專利名稱：室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高光譜圖像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法。
背景技術(shù)：
隨著高光譜圖像技術(shù)的發(fā)展，其在田間作物信息診斷方面的研究成為當(dāng)今精細(xì)農(nóng)業(yè)中的研究熱點(diǎn)。基于高光譜圖像技術(shù)的作物含水率、氮含量、葉綠素含量等成分的檢測(cè)成為田間作物信息獲取的有效渠道，但是田間高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源受大氣環(huán)境、 太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角等因素的影響較大，直接導(dǎo)致太陽(yáng)光源在某些波段處的強(qiáng)度被削弱，出現(xiàn)光源照度不均勻、無(wú)法提供全波段光譜輻射等情況，極大地影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度和有效性。而目前尚無(wú)針對(duì)此種情況的校正方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法，可用于有效地獲取室外太陽(yáng)光源下作物的高光譜圖像信息，實(shí)現(xiàn)室外、田間高光譜圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)化。一種室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法，包括以下步驟(1)測(cè)量太陽(yáng)光源下反射率為100%的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度；(2)對(duì)步驟(1)得到的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度進(jìn)行移動(dòng)平均平滑處理，得到平滑輻射強(qiáng)度，其中移動(dòng)平滑平均的窗口大小為3、5、7、9、11、13或15 ；(3)計(jì)算所述平滑輻射強(qiáng)度減去所述輻射強(qiáng)度得到的值，為平滑輻射強(qiáng)度與輻射強(qiáng)度之間的絕對(duì)誤差；(4)對(duì)所述絕對(duì)誤差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換得到標(biāo)準(zhǔn)化誤差，所述標(biāo)準(zhǔn)化變換為將絕對(duì)誤差除以輻射強(qiáng)度的最大值與最小值之差值；(5)將所述標(biāo)準(zhǔn)化誤差值大于3%時(shí)所處波長(zhǎng)作為誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)，將所述誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)處的絕對(duì)誤差值作為誤差校正基準(zhǔn)；(6)采用人工照明裝置在誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)補(bǔ)充提供等同于誤差校正基準(zhǔn)值的輻射強(qiáng)度，完成對(duì)室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的輻射校正。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述移動(dòng)平滑平均的窗口大小為9。優(yōu)選的技術(shù)方案中，步驟(5)中，將所述標(biāo)準(zhǔn)化誤差值大于5%時(shí)所處波長(zhǎng)作為誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)，將所述誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)處的絕對(duì)誤差值作為誤差校正基準(zhǔn)。本發(fā)明中，采用反射率為100%的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度為基礎(chǔ)，并采用移動(dòng)平均平滑法來(lái)獲得誤差校正基準(zhǔn)，然后基于誤差校正基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光源的輻射校正。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果①簡(jiǎn)單，本發(fā)明方法獲取漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度作為校正的基礎(chǔ)，隨后采用移動(dòng)平均平滑法處理，操作過(guò)程和數(shù)學(xué)計(jì)算算法簡(jiǎn)單。
②快速，本發(fā)明校正方法步驟少、操作簡(jiǎn)單，故能快速實(shí)現(xiàn)校正。③低成本，本發(fā)明提出的校正方法采用漫反射標(biāo)準(zhǔn)板就可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光輻射的定性定量分析，與專門的輻射計(jì)相比，價(jià)格便宜，成本低。④具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，本發(fā)明校正方法因步驟簡(jiǎn)單、使用方便，可以快速地實(shí)現(xiàn)室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正，故具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為太陽(yáng)光源下所測(cè)得的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度圖。圖2為經(jīng)移動(dòng)平均平滑后的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的平滑輻射強(qiáng)度圖。圖3為650-850nm范圍的絕對(duì)誤差值示意圖。圖4為校正后漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。一種室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法，包括以下步驟(1)采用高光譜圖像儀測(cè)量太陽(yáng)光源下反射率為100%的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度r。其中，漫反射標(biāo)準(zhǔn)板(diffuse reflectance standards，DRS)來(lái)自美國(guó)的 Labsphere公司。高光譜成像儀是芬蘭生產(chǎn)的LnSpector VlO光譜圖像儀，可以獲取樣本在 400-1000nm波段范圍的高光譜圖像。上述太陽(yáng)光源下所測(cè)得的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度r，如圖1所示。從圖1中可以看出漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度在波長(zhǎng)650-850nm范圍有明顯的波谷，由于漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的反射率是100%，所以它的輻射強(qiáng)度直接反映了太陽(yáng)光源的輻射特性，即太陽(yáng)光源存在輻射強(qiáng)度不均勻的狀況，這是由于太陽(yáng)光源發(fā)射出來(lái)的光在到達(dá)漫反射標(biāo)準(zhǔn)板之前經(jīng)過(guò)了復(fù)雜的大氣環(huán)境，某些波段的光被大氣層中物質(zhì)吸收掉了，直接導(dǎo)致到達(dá)測(cè)量對(duì)象的輻射光不均勻。所以有必要對(duì)太陽(yáng)光源進(jìn)行校正。(2)對(duì)太陽(yáng)光源下所測(cè)得的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度r進(jìn)行移動(dòng)平均平滑處理， 得到平滑輻射強(qiáng)度rs，其中采用移動(dòng)平滑平均的窗口大小為9。移動(dòng)平均平滑法是指采用一定大小的窗口對(duì)信號(hào)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，來(lái)獲得平滑數(shù)據(jù)的信號(hào)處理方法。具體如下，設(shè)原信號(hào)為X= (X1, &，…，Xm)，移動(dòng)平
