像元解混逆過程：規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種像元解混逆過程：規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法，其特征在于：包括多光譜圖像的反射率圖像進(jìn)行規(guī)格化多端元分解獲得高光譜數(shù)據(jù)，多光譜影像中提取的地物光譜可分解為光譜形狀和像元DN值兩本分的線性組合，規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法就是根據(jù)光譜庫中純端元進(jìn)行不同性質(zhì)的混合來獲取混合場景中最優(yōu)的端元組分，從而避免端元過多帶來的噪聲放大和端元過少造成的精度下降現(xiàn)象，并在精確解混的基礎(chǔ)上考慮端元的時空變化，在減少計(jì)算量同時準(zhǔn)確重構(gòu)高光譜數(shù)據(jù)。通過對多光譜數(shù)據(jù)光譜重構(gòu)獲得連續(xù)的高光譜數(shù)據(jù)，在保留多光譜圖像的高空間分辨率、高信噪比的同時，提高了多光譜數(shù)據(jù)的光譜分辨率。
【專利說明】像元解混逆過程:規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及遙感【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是關(guān)于一種混合像元解混的逆過程中通過對多光譜圖像進(jìn)行規(guī)格化多端元分解來重構(gòu)相應(yīng)高光譜圖像的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]高光譜遙感數(shù)據(jù)可以提供地物的連續(xù)光譜，光譜分辨率小于十納米，而普通多光譜數(shù)據(jù)光譜分辨率在幾百納米，使得高光譜數(shù)據(jù)可以用于更加精細(xì)的分類和定量處理。但是高光譜數(shù)據(jù)的獲取比較難，需要的費(fèi)用比較高，且只能獲得小片區(qū)域的高光譜數(shù)據(jù)(例如Hyper1n數(shù)據(jù)只有十幾公里寬)；而且空間、光譜分辨率和信噪比之間不能同時得到保證，即:在獲取高光譜分辨率和空間分辨率圖像會使圖像信噪比下降，使得獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量下降；獲取高光譜分辨率同時保證較高的信噪比時就必須降低空間分辨率。一般傳感器選擇降低圖像的空間分辨率，來獲取較高信噪比的高光譜圖像。
[0003]高光譜重構(gòu)是現(xiàn)在技術(shù)中解決高光譜數(shù)據(jù)不足的有效方法，主要有以下幾方面的作用:1)光譜重構(gòu)從混合像元求解問題的逆過程來理解高光譜像元的成像過程，這兩者之間對偶的關(guān)系對混合像元求解有很好的借鑒作用；2)高光譜數(shù)據(jù)存在著噪聲，壞線，條帶，Smile以及傳感器性能的衰減和退化等效應(yīng)，這些問題嚴(yán)重的阻礙了高光譜數(shù)據(jù)的廣泛的深入的應(yīng)用和推廣，而利用多光譜性能的穩(wěn)定性，以及利用其重構(gòu)光譜的可行性，可以提高高光譜數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和使用質(zhì)量；3)使得間接利用多光譜數(shù)據(jù)的光譜波形信息進(jìn)行地物識別成為可能；4)可以拓展遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用深度和廣度，有助于探索高空間與高光譜分辨率之間相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，并為傳感器的研制和應(yīng)用提供借鑒。通過多光譜數(shù)據(jù)來重構(gòu)高光譜數(shù)據(jù)也是人們一直在研究的熱點(diǎn)問題，現(xiàn)階段民用多光譜數(shù)據(jù)空間分辨率已經(jīng)發(fā)展到米級，甚至有的達(dá)分米級，通過多光譜重構(gòu)的高光譜數(shù)據(jù)，可以保留多光譜高空間分辨率的特性，同時，獲得高空間分辨率的高光譜圖像，也解決了高光譜混合像元解耦問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠通過多光譜數(shù)據(jù)獲取全球任意區(qū)域的高光譜數(shù)據(jù)的基于規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種像元解混逆過程:規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法，包括以下步驟:1)選定測量區(qū)域，獲取由多光譜傳感器和高光譜傳感器記錄的待測量區(qū)域的多光譜圖像和高光譜圖像；2)對待測量區(qū)域的多光譜/高光譜圖像進(jìn)行輻射校正處理獲得待測量區(qū)域的多光譜/高光譜地物反射率圖像；3)構(gòu)建地物光譜庫，庫中包括多種典型物種端元的波譜庫、實(shí)測光譜和影像光譜；4)將步驟3)中所構(gòu)建的光譜庫中的地物光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化，得到每一種典型物種端元所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參考光譜；5)將步驟2)中多光譜圖像反射率數(shù)據(jù)中的每個像元分別進(jìn)行規(guī)格化多端元分解，并將分解的各端元進(jìn)行不同性質(zhì)的混合得到每個像元對應(yīng)的最優(yōu)分解模型；6)按照步驟5)得到的最優(yōu)端元組合模型所對應(yīng)的端元覆蓋率對步驟3)中地物光譜庫中所對應(yīng)的端元標(biāo)準(zhǔn)參考光譜進(jìn)行重構(gòu),得到像元的重構(gòu)高光譜數(shù)據(jù)。
