专利名称：非线性光谱相似性度量方法
技术领域：
本发明涉及一种光谱度量方法，具体是一种基于光谱完全波形的反射和吸收特征的非线性光谱相似性度量方法。属于信息技术领域。
背景技术：
经文献检索发现，光谱相似性度量方法可以分为两类，一类是基于完全波形特征，典型方法如光谱角制图。Kruse，FA等人在美国《环境遥感》上发表的“光谱图像处理系统—光谱成像仪数据交互可视化与分析”(1993b，The SpectralImage Processing System(SIPS)-Interactive Visualization and Analysisof Imaging Spectrometer Data.Remote Sensing nvironment，44145-163)，该文提出了光谱角制图方法，即利用光谱反射率向量之间的夹角去度量光谱间的相似性。该方法的优点在于它可以克服光照强度对光谱相似性度量的影响。然而，该方法一方面只考虑了光谱反射率在相似性度量中的作用，另一方面没有考虑光谱波段间的强相关性。另一类是基于光谱诊断性吸收特征，曲线的方法如光谱吸收指数。王晋年等人在《环境遥感》Vol.11，No.1.Feb 1996上发表的“成像光谱图象光谱吸收鉴别模型与矿物填图研究”一文，该文提出了一个修正的光谱吸收鉴定模型，即光谱吸收指数据。该方法适合于对光谱特定吸收峰进行相似性评判，该方法本身并不适合任意光谱间的相似性度量，然而该方法反映了光谱不同波段对光谱相似性度量的贡献是不一样的，它的缺点是忽略了光谱的反射特征且不能适用于光谱的完全波形。光谱的反射和吸收特征是光谱不可分割的两类特征，然而，目前的光谱相似性度量方法只针对其中一种特征。此外，目前的光谱相似性度方法均假设光谱波段间彼此独立，然而这一假设并不符合实际情况，目前光谱波段间的强相关性被广泛地应用到光谱数据的降维和特征提取中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种非线性光谱相似性度量方法，即基于完全波形的反射和吸收特征的非线性光谱相似性度量方法，使其能够一方面去除了波段间的强相关性，另一方面兼顾了光谱反射和吸收特征在光谱相似性度量中的作用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法包括两个关键环节，一个是采用核主成分分析方法去除了光谱波段之间的强相关性，另一个是光谱反射和吸收特征的合并。
1采用核主成分分析方法去除光谱波段之间的强相关性针对光谱波段间的强相关性，首先利用非线性变换将原始光谱向量变换到一个新的特征空间。然后，在特征空间中，利用核函数和主成分分析方法得到协方差矩阵所有非零特征特征值和特征向量，将特征值按降序排列，选择前N个(N为光谱波段数)特征值对应的特征向量，并以此构造一组标准正交基。最后，将特征空间中光谱向量投影到标准正交基上。
2光谱反射和吸收特征的合并连续统曲线是指光谱曲线的外包裹曲线，在实际处理时，连续统曲线是用分段的直线来近似表示。连续统去除曲线是指光谱曲线与连续统曲线的比值，它保持了光谱吸收峰，而反射峰值被归一化到1，如下式所示r→cr=r→/r→c---(1)]]>其中， 是连续统去除曲线， 是光谱， 是与光谱 波段相对应的连续统曲线。光谱的吸收特征(如吸收的深度、宽度、波段位置以及吸收峰的对称性等)都可以根据连续统去除曲线来得到，而是将光谱的吸收特征作为相似性度量一个因子，见表达式(2)。
R→=r→′×r→cr---(2)]]>其中， 加以连续统去除曲线约束的非线性光谱向量， 是特征空间中投影到标准正交基以后的光谱向量， 是光谱的连续统去除曲线。
以下对本发明作进一步的说明，方法具体步骤如下1)选择核函数并设置参数，选取的核函数是极坐标核函数(k(x,y)=exp(-||x-y||2δ)),(δ=2);]]>(2)利用核函数得到核矩阵K，通过核函数，将原始光谱向量投影到一个希尔伯特内积空间中，实际上是完成了一个隐式的非线性变换；
(3)通过计算获得核矩阵K的特征值和特征向量；(4)选择N个非零的特征值和特征向量，并对特征向量进行零均值处理，其中N为光谱波段数，之所以选择与光谱波段数一样的特征值和特征向量，是为了与后面的吸收特征进行合并(如式2)；(5)将特征空间中所有的光谱向量投影到选择的特征向量所构成的正交坐标基上；(6)合并变换后的反射特征和吸收特征，见式2。
(7)利用光谱角制图对变换以后的向量进行相似性量度。
本发明主要有两个方面的创新点，一方面利用核主成分分析去除了光谱波段间的强相关性，从而使光谱向量与光谱角制图度量的前提假设相一致，即各个波段间是相互独立的。另一方面综合考虑了光谱的反射和吸收特征在相似性度量中的作用，强化了光谱吸收峰在相似性度量中的作用。该方法既克服了光谱角制图方法没有考虑到光谱波段间的强相关性，又克服了光谱角制图和光谱吸收指数只考虑光谱的某一种特征(吸收特征或反射特征)的缺点，此外，该方法充分利用了光谱角制图和光谱吸收指数的优点，即光谱角制图能克服光照强度对光谱相似性度量影响的优点和光谱吸收指数中不同波段对光谱相似性度量的权重是贡献是不一样的。
具体实施例方式
为更好地理解本发明的技术方案，结合实施例对该方法的实现作进一步描述。
