一种野外岩石矿物光谱的包络线去除方法与流程

本发明属于光谱处理分析技术领域，具体涉及一种野外岩石矿物光谱的包络线去除方法。

背景技术：

高光谱遥感成像技术具有高空间、高光谱分辨率及图谱合一的特点，上百个连续的光谱波段对地物特征进行精细的刻画，能够反映地物类别及岩石矿物种类。它的这种独特性已经被成功地应用在地质、土壤、植被生态环境和海洋等多个领域，其中，在地质学领域中(岩性分类、矿物识别等)的应用最为成功。

高光谱图像岩石矿物的识别与分类是基于对实测岩石矿物光谱特征充分了解的基础上进行的，实验室岩石样品是经过精心挑选处理后所得，其光谱是在理想环境下测量的，而高光谱图像是在野外复杂环境下获取的，受到各种因素的影响，使得地物光谱发生或多或少的变化。那么，就不能将理想环境下的实验室光谱应用在高光谱图像上，用野外地物光谱代替实验室岩石光谱进行分析，得到的结果能为成像光谱图像数据的岩石矿物信息的识别提取提供更好的依据。由于目标矿物在岩石地层中的组成比例小，矿物信息在光谱曲线中属于弱信息，矿物的光谱吸收特征和反射强度在整条光谱曲线上受到一定强度的抑制。此外，野外实测光谱与高光谱图像包含的背景影响不同。因此，需要对野外实测光谱进行处理，去除背景环境的影响以突出矿物的光谱特征。

包络线去除是一种比较常见的、有效的光谱特征增强处理方法，将光谱反射率归一化到0到1，光谱的吸收特征也归一到一个统一的光谱背景上，有利于和其它光谱曲线进行特征参数值的比较，从而识别提取岩石矿物。

实际应用中，针对野外复杂环境下实测的岩石矿物光谱，常用的包络线算法存在一定的缺陷(如ENVI中的包络线算法)：没有考虑首尾两点及附近点为包络线节点的情况，出现包络线被光谱曲线所包围的现象；没有考虑极值点之间存在包络线节点的情况，容易漏掉极值点之间的包络线节点，造成包络线与光谱曲线相交。包络线是光谱曲线的“外壳”，不能出现与光谱曲线相交。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对野外实测岩石矿物光谱，对现有软件中包络线去除方法对野外实测光谱处理的漏点、相交等缺陷，提出了一种野外岩石矿物光谱的包络线去除方法，该方法有效避免了包络线被光谱曲线包围以及漏掉包络线节点的现象。

实现本发明目的的技术方案：一种野外岩石矿物光谱的包络线去除方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、对野外岩石矿物光谱数据进行光谱水汽吸收处理；

步骤二、对野外岩石矿物光谱进行光谱环境噪声处理；

步骤三、定位上述步骤一和步骤二处理后的野外岩石矿物光谱的最大值分界点；

步骤四、计算查找上述步骤三中得到野外岩石矿物光谱曲线S的包络线节点；

步骤五、根据上述步骤四中得到的野外岩石矿物光谱曲线S的包络线节点生成包络线；

步骤六、去除上述步骤五中得到的岩石矿物光谱曲线的包络线S_e。

所述的步骤一中对野外岩石矿物光谱数据进行光谱水汽吸收处理的具体方法如下以光谱水汽吸收处理前的野外岩石矿物光谱数据波段为横轴，采用线性法对删除的两个波段处的野外岩石矿物光谱数据进行光谱插值。

所述的步骤二中对野外岩石矿物光谱进行光谱环境噪声处理的具体方法如下：采用步长为N个点的平均滑动窗口，N为奇数；由起始波长向波长增加方向对岩石矿物光谱进行滤波，岩石矿物光谱的前N-1个点和最后N-1个点的数值用步骤一中进行光谱水汽吸收处理后的光谱数据值代替。

所述的步骤三中定位光谱的最大值分界点的具体方法如下：将步骤一和步骤二处理后的野外岩石矿物光谱曲线数据标记为S，将S的反射率值逐点进行比较，求取野外岩石矿物光谱的反射率值最大值，记为S_max。

所述的步骤四中计算查找上述步骤三中得到野外岩石矿物光谱曲线S的包络线节点的具体方法如下：

野外岩石矿物光谱反射率光谱最大值点S_max将整条光谱曲线分为左、右两部分，朝两个方向分别进行包络线节点搜寻；

首先进行野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max左部分节点的搜寻，即从最大值S_max端点向波长减小方向，计算该野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max与波长减小方向各反射率光谱点连线的斜率；判断是包络线节点的原则为：野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max与波长减小方向各反射率光谱点连线的斜率最小；将此包络线节点记为包络线的下一个节点，并记为当前节点，向波长减小方向进行下一个循环，直到结束；

