專利名稱：非線性光譜相似性度量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜度量方法，具體是一種基于光譜完全波形的反射和吸收特征的非線性光譜相似性度量方法。屬于信息技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，光譜相似性度量方法可以分為兩類，一類是基于完全波形特征，典型方法如光譜角制圖。Kruse，F(xiàn)A等人在美國《環(huán)境遙感》上發(fā)表的“光譜圖像處理系統(tǒng)—光譜成像儀數(shù)據(jù)交互可視化與分析”(1993b，The SpectralImage Processing System(SIPS)-Interactive Visualization and Analysisof Imaging Spectrometer Data.Remote Sensing nvironment，44145-163)，該文提出了光譜角制圖方法，即利用光譜反射率向量之間的夾角去度量光譜間的相似性。該方法的優(yōu)點在于它可以克服光照強度對光譜相似性度量的影響。然而，該方法一方面只考慮了光譜反射率在相似性度量中的作用，另一方面沒有考慮光譜波段間的強相關(guān)性。另一類是基于光譜診斷性吸收特征，曲線的方法如光譜吸收指數(shù)。王晉年等人在《環(huán)境遙感》Vol.11，No.1.Feb 1996上發(fā)表的“成像光譜圖象光譜吸收鑒別模型與礦物填圖研究”一文，該文提出了一個修正的光譜吸收鑒定模型，即光譜吸收指數(shù)據(jù)。該方法適合于對光譜特定吸收峰進行相似性評判，該方法本身并不適合任意光譜間的相似性度量，然而該方法反映了光譜不同波段對光譜相似性度量的貢獻是不一樣的，它的缺點是忽略了光譜的反射特征且不能適用于光譜的完全波形。光譜的反射和吸收特征是光譜不可分割的兩類特征，然而，目前的光譜相似性度量方法只針對其中一種特征。此外，目前的光譜相似性度方法均假設(shè)光譜波段間彼此獨立，然而這一假設(shè)并不符合實際情況，目前光譜波段間的強相關(guān)性被廣泛地應(yīng)用到光譜數(shù)據(jù)的降維和特征提取中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種非線性光譜相似性度量方法，即基于完全波形的反射和吸收特征的非線性光譜相似性度量方法，使其能夠一方面去除了波段間的強相關(guān)性，另一方面兼顧了光譜反射和吸收特征在光譜相似性度量中的作用。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明方法包括兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一個是采用核主成分分析方法去除了光譜波段之間的強相關(guān)性，另一個是光譜反射和吸收特征的合并。
1采用核主成分分析方法去除光譜波段之間的強相關(guān)性針對光譜波段間的強相關(guān)性，首先利用非線性變換將原始光譜向量變換到一個新的特征空間。然后，在特征空間中，利用核函數(shù)和主成分分析方法得到協(xié)方差矩陣所有非零特征特征值和特征向量，將特征值按降序排列，選擇前N個(N為光譜波段數(shù))特征值對應(yīng)的特征向量，并以此構(gòu)造一組標準正交基。最后，將特征空間中光譜向量投影到標準正交基上。
2光譜反射和吸收特征的合并連續(xù)統(tǒng)曲線是指光譜曲線的外包裹曲線，在實際處理時，連續(xù)統(tǒng)曲線是用分段的直線來近似表示。連續(xù)統(tǒng)去除曲線是指光譜曲線與連續(xù)統(tǒng)曲線的比值，它保持了光譜吸收峰，而反射峰值被歸一化到1，如下式所示r→cr=r→/r→c---(1)]]>其中， 是連續(xù)統(tǒng)去除曲線， 是光譜， 是與光譜 波段相對應(yīng)的連續(xù)統(tǒng)曲線。光譜的吸收特征(如吸收的深度、寬度、波段位置以及吸收峰的對稱性等)都可以根據(jù)連續(xù)統(tǒng)去除曲線來得到，而是將光譜的吸收特征作為相似性度量一個因子，見表達式(2)。
R→=r→′×r→cr---(2)]]>其中， 加以連續(xù)統(tǒng)去除曲線約束的非線性光譜向量， 是特征空間中投影到標準正交基以后的光譜向量， 是光譜的連續(xù)統(tǒng)去除曲線。
