基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法
【专利摘要】基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，本发明涉及高光谱图像目标检测方法。本发明的目的是为了解决现有高光谱图像目标检测精度低以及空间信息利用率低的问题。具体过程为：一、建立张量表示下的目标和背景的信号表示模型；二、分别建立目标和背景的四阶张量矩阵；三、求取目标和背景的四阶张量矩阵中空间X、空间Y和光谱三个背景方向和三个目标方向的正交投影矩阵；四、将待检测信号映射到三得到的目标样本投影子空间和背景样本投影子空间中；五、判定待检测信号是否为检测目标，如果张量表达下的广义似然比检测模型值大于等于η时，为检测目标；否则为背景目标；其中η为阈值。本发明用于图像检测领域。
【专利说明】
基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及高光谱图像目标检测方法。
【背景技术】
[0002] 高光谱传感器主要通过在不同的光学或近红外波段进行地物反射信息提取，获取 地面的图-谱特征，高光谱图像包含了地物的光谱特征，地物的空间特征，这种几乎连续的 光谱采样信息，可以反映地物在光谱上很小的差异变化，因此这种特征常被称为诊断特征， 作为对地物进行分类和检测的依据。研究高光谱图像目标检测新技术，具有重要的理论意 义和应用价值。在军事方面，可以揭露敌方目标的伪装、隐藏和欺骗。在民用方面，公共安 全、食品安全、质量监控、森林着火点检测、失事点搜寻与营救等方面已经有重要应用。
[0003] 现有典型的目标检测方法有基于有限冲积响应滤波器的约束能量最小化方法 (constrained energy minimization，CEM)，正交子空间目标检测方法（orthogonal subspace projection，0SP)，匹配子空间检测方法（matched subspace detector，MSD)，自 适应子空间检测方法(adaptive subspace detector，ASD)等经典方法以及近几年提出的 稀疏表示检测方法（sparse representation，SR)等。
[0004] 当前目标检测主要利用光谱匹配特性，通过光谱匹配程度判断单点光谱的属性， 并未充分考虑在高分条件下空间约束增强的特性，即局部相关性增大的特性，空间_光谱联 合检测方法可以提高光谱和空间的利用能力，但一般的空间-光谱联合方法仅仅从光谱或 空间的简单组合操作进行分析，而不能从三维数据整体进行信息挖掘，导致高光谱图像目 标检测精度低以及空间信息利用不足。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有高光谱图像目标检测精度低以及空间信息利用率 低的问题，而提出基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法。
[0006] 具体过程为：
[0007]步骤一、建立张量表不下的目标样本Hi和背景样本Ho的信号表不模型；
[0008] 步骤二、根据高光谱样本数据和窗口大小，分别建立目标样本Hi和背景样本Ho的空 间X、空间Y、光谱和原子的四阶张量矩阵；
[0009] 步骤三、依据张量匹配子空间投影算法，求取目标样本出和背景样本Ho的空间X、空 间Y、光谱和原子的四阶张量矩阵中空间X、空间Y和光谱三个背景方向和三个目标方向的正 交投影矩阵；
[0010] 待检测信号在三个背景方向正交投影矩阵映射下的数据空间为背景样本投影子 空间，待检测信号在三个目标方向正交投影矩阵映射下的数据空间为目标样本投影子空 间；
[0011 ]步骤四、提取待检测信号的空间X、空间Y和光谱的三阶张量矩阵，分别利用步骤三 得到的正交投影矩阵将待检测信号映射到步骤三得到的目标样本投影子空间和背景样本 投影子空间中；
[0012]步骤五、分别计算待检测信号与步骤四得到的目标样本和背景样本投影子空间投 影下的信号的误差，依据张量表达下的广义似然比检测模型和给定的阈值，判定待检测信 号是否为检测目标，如果张量表达下的广义似然比检测模型值大于等于n时，为检测目标； 否则为背景目标;其中n为阈值。
[0013]本发明的有益效果为：
[0014] 由于本发明方法将高光谱数据转换成张量形式进行处理，能够对多维数据整体信 息进行挖掘，相比于当前目标检测单独利用光谱匹配特性，以及一般的仅通过光谱和空间 的简单组合操作的空间-光谱联合方法，克服了不能从三维数据整体进行信息挖掘的缺点。 提高了空间信息利用率以及高光谱图像目标检测的精度。
