基于影像光谱库的遥感波段模拟方法研究

针对常规的影像-影像多光谱影像波段模拟模型对研究区参考影像的依赖和随机性采样带来的模型不稳定问题以及光谱库-影像波段模拟模型中光谱库在类别、时间和空间上的不完善导致模型缺乏适用性问题,本文提出了基于影像光谱库的波段模拟方法。首先对与待模拟影像具有相似类别组成的参考影像进行光谱聚类,然后对各个光谱类别进行采样,形成影像光谱库,接着提取光谱库中的等量类别样本训练BP神经网络(BPN)回归模型,最后利用BPN模拟目标影像的波段。实验结果表明:该方法能够更为精确的模拟出TM蓝波段,其模拟均方根误差(RMSE)较光谱库-影像模型提高了1.3,较影像-影像模型提高了0.6,与影像-影像和光谱库-影像模型相比,该方法更加稳定可靠;该方法能够成功的应用到SPOT和MSS的蓝波段的模拟中并取到较好的效果。     

一种空间自适应的多光谱遥感影像端元提取方法

针对现行的凸锥体分析方法提取多光谱影像端元数目的有限性,提出了基于空间全局聚类分析的多光谱遥感影像端元自适应提取方法。该方法首先通过主成分分析对多光谱遥感影像进行降维处理,去除波段间的相关性;然后根据空间光谱间相似性,采用经典的空间聚类算法ISODATA对影像全局聚类,合并聚类后小斑块,实现影像自动分块;最后根据分块对象地物类型分布的复杂程度和散点图特征分析,自适应确定端元数目,再通过沙漏算法迅速地提取端元。通过TM影像端元提取实验表明该方法能够有效的提取多光谱影像的端元;同时克服了端元数目限制,提高了端元提取的精度,为多光谱遥感影像端元提取提供了新思路。     

光谱最小信息熵的高光谱影像端元提取算法

端元提取是混合像元分解的关键,研究其算法在高精度的地物识别、丰度反演和定量遥感等方面具有重要意义。通过研究高光谱遥感影像光谱特征,结合信息熵理论,应用高斯分布函数,建立了一种新的高光谱影像端元提取算法,即光谱最小信息熵(spectral minimum shannon entropy,SMSE)算法。将该算法应用于AVRIRS高光谱影像的端元光谱提取,并经过与美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)波谱库中的数据匹配,得知其提取端元的精度较高。同时,通过与经典的纯净像元指数(pixel purity index,PPI)和连续最大角凸锥(sequential maximum angle convex cone,SMACC)等端元提取算法进行实验比较和结果综合分析,发现光谱最小信息熵算法提取端元光谱效率更高、精度更好。此外,分别利用SMACC和SMSE提取Hyperion高光谱影像端元,得出SMSE的端元提取效果好于SMACC,从而可认为SMSE算法具有一定普适性。     

基于非负矩阵分解的中红外地表特性光谱重建方法

在中红外遥感领域,高光谱地表反射率/发射率等地表特性具有极高的应用价值和应用需求,但利用卫星遥感手段难以获取吸收波段的高光谱地表反射/发射特性,且通过光谱重建获取全波段的地表特性方法仍存在很多问题。为解决中红外全波段地表特性光谱重建所面临的难题,基于约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University, JHU)地物波谱库和中分辨率成像光谱仪(MODIS)短波红外和中红外地表多光谱卫星产品,提出了一种利用非负矩阵分解(NMF)重建高光谱地表反射率的方法,对2.5～5.0μm中红外光谱范围内的地表反射/发射率进行光谱重建,重建后的光谱分辨率可达10 nm。首先基于JHU地物波谱库选取4种典型地物类型(土壤、植被、人造材料和岩石),建立地物光谱库样本信息,再利用MODIS传感器光谱响应函数,根据等效计算公式将2.0～5.0μm波段范围反射率结果重采样到10 nm光谱间隔、共301个波段,得到JHU地表反射率光谱数据集。对光谱数据集进行非负矩阵分解处理,提取4条端元向量光谱曲线,结合MODIS短波红外和中红外4个波段(2.13、 3.75、 3.96和4.05μm)的全球月均地...     

