專利名稱：高光譜小目標探測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及高光譜遙感探測技術，尤其涉及一種高光譜小目標探測方法及裝置。
背景技術：
高光譜遙感是二十世紀末地球觀測系統中最重要的技術突破之一，它克服了傳統單波段、多光譜遙感在波段數、波段范圍、精細信息表達等方面的局限性，以較窄的波段區間、較多的波段數量提供遙感信息，能夠從光譜空間中對地物予以細分和鑒別，在資源遙感、環境遙感、生態遙感等領域得到了廣泛應用。高光譜遙感技術能夠借助豐富的地物圖像和光譜信息，反映目標地物與背景地物間的細微差異，從而將目標地物與背景地物區分開來。利用高光譜遙感技術，可以發現用紋理、邊緣等圖像特征難以探測的地面目標，這對于在圖像上僅覆蓋很少幾個像元的小目標的探測非常有利。
目前常見的小目標探測方法主要包括RX小目標探測方法、投影尋蹤方法和主成分分解方法等。
其中，RX小目標探測方法為假設背景光譜信息滿足某種多維分布，構造圖像的協方差矩陣；由主成分分析的方法將多維圖像光譜壓縮到少數互不相關的以主成分為基底的空間上；構造能夠反映像元光譜特征值大小的檢測算子，可以從背景光譜中突出目標光譜信息；再通過假設檢驗的方法確定小目標是否存在，從而實現小目標的探測。
投影尋蹤方法為通過選取代表目標與背景光譜區別的目標函數，構造一個或一組正交向量作為投影方向；采用優化搜索的方法確定使目標函數最大的投影方向，并將光譜數據投影至所確定的投影方向；將多維光譜信息壓縮至低維，并突出目標信息，從而通過概率的方法檢測出小目標。
主成分分解方法，主要是通過將各主成分的得分作為獨立的圖像進行異常值檢測，從而實現小目標的探測。
綜上所述，現有的小目標探測方法，需要對維數較大的待測區域的高光譜數據進行分解或求逆等復雜運算，運算量較大，運行速度較慢，從而導致探測效率較低。
發明內容
有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種高光譜小目標探測方法及裝置，以解決現有技術中的小目標探測方法探測效率較低的問題。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的 本發明提供了一種高光譜小目標探測方法，包括 獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣； 將所述像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與所述待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值； 根據所述光譜角匹配值，獲取與所述每個像元對應的馬氏距離； 將所述每個像元對應的馬氏距離與預定閾值進行比較，并確定馬氏距離大于預定閾值的像元點為小目標點。
所述獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣，具體包括 將所述待測圖像像元中的三維高光譜數據表示為高光譜反射率的像元光譜二維矩陣 Rm×n＝[p1，p2...py×i+j...px×y]，0＜i≤x，0＜j≤y， 或Rm×n＝[p1，p2...pi+x×j...px×y]，0＜i ≤x，0＜j≤y， 其中，Rm×n表示像元光譜二維矩陣，[p1，p2...py×i+j...px×y]和[p1，p2...pi+x×j...px×y]表示待測圖像的像元光譜矢量，m表示波段數，n表示待測圖像像元的總數，x表示待測圖像像元的行數，y表示待測圖像像元的列數，n＝x×y。
所述獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的二維矩陣之后，該方法還包括對所述待測圖像的像元光譜二維矩陣進行校正光譜誤差的預處理，得到校正后的像元光譜二維矩陣。
所述預處理為連續統去除處理、標準正交變換處理和附加散射校正處理中的至少一種。
所述將像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值，具體包括 根據所述像元光譜二維矩陣得到所述待測圖像像元的平均光譜其中，ph表示所述待測圖像中第h個像元的光譜矢量； 將所述每個像元光譜與得到的平均光譜進行光譜角匹配，按如下公式計算如下 其中，αh表示待測圖像中第h個像元的光譜角匹配值，ph表示待測圖像中第h個像元的光譜矢量，p表示平均光譜矢量，pk表示平均光譜矢量在第k個波段的反射率值，phk表示待測圖像中的第h個像元在第k個波段處的反射率值。