[0015] 为了验证本发明所提出的方法的性能，针对一组机载可见光/红外成像光谱仪 (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer，AVIRIS)米集的一组机场数据进行 了实验，实验结果验证了本发明提出的基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法的 有效性。当虚警概率为1(T 2时，本发明方法的检测精度达到89%，比传统方法检测精度提高 了10%以上。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的实现流程不意图；
[0017] 图2a是信号张量表示条件下背景Ho的表示模型图，1为待检测信号，凡、為:和 為B为从背景库中选取的一些背景样本的张量原子，ai、a2和a n分别为為i、為2和為〇.相对应 的权重系数；
[0018] 图2b是信号张量表示条件下目标Hi的表示模型图，為,、為2和為》为从目标库中选 取的一些目标样本的张量原子，bl、b2和bm为凡、為:和美相对应的权重系数；
[0019] 图3a是飞机场真实高光谱数据的一个波段的灰度图；
[0020] 图3b是飞机场数据基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测结果图；
[0021 ]图3c是飞机场数据高光谱图像匹配子空间检测结果图；
[0022]图4是飞机场数据上述两种方法检测结果的接收机工作R0C曲线图，Tensor MSD为 本发明基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，MSD为传统的高光谱图像目标检 测方法，Detection power为检测精度，False alarm rate为虚警概率。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于张量匹配子空间的 高光谱图像目标检测方法，具体过称为：
[0024]步骤一、建立张量表示下的目标样本压和背景样本Ho的信号表示模型；
[0025]步骤二、根据高光谱样本数据和窗口大小，分别建立目标样本出和背景样本Ho的空 间X、空间Y、光谱和原子的四阶张量矩阵；
[0026]步骤三、依据张量匹配子空间投影算法，求取目标样本出和背景样本Ho的空间X、空 间Y、光谱和原子的四阶张量矩阵中空间X、空间Y和光谱三个背景方向和三个目标方向的正 交投影矩阵；
[0027]待检测信号在三个背景方向正交投影矩阵映射下的数据空间为背景样本投影子 空间，待检测信号在三个目标方向正交投影矩阵映射下的数据空间为目标样本投影子空 间；
[0028]步骤四、提取待检测信号的空间X、空间Y和光谱的三阶张量矩阵，分别利用步骤三 得到的正交投影矩阵将待检测信号映射到步骤三得到的目标样本投影子空间和背景样本 投影子空间中；
[0029] 步骤五、分别计算待检测信号与步骤四得到的目标样本和背景样本投影子空间投 影下的信号的误差，依据张量表达下的广义似然比检测模型和给定的阈值，判定待检测信 号是否为检测目标，如果张量表达下的广义似然比检测模型值大于等于n时，为检测目标； 否则为背景目标;其中n为阈值。
[0030]
【具体实施方式】二:结合图2a、图2b说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一 不同的是:所述步骤一中建立张量表示下的目标样本Hi和背景样本Ho的信号表示模型;具体 过程为： F0.Ubx4/? + 3^V0
[0031] b 4' ° //, / ,l)xia+ \：N]
[0032] 其中，3A表示待检测信号的三阶张量表示;表示背景样本形成的四阶张量子空 间；4取表示目标样本形成的四阶张量子空间;X4表示在张量的第四维进行加权求和运算;a、 0表示相应的丰度系数，即相应的权重;^^ 为一个高斯随机噪声的三阶张量表示；
[0033] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0034] 三:本实施方式与一或二不同的是:所述步骤二中根 据高光谱样本数据和窗口大小，分别建立目标样本Hi和背景样本Ho的空间X、空间Y、光谱和 原子的四阶张量矩阵;具体过称为：
[0035] 步骤二一、从高光谱样本数据库中随机选取高光谱样本数据及设定高光谱样本数 据的窗口尺寸；
[0036] 步骤二二、将每个选取的高光谱样本数据的背景样本转换成三阶张量的形式，然 后将所有的三阶张量形式的背景样本组成四阶张量；
[0037]步骤二三、将每个选取的高光谱样本数据的目标样本转换成三阶张量的形式，然 后将所有的三阶张量形式的目标样本组成四阶张量；