[0006]步驟5)將步驟2)中得到的多光譜圖像反射率數(shù)據(jù)中的每個像元分別進(jìn)行規(guī)格化多端元分解，并將分解的各端元進(jìn)行不同性質(zhì)的混合得到每個像元對應(yīng)的最優(yōu)分解模型的具體過程為:將分解的各端元按照設(shè)定的方法進(jìn)行混合迭代，并將每一次迭代得到的端元覆蓋率與相應(yīng)的端元組合成某像元的多光譜圖像，并將此像元的多光譜圖像與步驟2)的多光譜地物反射率圖像中的對應(yīng)像元多光譜進(jìn)行相似度比較，遍歷端元所有可能的組合，在相似度符合設(shè)定閾值的條件下選擇相似度最大的作為最優(yōu)分解模型；由于端元類內(nèi)與端元類間的變化是分解模型最主要誤差源，認(rèn)為在規(guī)格化的多端元分解方法中端元是可在每個像素的基礎(chǔ)上變化的，提出針對第i波段的反射率模型修正:

【權(quán)利要求】
1.一種像元解混逆過程:規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法，包括以下步驟: 1)選定測量區(qū)域，獲取由多光譜傳感器和高光譜傳感器記錄的待測量區(qū)域的多光譜圖像和高光譜圖像； 2)對待測量區(qū)域的多光譜/高光譜圖像進(jìn)行輻射校正處理獲得待測量區(qū)域的多光譜/高光譜地物反射率圖像； 3)構(gòu)建地物光譜庫，庫中包括多種典型物種端元的波譜庫、實(shí)測光譜和影像光譜； 4)將步驟3)中所構(gòu)建的光譜庫中的地物光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化，得到每一種典型物種端元所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參考光譜； 5)將步驟2)中多光譜圖像反射率數(shù)據(jù)中的每個像元分別進(jìn)行規(guī)格化多端元分解，并將分解的各端元進(jìn)行不同性質(zhì)的混合獲取每個像元對應(yīng)的最優(yōu)分解模型； 6)將步驟5)得到的最優(yōu)端元組合模型所對應(yīng)的端元覆蓋率對步驟3)中地物光譜庫中所對應(yīng)的端元標(biāo)準(zhǔn)參考光譜進(jìn)行重構(gòu)，得到像元的重構(gòu)高光譜數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的像元解混逆過程:規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法，其特征在于:步驟5)將步驟2)中多光譜圖像反射率數(shù)據(jù)中的每個像元分別進(jìn)行規(guī)格化多端元分解，并將分解的各端元進(jìn)行不同性質(zhì)的混合獲取每個像元對應(yīng)的最優(yōu)分解模型的具體過程為:將分解的各端元按照設(shè)定的方法進(jìn)行混合迭代，并將每一次迭代得到的端元覆蓋率與相應(yīng)的端元組合成某像元的多光譜圖像，并將此像元的多光譜圖像與步驟2)的多光譜地物反射率圖像中的對應(yīng)像元多光譜進(jìn)行相似度比較，遍歷端元所有可能的組合，在相似度符合設(shè)定閾值的條件下選擇相似度最大的作為最優(yōu)分解模型； 由于端元類內(nèi)與端元類間的變化是分解模型最主要誤差源，認(rèn)為在規(guī)格化的多端元分解方法中端元是可在每個像素的基礎(chǔ)上變化的，提出針對第i波段的反射率模型修正:
Koptmmn, = C1.P;:' +C2./§+..-+Cb.+ r 式中，RMptimum為第i波段對應(yīng)像元的最優(yōu)擬合反射率，C1C^Cn為該像元各端元的分解系數(shù)，T1為殘差項(xiàng)，P丨'此."p1:,,為規(guī)格化后的各端元的標(biāo)準(zhǔn)光譜，上標(biāo)I1,12,..., In分別表示光譜庫中該類地物中的一種。
3.如權(quán)利要求2所述的像元解混逆過程:規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法，其特征在于:步驟5)根據(jù)需要，同時考慮精度要求和最優(yōu)分解模型的生成時間，可將端元數(shù)目限定在7個；若不考慮計(jì)算時間的要求，根據(jù)本發(fā)明的原理可以根據(jù)實(shí)際需要增加搜索端元的數(shù)量，直至滿足精度要求為止。
4.如權(quán)利要求1到3任一項(xiàng)所述的像元解混逆過程:規(guī)格化多端元分解的高光譜重構(gòu)方法，其特征在于:步驟6)將得到的最優(yōu)端元組合模型所對應(yīng)的端元覆蓋率對地物光譜庫中所對應(yīng)的端元標(biāo)準(zhǔn)參考光譜進(jìn)行重構(gòu)，得到像元的重構(gòu)高光譜數(shù)據(jù)，具體過程如下:多光譜圖像中的光譜表示為若干標(biāo)準(zhǔn)模式和殘差項(xiàng)的線性組合:
R = fiei+f2e2+—+fnen+r 式中，R為像元的反射率，ei, e2,…，en為實(shí)際場景中的不同組分，其下標(biāo)代表不同的端元，f為端元的覆蓋率，其下標(biāo)代表不同的端元，r為殘差值，對于多光譜傳感器來說，其表示為:
Rm = eIIif+rIiieIii 式中，下標(biāo)m代表多光譜傳感器，通過原先計(jì)算的最優(yōu)端元分解模型，將各端元對應(yīng)光譜庫中較窄的波段eH來代替em，重構(gòu)獲得所需的高光譜數(shù)據(jù):
Rh — eH^+rHeH 式中，下標(biāo)H代表高光譜傳感器，Rh為重構(gòu)的高光譜數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G06T5/50GK104182953SQ201410415258
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】晏磊, 劉綏華, 趙紅穎, 景欣, 程承旗, 張立福, 李博, 羅斌, 劉慧麗, 魏云鵬, 汪卓琦 申請人:北京大學(xué)