所述根據光譜角匹配值，獲取與每個像元對應的馬氏距離為 其中，MDh表示待測圖像中第h個像元的馬氏距離，αh表示待測圖像中第h個像元的光譜角匹配值，n表示待測圖像像元總數，α表示所有像元光譜角匹配值的平均值，M-1為馬氏距離矩陣M的逆矩陣，C表示由待測圖像像元中的各個αh組成的光譜角匹配向量。
所述預定閾值是采用如下方式確定的 其中，Δ表示預定閾值，u表示待測圖像中每個像元的馬氏距離的平均值，Max為待測圖像中每個像元的馬氏距離MDh中的最大值。
本發明還提供了一種高光譜小目標探測裝置，包括二維矩陣獲取單元、角匹配單元、馬氏距離獲取單元和小目標點確定單元；其中， 所述二維矩陣獲取單元，用于獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣； 所述角匹配單元，用于將所述像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與所述待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值； 所述馬氏距離獲取單元，用于根據所述光譜角匹配值，獲取與所述每個像元對應的馬氏距離； 所述小目標點確定單元，用于將所述每個像元對應的馬氏距離與預定的閾值進行比較，并確定馬氏距離大于預定閾值的像元點為小目標點。
所述裝置還包括預處理單元，連接所述二維矩陣獲取單元和角匹配單元，用于對所述二維矩陣獲取單元得到的像元光譜二維矩陣進行校正光譜誤差的預處理，得到處理后的像元光譜二維矩陣提供給所述角匹配單元。
本發明所提供的高光譜小目標探測方法及裝置，從光譜維角度進行光譜奇異點的檢測，從而實現對異常目標的探測，無需任何先驗信息；本發明在檢測過程中，采用光譜角匹配的方法將多維的光譜數據壓縮至一維，并突出奇異值目標信息，因此運算量小，運算速度快；本發明在馬氏距離奇異值檢測過程中采用適應閾值的方法，可以在像元光譜統計模型未知的基礎上進行小目標探測，適用范圍更加廣泛，探測的準確率更高；此外，本發明是針對光譜維進行的操作，可以采集一個像元點的光譜后即進行運算，無需等待整個區域的目標光譜都采集完成，從而更好的滿足了目標探測在實時性上的要求。
圖1為本發明一種高光譜小目標探測方法的流程圖； 圖2為本發明實施例的原始高光譜圖像的示意圖； 圖3為本發明實施例的待測圖像的示意圖； 圖4為本發明實施例的原始光譜未經預處理的光譜圖； 圖5為本發明實施例的原始光譜經連續統去除和正交變換處理后的光譜圖； 圖6為本發明實施例的待測圖像的像元平均光譜示意圖； 圖7為本發明實施例的待測圖像中每個像元的角匹配值示意圖； 圖8為本發明實施例的待測圖像中每個像元的馬氏距離示意圖； 圖9為本發明實施例的探測結果示意圖； 圖10為本發明一種高光譜小目標探測裝置的組成結構示意圖。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進一步詳細闡述。
本發明所提供的高光譜小目標探測方法的流程圖，如圖1所示，主要包括以下步驟 步驟101，獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣。
將獲取的待測圖像像元的三維高光譜數據表示為高光譜反射率的像元光譜二維矩陣，如下 Rm×n＝[p1，p2...py×i+j...px×y]，0＜i≤x，0＜j≤y(1) 或Rm×n＝[p1，p2...pi+x×j...px×y]，0＜i≤x，0＜j≤y(2) 其中，(1)式為待測圖像像元按行展開的表示形式，(2)式為待測圖像像元按列展開的表示形式，Rm×n表示像元光譜二維矩陣，x表示待測圖像像元行數，y表示待測圖像像元列數，m表示波段數，n表示待測圖像像元總數，n＝x×y。[p1，p2...py×i+j...px×y]和[p1，p2...pi+x×j...px×y]表示待測圖像的像元光譜矢量，在按行展開的Rm×n中，py×i+j表示待測圖像中第i行第j列對應像元的光譜矢量；同理，在按列展開的Rm×n中，pi+x×j則表示待測圖像中第i行第j列對應像元的光譜矢量。每個像元的光譜矢量包括該像元在各個波段處的反射率值，例如假設第h個像元的光譜矢量為ph，則ph＝[ph1，ph2...phk...phm]T，[ph1，ph2...phk...phm]T代表[ph1，ph2...phk...phm]的轉置矩陣，其中phk表示第h個像元在第k個波段處的反射率值。由于成像光譜儀獲取的是圖像像元點在每個波段處的反射率值，因此該反射率值為已知量。