[0038] 所述三阶张量为空间X、空间Y和光谱；四阶张量为空间X、空间Y、光谱和原子。
[0039] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
【具体实施方式】 [0040] 四：本实施方式与一至三之一不同的是:所述步骤三 中依据张量匹配子空间投影算法，求取目标样本出和背景样本Ho的空间X、空间Y、光谱和原 子的四阶张量矩阵中空间X、空间Y和光谱三个背景方向和三个目标方向的正交投影矩阵；
[0041] 待检测信号在三个背景方向正交投影矩阵映射下的数据空间就是背景样本投影 子空间，待检测信号在三个目标方向正交投影矩阵映射下的数据空间就是目标样本投影子 空间;投影矩阵的具体过程为：
[0043] 其中，仏表示四阶背景字典相关的正交投影矩阵，示四阶目标背 景字典相关的正交投影矩阵，1 = 1，2,3,4;〈43〉[^.4表示两个张量在^衫隹的内积运算， i，j，k为信号维度，i，j，k取值为1，2，3，4，知^为正交投影矩阵大小，Ii、12为空间尺寸，13为 光谱维数;414表示目标-背景样本形成的四阶张量子空间， 4找表示背景样本形成的四阶张 量子空间。
[0044] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0045]
【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:所述步骤四 中提取待检测信号的空间X、空间Y和光谱的三阶张量矩阵，分别利用步骤三得到的正交投 影矩阵将待检测信号映射到步骤三得到的目标样本投影子空间和背景样本投影子空间中； 具体过程为： f,(3J4.)= 3JzLx1t/1x,t/2x 3C/3
[0046] f:( :vl)= 1J4x.rx:r;x,F,
[0047] 其中，为待检测信号映射到步骤三得到的背景样本投影子空间中；
[0048] 为待检测信号映射到步骤三得到的目标-背景样本投影子空间中。
[0049] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
【具体实施方式】 [0050] 六:本实施方式与一至五之一不同的是:所述步骤五 中分别计算待检测信号与步骤四得到的目标样本和背景样本投影子空间投影下的信号的 误差，依据张量表达下的广义似然比检测模型和给定的阈值，判定待检测信号是否为检测 目标，如果张量表达下的广义似然比检测模型值大于等于n时，为检测目标;否则为背景目 标;其中n为阈值;具体过程为：
[
[0052]其中，TD( ?)表示待检测信号的检测结果，E( ?)表示信号能量，||{表示 Frobenius(弗罗贝尼乌斯范数)范数的平方，n表示设定的阈值。
[0053]采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0054] 实施例一：
[0055] 实验所用数据是AVIRIS传感器获得的美国圣地亚哥高光谱图像，数据包含224个 光谱波段，波长范围为0.4~1.8wii，地面分辨率3.5m，灰度范围为0~10000，图像大小150 X 150。数据已经经过了大气、几何校正等预处理，并去除了低信噪比和水汽吸收波段，保留了 126个波段。图3a为原始数据第4波段图像，图3b为基于张量匹配子空间的高光谱图像目标 检测结果图，图3c为高光谱图像匹配子空间检测结果图，用来作为对比实验，图4为两种方 法的接收机工作特性曲线。从图3b和图3c的检测结果图和图4所示的与之对应的接收机工 作特性曲线可以看出：与对比试验相比，本发明方法能够在低虚警率的情况下达到更好的 检测结果，证明了本发明方法的有效性;图4当虚警概率为1(T 2时，本发明方法的检测概率达 到89%，比传统方法提高程度大于10%。
[0056] 本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域 技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于 本发明所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，其特征在于：基于张量匹配子空 间的高光谱图像目标检测方法具体过称为： 步骤一、建立张量表示下的目标样本化和背景样本化的信号表示模型； 步骤二、根据高光谱样本数据和窗口大小，分别建立目标样本化和背景样本化的空间X、 空间Y、光谱和原子的四阶张量矩阵； 步骤=、依据张量匹配子空间投影算法，求取目标样本化和背景样本化的空间X、空间Y、 