基于局部端元光谱表征的地表水体遥感自适应提取

精确的光谱表征是遥感专题地物信息提取的重要前提。针对不同水体光谱之间特征差异性,给水体信息全局光谱表征带来不确定性,提出了基于局部端元光谱表征的各类水体自适应提取方法。首先通过全局光谱指数计算实现水体的初步识别;然后,建立局部专题地物目标区,进行PPI计算提取局部水体端元;第三,通过计算局部区域内水体端元光谱相似度,统计光谱相似度直方图;最后,分析直方图分布特征,选择初始分割阈值,通过逐步迭代自动调整阈值达到最佳阈值选择,实现局部水体单元的自适应高精度提取。通过不同类型湖泊水体提取实验表明,该方法要优于传统的全局水体光谱指数阈值分割法,能够准确、 自动地提取遥感影像上水体分布信息,几乎不受水体光谱特征差异的影响。     

基于端元可变的喀斯特地形复杂区石漠化信息提取

喀斯特山区因地形复杂、地表破碎等特点使得遥感影像中阴影、混合像元及光谱变异现象普遍存在,传统基于多光谱遥感的像元二分法（DPM）在光谱变异和阴影显著的区域难以准确的对喀斯特石漠化（KRD）信息进行提取。采用高光谱遥感的混合像元分解技术可将复杂的混合像元分解为纯净的地物光谱与各地物光谱对应的混合比例,为复杂山区获取更高精度的石漠化信息提供可能。然而,由于光照、环境及大气等诸多因素的变化会引起端元发生不同程度变异,导致在混合像元分解过程中出现显著的误差,其次要从地形复杂、地表异质性强的山区影像上直接获取地物纯净光谱建立用于应对光谱变异的光谱库极其困难。因此,如何在这种情况下应对光谱变异和地形效应,获取有效、准确的对石漠化信息进行提取是当前研究的重点。针对以上问题,采用通过模拟由光照条件造成的地物反射率变化,并考虑每个波长间隔光谱变异情况的广义线性混合模型（GLMM）,以减轻喀斯特地区石漠化信息提取过程中光谱变异与地形效应的影响。首先,从GF-5高光谱影像中提取喀斯特地区主要地物（植被、裸岩、裸土）的典型代表性光谱,然后基于提取的地物光谱模拟不同光照下每个像元光谱的变异情况,选择最适合的光谱组合对像元进行分解,得到最优的解混效果。为了验证方法的可靠性,利用高分辨率影像目视解译的结果作为参考对方法预测结果进行验证,同时选择未考虑端元变异的全限制最小二乘法（FCLSU）和DPM进行对比。结果表明,在地形高度复杂的喀斯特山区,考虑阴影、混合像元及光谱变异是必要的,GLMM在石漠化信息提取中总精度达到了84.89%,明显高于其他两种方法的59.68%和67.34%。通过对光照区和阴影区分别进行精度检验,发现GLMM在光照区与阴影区有着相似的精度表现,而另外两者则差异较大,阴影区明显低于光照区。这反映GLMM能较为有效地减轻地形效应的影响,对喀斯特石漠化信息提取的精度有一定提升。     

结合空间和光谱信息的高光谱影像端元光谱自动提取

端元光谱提取是高光谱影像混合像元分解的关键。现有的端元提取方法多是仅利用了影像的光谱信息,忽略了像元间的空间相关性。现有研究基础上,提出了一种结合影像空间和光谱信息的高光谱影像端元光谱自动提取方法(integration of spatial-spectral information based endmember extraction,ISEE)。该方法首先进行影像子空间划分以增强影像局部的光谱信息特征,然后通过特征空间投影分析获得影像候选端元,最后依次在影像空间信息约束下和端元光谱信息约束下进行优化,得到最终的影像端元光谱集。仿真高光谱影像和真实高光谱影像的实验结果表明,结合影像空间和光谱信息的ISEE方法是有效的,且比一些常用方法提取的端元光谱更为准确。     