步驟102，對待測圖像的像元光譜二維矩陣進行校正光譜誤差的預處理，得到處理后的像元光譜二維矩陣。
對二維矩陣進行預處理的目的是校正因大氣散射等引起的光譜誤差，預處理的方法可以為連續統去除處理、標準正交變換處理和附加散射校正處理中的至少一種。
其中，連續統去除處理具體包括在光譜吸收中心兩側確定兩個相對峰值點作為端點，連接兩個端點就構成一條包絡在反射率曲線上方的直線，這條直線即為連續統。連續統去除后的相對反射率就是用實際光譜反射率除以連續統上相應波長處的反射率。經過連續統去除后，端點處的反射率均為1，而端點之間的反射率均小于1。
標準正交變換處理的公式如下 其中，phk，SNV表示經過正交變換處理后待測圖像中第h個像元在第k個波段的反射率值，ph表示待測圖像中第h個像元在各個波段處反射率的平均值，m表示波段數，m-1表示自由度。
附加散射校正處理的過程包括 首先，計算平均光譜矢量 然后，對每一個像元光譜進行線性回歸 ph＝mhp+bh(5) 再進行附加散射校正 上述(4)到(6)式中，p表示平均光譜矢量，
表示對所有像元光譜矢量的求和，ph表示待測圖像中第h個像元的光譜矢量，mh、bh分別表示第h個像元光譜矢量ph與所有像元平均光譜矢量的線性回歸的斜率與截距，ph(MSC)表示經過附加散射校正后的像元光譜矢量。
在進行預處理之后，可以得到校正光譜誤差之后較精確的光譜信息。需要指出的是，本發明的預處理方法并不僅僅局限于上述三種處理方法，其他任何能校正因大氣散射引等起的光譜誤差的處理方法也應屬于本發明的保護范圍；并且本發明實施例中進行預處理的操作可以選擇上述三種處理方法中的其中一種執行操作，也可選擇多種依次執行操作。步驟102為本發明的高光譜小目標探測方法中的可選操作，通過步驟102的預處理，可以使得高光譜小目標探測的結果更加準確。
步驟103，將處理后的像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值。
計算每個像元的光譜角匹配值的公式為 其中，αh表示待測圖像中第h個像元的光譜角匹配值，ph表示待測圖像中第h個像元的光譜矢量，p表示平均光譜矢量，pk表示平均光譜矢量在第k個波段的反射率值，phk表示待測圖像中的第h個像元在第k個波段處的反射率值。所謂光譜角匹配值是指待測像元光譜與平均光譜之間的夾角，待測圖像中的每個像元對應著一個光譜角匹配值，該角匹配值反映了每個像元偏離整個待測圖像的水平。公式(7)中的p實際上是作為一種參考光譜矢量，實現角匹配，而在實際應用中也可以采用其他的參考光譜矢量來代替公式(7)中的p進行角匹配，例如在待測圖像為草地占主導的情況下，可以選擇草的光譜矢量為參考光譜矢量，代替p實現上述公式(7)的運算。
步驟104，根據光譜角匹配值，獲取與每個像元對應的馬氏距離。
首先，根據得到的待測圖像中每個像元的光譜角匹配值αh，計算每個像元光譜角匹配值的馬氏距離，馬氏距離的計算公式為 其中，MDh表示待測圖像中第h個像元的馬氏距離，n表示待測圖像像元總數，α表示所有像元光譜角匹配值的平均值，M-1為馬氏距離矩陣M的逆矩陣，M可以由下式計算得到， 其中，C為由待測圖像像元中的各個αh組成的光譜角匹配向量。
步驟105，將每個像元對應的馬氏距離與預定的閾值進行比較，并確定馬氏距離大于預定閾值的像元點為小目標點。
預定閾值Δ可通過下式確定 其中，u為待測圖像中每個像元的馬氏距離的平均值，Max為待測圖像中每個像元的馬氏距離MDh中的最大值，也即確定馬氏距離MDh大于Δ的像元點為小目標點。