以下對本發(fā)明作進一步的說明，方法具體步驟如下1)選擇核函數(shù)并設(shè)置參數(shù)，選取的核函數(shù)是極坐標核函數(shù)(k(x,y)=exp(-||x-y||2δ)),(δ=2);]]>(2)利用核函數(shù)得到核矩陣K，通過核函數(shù)，將原始光譜向量投影到一個希爾伯特內(nèi)積空間中，實際上是完成了一個隱式的非線性變換；
(3)通過計算獲得核矩陣K的特征值和特征向量；(4)選擇N個非零的特征值和特征向量，并對特征向量進行零均值處理，其中N為光譜波段數(shù)，之所以選擇與光譜波段數(shù)一樣的特征值和特征向量，是為了與后面的吸收特征進行合并(如式2)；(5)將特征空間中所有的光譜向量投影到選擇的特征向量所構(gòu)成的正交坐標基上；(6)合并變換后的反射特征和吸收特征，見式2。
(7)利用光譜角制圖對變換以后的向量進行相似性量度。
本發(fā)明主要有兩個方面的創(chuàng)新點，一方面利用核主成分分析去除了光譜波段間的強相關(guān)性，從而使光譜向量與光譜角制圖度量的前提假設(shè)相一致，即各個波段間是相互獨立的。另一方面綜合考慮了光譜的反射和吸收特征在相似性度量中的作用，強化了光譜吸收峰在相似性度量中的作用。該方法既克服了光譜角制圖方法沒有考慮到光譜波段間的強相關(guān)性，又克服了光譜角制圖和光譜吸收指數(shù)只考慮光譜的某一種特征(吸收特征或反射特征)的缺點，此外，該方法充分利用了光譜角制圖和光譜吸收指數(shù)的優(yōu)點，即光譜角制圖能克服光照強度對光譜相似性度量影響的優(yōu)點和光譜吸收指數(shù)中不同波段對光譜相似性度量的權(quán)重是貢獻是不一樣的。
具體實施例方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，結(jié)合實施例對該方法的實現(xiàn)作進一步描述。
首先，選擇核函數(shù)并設(shè)置必要的參數(shù)。在下面的實施案例中，選取的核函數(shù)是(k(x,y)=exp(-||x-y||2δ)),(δ=2).]]>然后，利用核函數(shù)計算由協(xié)方差矩陣和及其特征向量所導(dǎo)出的核矩陣，并計算該矩陣的特征值和特征向量。其次，根據(jù)這些特征向量構(gòu)造一組標準正交基，并計算特征空間中光譜向量在正交基上的投影。再次，根據(jù)式(2)將光譜的吸收特征合并到光譜向量中。最后，用度量函數(shù)對變換以后的光譜向量進行相似性量度。
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實施例以美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的光譜庫(spc_lib04a)為數(shù)據(jù)源，對該光譜庫中的光譜進行相似性檢索實驗。光譜庫中共有共498條光譜，光譜的波段數(shù)為444，波長在0.2到3.0微米之間，波譜分辨率小于等10納米(Clark，1993)。有關(guān)該光譜庫的詳細資料可參考網(wǎng)址http//speclab.cr.usgs.gov/spectral.lib04/clark1993/spectral lib.html。
以赤鐵礦(Hematite_FE2606)為參考光譜，相似性度量函數(shù)為光譜角制圖(即向量之間的夾角)，進行相似性檢索實驗，實驗結(jié)果如下(1)最相似的16個光譜的波形；(2)最相似的16個光譜名稱、礦物類型及礦物組成(見表1)；(3)光譜庫中屬于赤鐵礦的12個光譜在相似性檢索中的排序(見表2)。
從三個方面對檢索結(jié)果進行評價(1)檢索精度，它是指返回的檢索結(jié)果中與參數(shù)光譜同類的光譜占總結(jié)果的比例；(2)召回率，它是與參考光譜同類的光譜中，返回的同類光譜所占的比重；(3)同類光譜在光譜相似性排序。
表1最相似的16個光譜名稱及礦物類型



表2所有赤鐵礦類的光譜在相似性檢索中的排序及光譜角