均平滑法后的信號(hào)為女= 1^,^,...,^1設(shè)Xi為原信號(hào)中的任一數(shù)據(jù)，則通過(guò)公式
VJ
/_, ^ N-I，…，*^，…，*^ JV+1
；— “T_iI即可實(shí)現(xiàn)對(duì)原信號(hào)X的N窗口移動(dòng)平均平滑，其中N為移動(dòng)
N
平滑平均的窗口大小，采用正奇數(shù)。經(jīng)移動(dòng)平均平滑處理后的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度rs如圖2所示。比較圖1和圖2，可以看出在650-850nm范圍，圖1中有明顯波谷，而圖2中則變得非常平坦。(3)計(jì)算平滑輻射強(qiáng)度rs減去輻射強(qiáng)度r得到的值，為平滑輻射強(qiáng)度與輻射強(qiáng)度之間的絕對(duì)誤差e，即，e = rs-r。在波長(zhǎng)650-850nm范圍的絕對(duì)誤差e如圖3所示。
(4)對(duì)絕對(duì)誤差e進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換得到標(biāo)準(zhǔn)化誤差e ‘；即，將絕對(duì)誤差e除以輻射強(qiáng)度r中輻射強(qiáng)度的最大值rmax與最小值rmin之差值得到標(biāo)準(zhǔn)化誤差e'，S卩，e' = e/ (rfflax-rfflin)；輻射強(qiáng)度的最大值rmax與最小值rmin為步驟(1)中所測(cè)得的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度r中最大值和最小值。(5)將標(biāo)準(zhǔn)化誤差值e'大于3%時(shí)所處波長(zhǎng)作為誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)，將誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)處的絕對(duì)誤差值作為誤差校正基準(zhǔn)c ；如表1中所示，標(biāo)準(zhǔn)化誤差值e'大于3% 時(shí)所處波長(zhǎng)，分別位于 460nm、470nm、480nm、510nm、660nm、690nm、770nm、780nm、850nm 和 860nm處，相應(yīng)地誤差校正基準(zhǔn)c的值等于這些波長(zhǎng)處的絕對(duì)誤差值e。(6)以誤差校正基準(zhǔn)為依據(jù)，采用人工照明裝置在誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)補(bǔ)充提供等同于誤差校正基準(zhǔn)值的輻射強(qiáng)度，完成對(duì)高光譜成像系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的輻射校正。校正后的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板輻射強(qiáng)度r。= c+r，如圖4所示。比較圖4與圖1可以看出，圖1中 650-850nm波長(zhǎng)范圍明顯的波谷，在圖4中已經(jīng)被校正。表 權(quán)利要求
1.一種室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法，其特征在于，包括(1)測(cè)量太陽(yáng)光源下反射率為100%的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度；(2)對(duì)步驟(1)得到的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度進(jìn)行移動(dòng)平均平滑處理，得到平滑輻射強(qiáng)度，其中移動(dòng)平滑平均的窗口大小為3、5、7、9、11、13或15 ；(3)計(jì)算所述平滑輻射強(qiáng)度減去所述輻射強(qiáng)度得到的值，為平滑輻射強(qiáng)度與輻射強(qiáng)度之間的絕對(duì)誤差；(4)對(duì)所述絕對(duì)誤差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換得到標(biāo)準(zhǔn)化誤差，所述標(biāo)準(zhǔn)化變換為將絕對(duì)誤差除以輻射強(qiáng)度的最大值與最小值之差值；(5)將所述標(biāo)準(zhǔn)化誤差值大于3%時(shí)所處波長(zhǎng)作為誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)，將所述誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)處的絕對(duì)誤差值作為誤差校正基準(zhǔn)；(6)采用人工照明裝置在誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)補(bǔ)充提供等同于誤差校正基準(zhǔn)值的輻射強(qiáng)度，完成對(duì)室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的輻射校正。
2.如權(quán)利要求1所述的室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法，其特征在于，所述移動(dòng)平滑平均的窗口大小為9。
3.如權(quán)利要求1所述的室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法，其特征在于，步驟(5)中，將所述標(biāo)準(zhǔn)化誤差值大于5%時(shí)所處波長(zhǎng)作為誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)，將所述誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)處的絕對(duì)誤差值作為誤差校正基準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種室外高光譜圖像采集系統(tǒng)中太陽(yáng)光源的校正方法，包括測(cè)量太陽(yáng)光源下反射率為100％的漫反射標(biāo)準(zhǔn)板的輻射強(qiáng)度，移動(dòng)平均平滑處理得到平滑輻射強(qiáng)度，計(jì)算平滑輻射強(qiáng)度減去輻射強(qiáng)度的值得到絕對(duì)誤差，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化變換得到標(biāo)準(zhǔn)化誤差；將標(biāo)準(zhǔn)化誤差值大于3％時(shí)所處波長(zhǎng)和絕對(duì)誤差值作為誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)和誤差校正基準(zhǔn)，采用人工照明裝置在誤差校正基準(zhǔn)波長(zhǎng)補(bǔ)充提供等同于誤差校正基準(zhǔn)值的輻射強(qiáng)度，完成對(duì)太陽(yáng)光源的輻射校正。本發(fā)明步驟簡(jiǎn)單、使用方便，可快速地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光源的校正，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可用于有效地獲取室外太陽(yáng)光源下作物的高光譜圖像信息，實(shí)現(xiàn)室外、田間高光譜圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)化。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102507458SQ20111037547
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者何勇, 李曉麗, 聶鵬程, 裘正軍, 鮑一丹 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)