下面結合具體實施例對上述本發明的高光譜小目標探測方法進一步詳細闡述。本實例所用的高光譜遙感數據來源于機載成像光譜儀，機載成像光譜儀為采用推掃成像方式的成像光譜儀。本實施例中使用的高光譜圖像如圖2所示，大小為614×512像元，每個像元光譜包括224個波長，波長范圍從369.85納米到2506.81納米，波長間隔為10納米。具體探測過程如下 A、取圖2中所示白色方框內43×43像元的圖像為本實施例的待測圖像，圖3則為該待測圖像的示意圖，待測圖像像元總數n＝43×43＝1849。由于壞波段的存在，只采用光譜質量較好的507.74～1324.03nm波段作為探測波段。其中，可以看到白色方框中間的灰度值較大的像元為目標像元。
B、對待測圖像的各像元光譜進行連續統去除和標準正交變換處理，處理前的原始光譜如圖4所示，處理后的光譜如圖5所示。圖4和圖5中的橫坐標表示波長，縱坐標表示反射率。
C、將待測圖像中每個像元的光譜與待測圖像像元的平均光譜進行光譜角匹配，得到待測圖像中每個像元的光譜角匹配值。待測圖像像元的平均光譜如圖6所示，圖6中的橫坐標表示波長，縱坐標表示反射率。得到的每個像元的光譜角匹配值如圖7所示，圖7中的橫坐標表示像元數，縱坐標表示光譜角匹配值。
D、根據每個像元的光譜角匹配值，計算與每個像元相對應的馬氏距離，如圖8所示，圖8為本發明實施例的待測圖像中每個像元的馬氏距離示意圖，圖中的橫坐標表示像元數，縱坐標表示馬氏距離值。
E、對每個像元光譜所對應的馬氏距離進行奇異值檢測，將各像元光譜所對應的馬氏距離值與預定的閾值進行比較，并確定馬氏距離值大于預定閾值的像元為目標像元，從圖9所示的探測結果示意圖中可以看出待測圖像中心的目標像元點被準確的檢測出來，探測結果與實際情況相符。
為實現上述本發明的高光譜小目標探測方法，本發明還提供了一種高光譜小目標探測裝置，如圖10所示，該裝置包括二維矩陣獲取單元10、預處理單元20、角匹配單元30、馬氏距離獲取單元40和小目標點確定單元50。二維矩陣獲取單元10，用于獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣。預處理單元20，連接二維矩陣獲取單元10，用于對二維矩陣獲取單元10得到的像元光譜二維矩陣進行校正光譜誤差的預處理，得到處理后的像元光譜二維矩陣提供給角匹配單元30。預處理的方法可以為連續統去除處理、標準正交變換處理和附加散射校正處理中的至少一種，預處理的目的是校正因大氣散射引起的光譜誤差。角匹配單元30，連接預處理單元20，用于將經過預處理的像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值。馬氏距離獲取單元40，連接角匹配單元30，用于根據光譜角匹配值，獲取與每個像元對應的馬氏距離。小目標點確定單元50，連接馬氏距離獲取單元40，用于將每個像元對應的馬氏距離與預定的閾值進行比較，并確定馬氏距離大于預定閾值的像元點為小目標點。
綜上所述，本發明所提供的高光譜小目標探測方法及裝置，從光譜維角度進行光譜奇異點的檢測，從而實現對異常目標的探測，無需任何先驗信息；本發明在檢測過程中，采用光譜角匹配的方法將多維的光譜數據壓縮至一維，并突出奇異值目標信息，因此運算量小，運算速度快；本發明在馬氏距離奇異值檢測過程中采用適應閾值的方法，可以在像元光譜統計模型未知的基礎上進行小目標探測，適用范圍更加廣泛，探測的準確率更高；此外，本發明是針對光譜維進行的操作，可以采集一個像元點的光譜后即進行運算，無需等待整個區域的目標光譜都采集完成，從而更好的滿足了目標探測在實時性上的要求。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種高光譜小目標探測方法，其特征在于，包括
獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣；
將所述像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與所述待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值；
根據所述光譜角匹配值，獲取與所述每個像元對應的馬氏距離；
將所述每個像元對應的馬氏距離與預定閾值進行比較，并確定馬氏距離大于預定閾值的像元點為小目標點。
2、根據權利要求1所述高光譜小目標探測方法，其特征在于，所述獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣，具體包括
將所述待測圖像像元中的三維高光譜數據表示為高光譜反射率的像元光譜二維矩陣