光谱和原子的四阶张量矩阵中空间X、空间Y和光谱=个背景方向和=个目标方向的正交投 影矩阵； 待检测信号在=个背景方向正交投影矩阵映射下的数据空间为背景样本投影子空间， 待检测信号在=个目标方向正交投影矩阵映射下的数据空间为目标样本投影子空间； 步骤四、提取待检测信号的空间X、空间Y和光谱的=阶张量矩阵，分别利用步骤=得到 的正交投影矩阵将待检测信号映射到步骤=得到的目标样本投影子空间和背景样本投影 子空间中； 步骤五、分别计算待检测信号与步骤四得到的目标样本和背景样本投影子空间投影下 的信号的误差，依据张量表达下的广义似然比检测模型和给定的阔值，判定待检测信号是 否为检测目标，如果张量表达下的广义似然比检测模型值大于等于n时，为检测目标;否则 为背景目标;其中n为阔值。2. 根据权利要求1所述基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，其特征在于： 所述步骤一中建立张量表示下的目标样本化和背景样本化的信号表示模型;具体过程为：其中，3A表示待检测信号的=阶张量表示；4斟表示背景样本形成的四阶张量子空间；4巧表示目标样本形成的四阶张量子空间；X4表示在张量的第四维进行加权求和运算;a、e表 示相应的丰度系数，即相应的权重；3V。、3^1为一个高斯随机噪声的=阶张量表示。3. 根据权利要求2所述基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，其特征在于： 所述步骤二中根据高光谱样本数据和窗口大小，分别建立目标样本化和背景样本化的空间 X、 空间Y、光谱和原子的四阶张量矩阵;具体过称为： 步骤二一、从高光谱样本数据库中随机选取高光谱样本数据及设定高光谱样本数据的 窗口尺寸； 步骤二二、将每个选取的高光谱样本数据的背景样本转换成=阶张量的形式，然后将 所有的=阶张量形式的背景样本组成四阶张量； 步骤二=、将每个选取的高光谱样本数据的目标样本转换成=阶张量的形式，然后将 所有的=阶张量形式的目标样本组成四阶张量； 所述=阶张量为空间X、空间Y和光谱；四阶张量为空间X、空间Y、光谱和原子。4. 根据权利要求3所述基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，其特征在于： 所述步骤=中依据张量匹配子空间投影算法，求取目标样本化和背景样本化的空间X、空间 Y、 光谱和原子的四阶张量矩阵中空间X、空间Y和光谱=个背景方向和=个目标方向的正交 投影矩阵； 待检测信号在=个背景方向正交投影矩阵映射下的数据空间就是背景样本投影子空 间，待检测信号在=个目标方向正交投影矩阵映射下的数据空间就是目标样本投影子空 间;投影矩阵的具体过程为：其中，Ui表示四阶胃京于興相大的It父议駭化I伴，1 = i，Z，3，4 ; Vi表示四阶目标背景字 典相关的正交投影矩阵，i = 1，2，3，4; 表示两个张量在i，j，k维的内积运算，i，j，k 为信号维度，i，j，k取值为1，2,3,4,妒"'为正交投影矩阵大小，Ii、l2为空间尺寸，l3为光谱 维数;4巧b表示目标-背景样本形成的四阶张量子空间/辟表示背景样本形成的四阶张量子 空间。5. 根据权利要求4所述基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，其特征在于： 所述步骤四中提取待检测信号1?的空间X、空间Y和光谱的=阶张量矩阵，分别利用步骤= 得到的正交投影矩阵将待检测信号Ia映射到步骤=得到的目标样本投影子空间和背景样 本投影子空间中；具体过程为：其中，为待检测信号映射到步骤立得到的背景样本投影子空间中； f; (为待检测信号映射到步骤S得到的目标-背景样本投影子空间中。6. 根据权利要求5所述基于张量匹配子空间的高光谱图像目标检测方法，其特征在于： 所述步骤五中分别计算待检测信号3过与步骤四得到的目标样本和背景样本投影子空间投 影下的信号的误差，依据张量表达下的广义似然比检测模型和给定的阔值，判定待检测信 号是否为检测目标，如果张量表达下的广义似然比检测模型值大于等于n时，为检测目 标;否则为背景目标;其中n为阔值;具体过程为：其中，TD( ?)表示待检测信号la的检测结果，E( ?)表示信号能量，IMI^表示Frobenius 范数的平方，化Obenius为弗罗贝尼乌斯范数，Tl表示设定的阔值。
【文档编号】G06T7/00GK105913448SQ201610356306
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】谷延锋, 刘永健, 高国明
【申请人】哈尔滨工业大学