(nèi)高光譜研究的推進(jìn)及國產(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。

利用高光譜進(jìn)行地物識(shí)別，首先看植被，它們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。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。

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。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。

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。

利用高光譜進(jìn)行地物識(shí)別，那么我們就會(huì)知道，當(dāng)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。

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，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。

好啦，以上就是有關(guān)高光譜如何進(jìn)行地物識(shí)別：光譜曲線特征的提取介紹，希望對(duì)大家有所幫助~

審核編輯：湯梓紅