Rm×n＝[p1，p2...py×i+j...px×y]，0＜i≤x，0＜j≤y，
或Rm×n＝[p1，p2...pi+x×j...px×y]，0＜i≤x，0＜j≤y，
其中，Rm×n表示像元光譜二維矩陣，[p1，p2...py×i+j...px×y]和[p1，p2...pi+x×j...px×y]表示待測圖像的像元光譜矢量，m表示波段數，n表示待測圖像像元的總數，x表示待測圖像像元的行數，y表示待測圖像像元的列數，n＝x×y。
3、根據權利要求1所述高光譜小目標探測方法，其特征在于，所述獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的二維矩陣之后，該方法還包括對所述待測圖像的像元光譜二維矩陣進行校正光譜誤差的預處理，得到校正后的像元光譜二維矩陣。
4、根據權利要求3所述高光譜小目標探測方法，其特征在于，所述預處理為連續統去除處理、標準正交變換處理和附加散射校正處理中的至少一種。
5、根據權利要求1所述高光譜小目標探測方法，其特征在于，所述將像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值，具體包括
根據所述像元光譜二維矩陣得到所述待測圖像像元的平均光譜其中，ph表示所述待測圖像中第h個像元的光譜矢量；
將所述每個像元光譜與得到的平均光譜進行光譜角匹配，按如下公式計算如下
其中，αh表示待測圖像中第h個像元的光譜角匹配值，ph表示待測圖像中第h個像元的光譜矢量，p表示平均光譜矢量，pk表示平均光譜矢量在第k個波段的反射率值，phk表示待測圖像中的第h個像元在第k個波段處的反射率值。
6、根據權利要求1所述高光譜小目標探測方法，其特征在于，所述根據光譜角匹配值，獲取與每個像元對應的馬氏距離為
其中，MDh表示待測圖像中第h個像元的馬氏距離，αh表示待測圖像中第h個像元的光譜角匹配值，n表示待測圖像像元總數，α表示所有像元光譜角匹配值的平均值，M-1為馬氏距離矩陣M的逆矩陣，C表示由待測圖像像元中的各個αh組成的光譜角匹配向量。
7、根據權利要求1所述高光譜小目標探測方法，其特征在于，所述預定閾值是采用如下方式確定的
其中，Δ表示預定閾值，u表示待測圖像中每個像元的馬氏距離的平均值，Max為待測圖像中每個像元的馬氏距離MDh中的最大值。
8、一種高光譜小目標探測裝置，其特征在于，包括二維矩陣獲取單元、角匹配單元、馬氏距離獲取單元和小目標點確定單元；其中，
所述二維矩陣獲取單元，用于獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣；
所述角匹配單元，用于將所述像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與所述待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值；
所述馬氏距離獲取單元，用于根據所述光譜角匹配值，獲取與所述每個像元對應的馬氏距離；
所述小目標點確定單元，用于將所述每個像元對應的馬氏距離與預定的閾值進行比較，并確定馬氏距離大于預定閾值的像元點為小目標點。
9、根據權利要求8所述高光譜小目標探測裝置，其特征在于，所述裝置還包括預處理單元，連接所述二維矩陣獲取單元和角匹配單元，用于對所述二維矩陣獲取單元得到的像元光譜二維矩陣進行校正光譜誤差的預處理，得到處理后的像元光譜二維矩陣提供給所述角匹配單元。
全文摘要
本發明公開了一種高光譜小目標探測方法，包括獲取待測圖像像元中三維高光譜數據的像元光譜二維矩陣；將像元光譜二維矩陣中的每個像元光譜與待測圖像像元的平均光譜進行角匹配，得到每個像元的光譜角匹配值；根據光譜角匹配值，獲取與每個像元對應的馬氏距離；將每個像元對應的馬氏距離與預定的閾值進行比較，并確定馬氏距離大于預定閾值的像元點為小目標點。本發明還提供了一種高光譜小目標探測裝置，采用本發明的高光譜小目標探測方法及裝置，無需任何先驗信息，具有較高的目標探測準確度和較快的運算速度，目標探測的效率較高。
文檔編號G01J3/28GK101266296SQ200810105320
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月28日 優先權日2008年4月28日
發明者李慶波, 張廣軍, 響 李 申請人:北京航空航天大學