苹果轻微机械损伤高光谱图像无损检测

无损检测是高光谱遥感应用研究热点之一。苹果在采摘、运输过程中易发生轻微机械损伤而影响其品质。使用高光谱成像系统分别采集54个轻微损伤的“黄香蕉”与“烟台富士”苹果可见-近红外波段(400~1 000 nm)的图像,提取苹果损伤区域的均值波谱曲线,对其进行最小噪声分离变换和基于几何顶点端元原理提取端元波谱,计算损伤区域波谱和端元波谱的光谱角,构建了端元提取光谱角苹果轻微机械损伤检测模型。通过设定光谱角阈值分别检测“黄香蕉”与“烟台富士”苹果轻微机械损伤,并与MNF变换、PCA方法检测精度进行对比分析,结果表明EESA模型检测苹果轻微机械损伤的精度最高,检测正确率分别达到94.44%和90.07%。     

基于无人机高光谱影像的建筑垃圾分类研究

建筑垃圾“围城”已经成为现阶段城市环境治理面临的主要问题,严重制约了城市生态环境的可持续发展,做好建筑垃圾的分类对保护城市水资源、提高城市土地利用率、提升居民生活质量意义重大。该研究将GaiaSky-mini 2推扫式机载高光谱成像仪（400～1 000 nm）搭载在经纬M600Pro无人机上,选择晴朗无风的试验环境,实时获取研究区高光谱遥感影像。对采集的研究区高光谱遥感影像进行几何校正、图像裁剪、辐射校正等预处理;将研究区内地物分为背景地物和建筑垃圾两大类,其中背景地物包括芦苇、蒿子、水体、阴影、裸土和柏油路,建筑垃圾包括白色塑料、防尘布、地基渣土和瓦砾砂石;基于影像像元选取样本点,分别提取研究区内6种背景地物和4种建筑垃圾的光谱信息,制作光谱曲线,并依据光谱特征差异,选取特征波段,通过波段计算统计并选取合理阈值,利用决策树分类法实现背景地物的分离和建筑垃圾的识别提取;针对不同类别的背景地物和建筑垃圾分别选取验证样本点,对背景地物的分离结果和建筑垃圾的识别结果进行精度评价。结果表明,背景地物和建筑垃圾总体识别精度为85.91%,Kappa系数为0.845;针对建立的背景地物分离决策树,6种背景地物的分类效果均较好,其中芦苇、柏油路和裸土的生产者精度为95%,整体能较好的将背景地物分离;针对建立的建筑垃圾识别决策树,防尘布和瓦砾砂石的生产者精度为95%,白色塑料和地基渣土的生产者精度为90%,能精确的提取研究区内的建筑垃圾。研究表明决策树分类法在无人机高光谱遥感影像中实现建筑垃圾的识别与提取具有很好的分类准确度,同时也验证了无人机高光谱遥感在建筑垃圾分类提取领域的科学性和可行性,对未来建筑垃圾的分类识别工作具有一定的实际意义。     

水稻分蘖期无人机高光谱影像混合像元特征分析与分解

开展水稻无人机高光谱解混,获取水稻植株的高光谱反射率信息,对于提高水稻理化参量的反演模型精度具有重要意义。目前大多基于高光谱遥感影像自身数据进行解混,运用算法模型进行高光谱数据解混,将高光谱图像和可见光图像进行优势互补,提出一种基于无人机高清影像与高光谱遥感影像融合的稻田无人机高光谱解混方法,解决单一数据局限性问题,增强光谱数据对地物的描述能力。为了更好的计算端元丰度,将同一目标区的高清数码正射影像与无人机高光谱遥感影像利用经纬度信息进行空间配准,使得不同传感器获得的图片在几何位置上对齐,通过SVM分类器的监督分类方法对可见光的数码正射影像进行地物分类,利用地物分类的结果对应高光谱的一个像元,从而得到一个像元内的端元丰度。设相邻区域内的水体端元是相同的,利用线性解混模型（LSMM）对相邻区域的混合像元进行解混,最终获取水稻高光谱反射率信息。结果表明对两种图片进行空间配准丰富了数据源信息,有利于像元的端元丰度计算,其中水稻端元丰度在70%以上解混效果最好,丰度在50%以上解混效果一般,丰度在30%以下解混效果较差;选择监督分类方法进行地物分类,精度达到99.5%,面向对象方法分类精度为98.2%,监督分类方法优于面向对象分类方法;最终得到的混合像元分解反射率高于原混合像元反射率,减少了水体混合部分对光谱数据的影响,使得分解后水稻的光谱反射率更加准确,为水稻理化参量无人机成像高光谱遥感反演提供更加准确的科学依据。     