從表1可以看到(1)從礦物類別來看，在非線性光譜制圖檢索中，屬于赤鐵礦的光譜共有10個，而光譜角制圖方法中，只有7個屬于赤鐵礦類；(2)從礦物類型來看，在非線性光譜角制圖檢索中，屬于氧化物的光譜有12個，而光譜角制圖方法中，屬于氧化物的光譜只有9個；(3)光譜吸收特征的形成主要是由于礦物中電子躍遷和分子振動(Clark，R.N.199)，因此，礦物的組成在一定程度決定了光譜的診斷性波形。從礦物組成來看，含有Alpha-Fe2O3的光譜，在連續(xù)統(tǒng)約束下的非線性光譜制圖方法中共有14個，而光譜角制圖方法中只有10；因此，從兩種方法最相似性的16個光譜來分析，非線性光譜角制圖方法要明顯優(yōu)于光譜角制圖方法。從以上三個不同的光譜同類的角度出發(fā)，檢索精度的計算結(jié)果見表3。
表3兩類方法檢索精度對照表

此外，從礦物類別來看，光譜角的檢索的召回率為0.583，而非線性光譜角制圖方法的召回率為0.833。
從表2可以看到屬于赤鐵礦的12個光譜在光譜庫中所有光譜相似性度量的排序中，對非線性光譜角制圖方法而言，10個光譜在處于最相似的16個檢索結(jié)果中，而最大的序號是25。然而在光譜角制圖方法中，只有7個處于最相似的16個檢索結(jié)果中，此外，它的最大序號達到了96，而且大于序列號25的有5個。
因此，從光譜類別相似性檢索的角度來看，非線性光譜角制圖方法明顯優(yōu)于光譜角制圖方法。
權(quán)利要求
1.一種非線性光譜相似性度量方法，其特征在于，包括兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一是采用核主成分分析方法去除光譜波段之間的強相關(guān)性，另一個是光譜反射和吸收特征的合并，其中(1)采用核主成分分析方法去除了光譜波段之間的強相關(guān)性針對光譜波段間的強相關(guān)性，首先利用非線性變換將原始光譜向量變換到一個新的特征空間，然后，在特征空間中，利用核函數(shù)和主成分分析方法得到協(xié)方差矩陣所有非零特征特征值和特征向量，將特征值按降序排列，選擇前N個特征值對應(yīng)的特征向量，N為光譜波段數(shù)，并以此構(gòu)造一組標準正交基，最后，將特征空間中光譜向量投影到標準正交基上；(2)合并光譜反射和吸收特征將核變換以后反射率向量和歸一化以后的吸收率向量對應(yīng)波段值相乘，從而構(gòu)成一個復(fù)合的光譜向量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性光譜相似性度量方法，以下對本發(fā)明方法的進一步限定，具體步驟如下(1)選擇核函數(shù)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；(2)利用核函數(shù)得到核矩陣K，通過核函數(shù)，將原始光譜向量投影到一個希爾伯特內(nèi)積空間中，完成一個隱式的非線性變換；(3)通過計算獲得核矩陣K的特征值和特征向量；(4)選擇N個非零的特征值和特征向量，并對特征向量進行零均值處理，其中N為光譜波段數(shù)；(5)將特征空間中所有的光譜向量投影到選擇的特征向量所構(gòu)成的正交坐標基上；(6)合并變換后的反射特征和吸收特征；(7)利用光譜角制圖對變換以后的向量進行相似性量度。
全文摘要
一種非線性光譜相似性度量方法，屬于信息技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明一是采用核主成分分析方法去除了光譜波段之間的強相關(guān)性針對光譜波段間的強相關(guān)性，利用非線性變換將原始光譜向量變換到一個新的特征空間，在特征空間中，利用核函數(shù)和主成分分析方法得到協(xié)方差矩陣所有非零特征特征值和特征向量，將特征值按降序排列，選擇前N個特征值對應(yīng)的特征向量，并以此構(gòu)造一組標準正交基，最后，將特征空間中光譜向量投影到標準正交基上；二是合并光譜反射和吸收特征將核變換以后反射率向量和歸一化以后的吸收率向量對應(yīng)波段值相乘，構(gòu)成一個復(fù)合的光譜向量。本發(fā)明能去除波段間的強相關(guān)性，同時兼顧光譜反射和吸收特征在光譜相似性度量中的作用。
文檔編號G01J3/28GK1546959SQ20031010934
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月12日
發(fā)明者方濤, 唐宏, 杜培軍, 方 濤 申請人:上海交通大學(xué)