首先，选择核函数并设置必要的参数。在下面的实施案例中，选取的核函数是(k(x,y)=exp(-||x-y||2δ)),(δ=2).]]>然后，利用核函数计算由协方差矩阵和及其特征向量所导出的核矩阵，并计算该矩阵的特征值和特征向量。其次，根据这些特征向量构造一组标准正交基，并计算特征空间中光谱向量在正交基上的投影。再次，根据式(2)将光谱的吸收特征合并到光谱向量中。最后，用度量函数对变换以后的光谱向量进行相似性量度。
结合本发明方法的内容提供以下实施例以美国地质调查局(USGS)的光谱库(spc_lib04a)为数据源，对该光谱库中的光谱进行相似性检索实验。光谱库中共有共498条光谱，光谱的波段数为444，波长在0.2到3.0微米之间，波谱分辨率小于等10纳米(Clark，1993)。有关该光谱库的详细资料可参考网址http//speclab.cr.usgs.gov/spectral.lib04/clark1993/spectral lib.html。
以赤铁矿(Hematite_FE2606)为参考光谱，相似性度量函数为光谱角制图(即向量之间的夹角)，进行相似性检索实验，实验结果如下(1)最相似的16个光谱的波形；(2)最相似的16个光谱名称、矿物类型及矿物组成(见表1)；(3)光谱库中属于赤铁矿的12个光谱在相似性检索中的排序(见表2)。
从三个方面对检索结果进行评价(1)检索精度，它是指返回的检索结果中与参数光谱同类的光谱占总结果的比例；(2)召回率，它是与参考光谱同类的光谱中，返回的同类光谱所占的比重；(3)同类光谱在光谱相似性排序。
表1最相似的16个光谱名称及矿物类型
表2所有赤铁矿类的光谱在相似性检索中的排序及光谱角
从表1可以看到(1)从矿物类别来看，在非线性光谱制图检索中，属于赤铁矿的光谱共有10个，而光谱角制图方法中，只有7个属于赤铁矿类；(2)从矿物类型来看，在非线性光谱角制图检索中，属于氧化物的光谱有12个，而光谱角制图方法中，属于氧化物的光谱只有9个；(3)光谱吸收特征的形成主要是由于矿物中电子跃迁和分子振动(Clark，R.N.199)，因此，矿物的组成在一定程度决定了光谱的诊断性波形。从矿物组成来看，含有Alpha-Fe2O3的光谱，在连续统约束下的非线性光谱制图方法中共有14个，而光谱角制图方法中只有10；因此，从两种方法最相似性的16个光谱来分析，非线性光谱角制图方法要明显优于光谱角制图方法。从以上三个不同的光谱同类的角度出发，检索精度的计算结果见表3。
表3两类方法检索精度对照表
此外，从矿物类别来看，光谱角的检索的召回率为0.583，而非线性光谱角制图方法的召回率为0.833。
从表2可以看到属于赤铁矿的12个光谱在光谱库中所有光谱相似性度量的排序中，对非线性光谱角制图方法而言，10个光谱在处于最相似的16个检索结果中，而最大的序号是25。然而在光谱角制图方法中，只有7个处于最相似的16个检索结果中，此外，它的最大序号达到了96，而且大于序列号25的有5个。
因此，从光谱类别相似性检索的角度来看，非线性光谱角制图方法明显优于光谱角制图方法。
权利要求
1.一种非线性光谱相似性度量方法，其特征在于，包括两个关键环节，一是采用核主成分分析方法去除光谱波段之间的强相关性，另一个是光谱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谱波段之间的强相关性针对光谱波段间的强相关性，首先利用非线性变换将原始光谱向量变换到一个新的特征空间，然后，在特征空间中，利用核函数和主成分分析方法得到协方差矩阵所有非零特征特征值和特征向量，将特征值按降序排列，选择前N个特征值对应的特征向量，N为光谱波段数，并以此构造一组标准正交基，最后，将特征空间中光谱向量投影到标准正交基上；(2)合并光谱反射和吸收特征将核变换以后反射率向量和归一化以后的吸收率向量对应波段值相乘，从而构成一个复合的光谱向量。
2.根据权利要求1所述的非线性光谱相似性度量方法，以下对本发明方法的进一步限定，具体步骤如下(1)选择核函数并设置相关参数；(2)利用核函数得到核矩阵K，通过核函数，将原始光谱向量投影到一个希尔伯特内积空间中，完成一个隐式的非线性变换；(3)通过计算获得核矩阵K的特征值和特征向量；(4)选择N个非零的特征值和特征向量，并对特征向量进行零均值处理，其中N为光谱波段数；(5)将特征空间中所有的光谱向量投影到选择的特征向量所构成的正交坐标基上；(6)合并变换后的反射特征和吸收特征；(7)利用光谱角制图对变换以后的向量进行相似性量度。
全文摘要
一种非线性光谱相似性度量方法，属于信息技术领域。本发明一是采用核主成分分析方法去除了光谱波段之间的强相关性针对光谱波段间的强相关性，利用非线性变换将原始光谱向量变换到一个新的特征空间，在特征空间中，利用核函数和主成分分析方法得到协方差矩阵所有非零特征特征值和特征向量，将特征值按降序排列，选择前N个特征值对应的特征向量，并以此构造一组标准正交基，最后，将特征空间中光谱向量投影到标准正交基上；二是合并光谱反射和吸收特征将核变换以后反射率向量和归一化以后的吸收率向量对应波段值相乘，构成一个复合的光谱向量。本发明能去除波段间的强相关性，同时兼顾光谱反射和吸收特征在光谱相似性度量中的作用。
文档编号G01J3/28GK1546959SQ20031010934
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者方涛, 唐宏, 杜培军, 方 涛 申请人:上海交通大学