Color Enhancement in Multispectral Image Using the Karhunen-Loeve Transform

We propose a new method for the color enhancement of multispectral image in the visible wavelength region. The purpose of the proposed method is to explore the weak features contained in a specific wavelength by discounting the major color distribution. Such examination will be valuable in visual inspection applications, for example, a medical examination using color image to find a small spectral change of an abnormal part. In this method, Karhunen-Loeve (KL) transform is applied to multispectral data, and specific wavelength components of only high-order KL coefficients are amplified while low-order coefficients are not changed to retain the major color distribution. In the experiment, this method was applied to multispectral images: a printed test image and a human skin image of a bruised arm were captured by a 16-band multispectral camera. The resultant images were compared with the images obtained by saturation enhancement and that obtained by applying the proposed method to the 3-band image. The method successfully visualized the features, which are almost invisible in natural color images, with less change in background color than saturation enhancement.     

Estimation of the number of endmembers in hyperspectral data using a weight-sequence geometry method

The terrestrial reflection or emission spectrum obtained by the remote sensor is recorded in units of pixels. In most cases, a pixel usually contains many types of terrains. This pixel is a mixed pixel, and each of the terrains in the mixed pixels is called “endmember”. Estimating the number of endmembers is a significant step in many hyperspectral data mining techniques, such as target classification and endmember extraction. The paper proposes a separative detection method by the use of a weight-sequence geometry to estimate the number of endmembers. This method projects the spectral matrix into the orthogonal subspace by eigenvalue decomposition at first. Then, on the basis of the normalized eigenvalue sequence, the separative detection method innovatively uses a geometric criterion to find the separation point between the main factors and minor factors. Finally, the number of endmembers is determined by the sequence of the “separation point”. Validation through a series of simulated and real hyperspectral data, it indicates that the proposed method can accurately and rapidly detect the number of endmembers in the hyperspectral data without any prior information. In addition, the new method is also applicable to the ultra-high resolution remote spectral data in the future.     

高光谱遥感分区混合端元提取计算海洋溢油覆盖度

溢油覆盖度的估测是海洋溢油探测与灾害评估的重要内容,受航空航天传感器地面分辨率的限制,准确探测溢油覆盖度比较困难。在海洋风浪及破碎波作用下,溢油往往呈条带状分布。获取的高光谱数据中存在大量的油、水混合像元;传统图像分割方式计算溢油面积存在偏差,且受传感器角度、高度等影响,光谱变异明显,传统端元提取方法很难找到纯像元光谱。提出了一种通过分区混合端元计算海洋溢油覆盖度的探测方法。首先对影像进行分区并使用N-FINDR算法进行端元预选;然后再利用独立分量分析（ICA）方法进行端元精选,按照负熵最大输出得到候选端元,并将地面同步参考光谱作为约束引入相似性溢油端元识别;最后基于非负矩阵分解方法(NMF)求取端元丰度,通过太阳耀斑区的修正,得到真实的溢油覆盖度。分区混合端元的提取较好的解决了全局端元变异及环境适应性差的问题,使精选后的端元具有更好的环境鲁棒性。为更好地衡量该算法精度,采用仿真数据与真实高光谱影像数据相结合进行实验验证。仿真实验中,人工设定溢油丰度,使用均方根误差（RMSE）和丰度估计误差对比评估估计丰度与设定丰度之间的差别,并设计了算法适应性和抗噪实验。结果表明采用MNF和ICA两种高光谱压缩方法,丰度估计误差均低于3%,重构图像的最小均方根误差RMSE最高为0.030 6,且具有较好的抗噪能力,验证了该算法的有效性。真实实验中,使用2011年山东长岛溢油8景机载高光谱影像数据为真实测试数据,由于真实遥感数据往往缺失地面同步丰度数据,导致对算法精度进行评价比较困难,使用仿真数据交互验证与目视解译数据相结合的方法进行精度评价,通过耀斑区修正后估测的机载高光谱成像总的溢油覆盖面积为1.17 km2,溢油覆盖度为22.85%,与现场人工估测面积偏差为2.15%,明显高于传统方法。受海洋破碎波、光谱变异性影响,和航空航天遥感器地面分辨率的限制,海洋溢油遥感中单个像元进行丰度解析是一个难题。基于亚像元丰度分解思想,讨论了海洋溢油覆盖度的问题,提出一种较为完善的海洋溢油覆盖度的计算办法,通过仿真数据和实际的高光谱溢油数据进行了方法的验证,实现了较为客观的自动化溢油覆盖度（丰度）探测方法,可以较为准确的估测海洋溢油的覆盖度,对溢油遥感面积的业务化探测具有积极意义。     

