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(xiàn)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(guó)《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(diǎn)在于它可以克服光照強(qiáng)度對(duì)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(méi)有考慮光譜波段間的強(qiáng)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(gè)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(duì)光譜特定吸收峰進(jìn)行相似性評(píng)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(duì)光譜相似性度量的貢獻(xiàn)是不一樣的，它的缺點(diǎn)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(duì)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(dú)立，然而這一假設(shè)并不符合實(shí)際情況，目前光譜波段間的強(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明方法包括兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一個(gè)是采用核主成分分析方法去除了光譜波段之間的強(qiáng)相關(guān)性，另一個(gè)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(qiáng)相關(guān)性針對(duì)光譜波段間的強(qiáng)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(gè)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(gè)(N為光譜波段數(shù))特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，并以此構(gòu)造一組標(biāo)準(zhǔn)正交基。最后，將特征空間中光譜向量投影到標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際處理時(shí)，連續(xù)統(tǒng)曲線是用分段的直線來(lái)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(duì)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(duì)稱性等)都可以根據(jù)連續(xù)統(tǒng)去除曲線來(lái)得到，而是將光譜的吸收特征作為相似性度量一個(gè)因子，見(jiàn)表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)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(biāo)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(guò)核函數(shù)，將原始光譜向量投影到一個(gè)希爾伯特內(nèi)積空間中，實(shí)際上是完成了一個(gè)隱式的非線性變換；
(3)通過(guò)計(jì)算獲得核矩陣K的特征值和特征向量；(4)選擇N個(gè)非零的特征值和特征向量，并對(duì)特征向量進(jìn)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(jìn)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(biāo)基上；(6)合并變換后的反射特征和吸收特征，見(jiàn)式2。
(7)利用光譜角制圖對(duì)變換以后的向量進(jìn)行相似性量度。
本發(fā)明主要有兩個(gè)方面的創(chuàng)新點(diǎn)，一方面利用核主成分分析去除了光譜波段間的強(qiáng)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(gè)波段間是相互獨(dú)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(qiáng)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(méi)有考慮到光譜波段間的強(qiáng)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(diǎn)，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(diǎn)，即光譜角制圖能克服光照強(qiáng)度對(duì)光譜相似性度量影響的優(yōu)點(diǎn)和光譜吸收指數(shù)中不同波段對(duì)光譜相似性度量的權(quán)重是貢獻(xiàn)是不一樣的。
具體實(shí)施例方式
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，結(jié)合實(shí)施例對(duì)該方法的實(shí)現(xiàn)作進(jìn)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(shí)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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)正交基，并計(jì)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(duì)變換以后的光譜向量進(jìn)行相似性量度。
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實(shí)施例以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的光譜庫(kù)(spc_lib04a)為數(shù)據(jù)源，對(duì)該光譜庫(kù)中的光譜進(jìn)行相似性檢索實(shí)驗(yàn)。光譜庫(kù)中共有共498條光譜，光譜的波段數(shù)為444，波長(zhǎng)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(kù)的詳細(xì)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(jìn)行相似性檢索實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下(1)最相似的16個(gè)光譜的波形；(2)最相似的16個(gè)光譜名稱、礦物類型及礦物組成(見(jiàn)表1)；(3)光譜庫(kù)中屬于赤鐵礦的12個(gè)光譜在相似性檢索中的排序(見(jiàn)表2)。
從三個(gè)方面對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)(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(gè)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(lái)看，在非線性光譜制圖檢索中，屬于赤鐵礦的光譜共有10個(gè)，而光譜角制圖方法中，只有7個(gè)屬于赤鐵礦類；(2)從礦物類型來(lái)看，在非線性光譜角制圖檢索中，屬于氧化物的光譜有12個(gè)，而光譜角制圖方法中，屬于氧化物的光譜只有9個(gè)；(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(dòng)(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(lái)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(gè)，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(gè)光譜來(lái)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(gè)不同的光譜同類的角度出發(fā)，檢索精度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3兩類方法檢索精度對(duì)照表

此外，從礦物類別來(lái)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(gè)光譜在光譜庫(kù)中所有光譜相似性度量的排序中，對(duì)非線性光譜角制圖方法而言，10個(gè)光譜在處于最相似的16個(gè)檢索結(jié)果中，而最大的序號(hào)是25。然而在光譜角制圖方法中，只有7個(gè)處于最相似的16個(gè)檢索結(jié)果中，此外，它的最大序號(hào)達(dá)到了96，而且大于序列號(hào)25的有5個(gè)。
因此，從光譜類別相似性檢索的角度來(lái)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(gè)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(qiáng)相關(guān)性，另一個(gè)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(qiáng)相關(guān)性針對(duì)光譜波段間的強(qiáng)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(gè)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(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，N為光譜波段數(shù)，并以此構(gòu)造一組標(biāo)準(zhǔn)正交基，最后，將特征空間中光譜向量投影到標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)波段值相乘，從而構(gòu)成一個(gè)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(duì)本發(fā)明方法的進(jìn)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(guò)核函數(shù)，將原始光譜向量投影到一個(gè)希爾伯特內(nèi)積空間中，完成一個(gè)隱式的非線性變換；(3)通過(guò)計(jì)算獲得核矩陣K的特征值和特征向量；(4)選擇N個(gè)非零的特征值和特征向量，并對(duì)特征向量進(jìn)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(biāo)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(duì)變換以后的向量進(jìn)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(qiáng)相關(guān)性針對(duì)光譜波段間的強(qiáng)相關(guān)性，利用非線性變換將原始光譜向量變換到一個(gè)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(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，并以此構(gòu)造一組標(biāo)準(zhǔn)正交基，最后，將特征空間中光譜向量投影到標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)波段值相乘，構(gòu)成一個(gè)復(fù)合的光譜向量。本發(fā)明能去除波段間的強(qiáng)相關(guān)性，同時(shí)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(hào)G01J3/28GK1546959SQ20031010934
公開(kāi)日2004年11月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海交通大學(xué)