Fast color contrast enhancement method for color night vision

The increasing availability and deployment of imaging sensors operating in multiple spectral bands has led to a large research effort in color image fusion, resulting in a plethora of pixel-level image fusion algorithms. In this study a simple and fast fusion approach for color night vision is presented. The contrast of infrared and visible images is adjusted by local histogram equalization. Then the two enhanced images are fused into the three components of a Lab image in terms of a simple linear fusion strategy. To obtain false color images possessing a natural day-time color appearance, this paper adopts an approach which transfers color from the reference to the fused images in a simplified Lab space. To enhance the contrast between the target and the background, a stretch factor is introduced into the transferring equation in the b channel. Experimental results based on three different data sets show that the hot targets are popped out with intense colors while the background details present natural color appearance. Target detection experiments also show that the presented method has a better performance than the former methods, owing to the target recognition area, detection rate, color distance and running time.     

ETM图像地物反射率光谱反演

用搭载在卫星Landsat-7上的多光谱成像仪ETM记录的来自地气系统的辐亮度光谱图像,反演地物反射率光谱,在ETM 1波段,反射率反演的不确定度基本上保证在17%以内,2,3波段在10%以内,优于目前常用的简易算法。用反演的地物辐亮度光谱合成的sRGB真彩色图像,清晰度欠佳,未作经验调整时明显偏色,用于航天对地真彩色摄影这一反演精度还不够,但用于目视判读明显优于原图像。     

基于光源相对光谱功率分布的颜色真值获取方法

嫦娥三号全景相机具有彩色成像模式,在发射前需先进行彩色定标,样本真值的获取是彩色定标的前提。传统方法获取的颜色真值在色差值和视觉感知上都与实际值存在明显的偏差。若直接采用该颜色值作为真值进行彩色定标,影响定标后的色差大小和定标校正后颜色的人眼视觉感知效果。为探索更好的颜色真值获取方法,利用实验室内测得的D65定标光源的相对光谱功率分布,重新定义了转换矩阵中的白点坐标,然后基于CIE颜色计算公式,根据格拉斯曼颜色混合定律,对XYZ与sRGB颜色空间之间的转换矩阵进行了修正,提高了样本真值获取的准确度。另外利用修正后的转换矩阵对sRGB空间的三刺激值曲线进行了重新计算,对标准转换值偏离实际值的原因进行了分析。通过地面试验验证,相对于传统样本真值获取方法,利用该真值获取方法定标后A,B两相机的色差值分别降低了0.8和0.73;定标矩阵校正在轨图像时,色差分别降低了26.50%和34.47%,且校正后的颜色与人眼的视觉感知效果更接近。     

基于光谱信息的空间碎片材料种类数目估计方法仿真研究

在观测空间碎片时,受碎片结构紧凑、组成材料复杂,以及地基观测设备空间分辨率的限制,同一像元中通常会包含多种材料的信息,即产生"混合像元"。目前国内外对混合像元的研究主要集中在获取混合像元的纯物质光谱以及丰度上,往往忽略了高光谱数据中纯物质个数的确定对于没有任何先验信息的混合像元分析是至关重要的。如果估计的材料数目过少,将会导致解混出的材料光谱仍然是混合状态的像元;如果估计的材料数目过多,提取出的端元中将很有可能包含冗余噪声成分。基于光谱线性混合模型,提出一种改进的p范数纯像元辨识算法。主要利用光谱数据具有近似于低维流形的特性,首先采用正交投影的原理,将提取的端元扩充至正交投影算子中,然后分析投影后各个像元向量的p范数值,最终将p范数值高于阈值的向量个数作为材料种类数目。对实测碎片常用材料和美国地质勘测局数据库分别进行仿真实验,实验结果表明:提出的方法在估计材料种类数目的同时,还能提取出目标所包含的材料光谱,这在一定程度上提高混合光谱分解过程的自动化程度;相对于现有的一些主流算法,该方法有较强的鲁棒性,并且在信噪比不高的情况下仍能正确地估计空间碎片材料种类数目。     

基于小波的干涉多光谱卫星图像压缩方法

分析了干涉多光谱卫星遥感图像的成像特性,并根据该类图像对压缩效果的要求提出了一种基于小波分层树集合分割排序（Set Partitioning Hierarchical Trees,SPIHT）的局部图像优先编码方法,通过对图像小波域系数的局部增强,获得了对图像重要数据优先编码的特性,在8倍压缩比的条件下获得了满意的效果。用该方法对多幅干涉多光谱图像进行了测试,测试结果表明：该方法性能优于其他多光 谱卫星遥感图像编码方法,并有利于在实时图像编码系统中得到应用。     

多波段红外图像的海面舰船目标检测

现有的基于单个红外宽波段的海面舰船目标探测系统在面对复杂海天背景、岛岸背景、恶劣天气、亮带干扰或诱饵弹干扰等情况时,系统的探测率、虚警率、探测距离等性能指标均会受到严重的影响;为此,开展了基于多波段红外图像的海面舰船目标检测方法的研究。通过中波红外多波段数据采集系统实际采集107组五个中波红外波段的图像;波段1-5分别为3.7～4.8,3.7～4.1,4.4～4.8,3.7～3.9和4.65～4.75 μm;对多波段图像进行手动标注构建样本数据集,其中,正样本舰船目标298个,负样本非舰船目标353个。对于多波段红外图像,首先进行PCA降维并采用选择性搜索算法生成初始目标候选区域;针对候选区域中存在大量明显的非舰船目标区域的问题,利用积分图像计算候选区域的局部对比度,依据红外舰船目标的几何和灰度特征从初始目标候选区域中筛选出舰船目标可能性大的区域作为舰船目标候选区域。然后对舰船目标候选区域进行拓展以融入局部上下文信息,对于候选区域对应的5波段红外图像,分别提取每个波段图像的稠密SIFT特征,并将128维SIFT特征向量降为64维,融入SIFT特征的空间和波段位置分布信息得到新的特征向量,基于高斯混合模型对候选区域的特征向量集合进行编码融合得到舰船目标候选区域的费舍尔向量表示,最后利用线性SVM分类器识别出舰船目标。对多波段图像进行舰船目标候选区域生成实验,所提出的基于红外舰船目标的几何和灰度特征的约束方法可以有效地克服选择性搜索算法的不足,从初始目标候选区域中快速定位出舰船目标候选区域,对25组多波段图像进行实验,舰船目标候选区域生成的整体耗时为0.353 s,定位舰船目标区域耗时0.005 s。对100个正负样本进行目标识别测试,所提出的目标识别算法融合了目标的多波段图像特征信息,通过引入费舍尔向量挖掘了多波段图像梯度统计特征的深层次信息,算法的识别率达到了0.97,显著高于单波段红外图像的目标识别率。对25组多波段图像进行舰船目标检测实验,所提出的舰船目标检测方法能够在海天背景、岛岸背景以及亮带干扰等不同场景下完成海面舰船目标的检测工作,舰船目标定位准确,舰船目标召回率达到了0.95,每组多波段图像的平均检测耗时为1.33 s。研究结果表明,充分考虑海面舰船目标在红外图像中与局部海洋背景的辐射差异以及有效地融合舰船目标在多个红外波段图像中的辐射特征,可以增强舰船目标的可分性,提高舰船目标的识别率以及检测率,为基于多波段红外图像的海面舰船目标检测提供了新的技术支持。     

Three-Dimensional Information Acquisition Using a Compound Imaging System

The TOMBO (thin observation module by bound optics) system is a compound imaging system inspired by a biological visual system. Various interesting features can be utilized in the applications of the TOMBO system: in this paper, we present an effective method for three-dimensional information acquisition. An image captured by the TOMBO system is composed of multiple images observed from several viewpoints. Distance between the TOMBO system and an object can be estimated using disparity of the captured images. A new method for estimation of the object distance is introduced. In the experiment, multiple object distances can be successfully estimated by the proposed method. Using the obtained distances for image reconstruction, we can generate a composite image focussing on multiple objects.