再进行野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max右部分节点的搜寻，即从最大值S_max节点向波长增加方向，计算野外岩石矿物光谱反射率最大值S_max端点与波长增加方向各反射率光谱点连线的斜率；判断是包络线节点的原则为：野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max与波长减小方向各反射率光谱点连线的斜率最大；将此点记为包络线的下一个节点，并记为当前节点，向波长增加方向进行下一个循环，直到结束。

所述的步骤四中进行包络线节点搜寻的具体方法如下：

①将光谱曲线S的反射率值置于数组Ref，波长置于数组Wav，数组Ref与Wav长度相同。包络线节点数组记为Node，记录包络线节点数据在数组Ref中的位置，也即Wav中的位置；

②野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max在数组Ref中的位置赋予i，令Node[1]＝i,记录节点数k＝1,记为当前节点；

③判断，若i＝1，结束左部分搜寻，执行⑤。否则，执行④，寻找下一个包络线节点；

④寻找当前包络线节点与波长减小方向各反射率光谱点连线中斜率最小的点，将其在数组Ref中的位置赋予i，令Node[k]＝i，k＝k+1，记为当前节点，执行③；

⑤将野外岩石矿物光谱反射率最大值S_max记为当前包络线节点；

⑥寻找当前包络线节点与波长增加方向各反射率光谱点连线中斜率最大的点，将其在数组Ref中的位置赋予i，令Node[k]＝i，k＝k+1，记为当前包络线节点；

⑦若i＝size(S)，即：i等于光谱曲线S的维数，则结束右部分包络线节点搜寻，也即结束整条光谱曲线S的包络线节点搜寻。否则，执行⑥，寻找下一个包络线节点。

所述的步骤五中将野外岩石矿物光谱曲线S的包络线节点生成包络线的具体方法如下：步骤四中计算出的数组Node即为光谱曲线S上所有符合条件的包络线节点，包络线节点数组Node记录的是各包络线节点在反射率数据中的顺序位置，按大小对其进行升序排列；查找数组Node各记录值在数组Ref中的反射率值，赋予数组Node_ref，用光谱波长数组Wav对包络线节点反射率值数组Node_ref进行线性插值，插值结果即为包络线，赋予S_e。这样包络线S_e与光谱波长数组Wav维数相同。

所述的步骤六中去除岩石矿物光谱曲线的包络线S_e的具体方法如下：将光谱曲线S的反射率数据与步骤五生成的包络线数据S_e相除，实现岩石矿物光谱曲线包络线的去除，包络线去除值E_i＝S_i/S_ei。

本发明的有益技术效果：本发明成功实现了野外岩石矿物光谱的包络线去除，避免了包络线被光谱曲线包围以及漏掉包络线节点的现象。对野外岩石矿物光谱数据进行光谱水汽吸收处理，有利于包络线去除处理及后期岩石矿物信息的识别与提取。光谱环境噪声处理不仅能够要有效去除野外岩石矿物光谱的噪声，还能够保证岩石矿物反射光谱特征的真实性。定位步骤一和步骤二处理后的野外岩石矿物光谱的最大值，并作为野外岩石矿物光谱的包络线节点，避免了包络线节点遗漏野外岩石矿物光谱最大值点的问题，优化了野外岩石矿物光谱包络线节点的计算。野外岩石矿物反射率光谱最大值点S_max将整条光谱曲线分为左、右两部分，朝两个方向分别逐点进行包络线节点的搜寻，不仅避免了野外岩石矿物反射率光谱包络线节点的误加和遗漏，也避免了野外岩石矿物反射率光谱曲线与其包络线相交的情况，既简化了包络线节点的计算，也便于算法的实现。

附图说明

图1为本发明所提供的一种野外岩石矿物光谱的包络线去除方法的流程图；

图2为野外岩石矿物的包络线缺陷图；

图3为本发明的野外岩石矿物的包络线方法效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种野外岩石矿物光谱的包络线去除方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、对野外岩石矿物光谱数据进行光谱水汽吸收处理

野外实测光谱数据在1400nm和1900nm两个波段处出现大幅度的剧烈抖动失真现象，岩石矿物的反射率光谱吸收特征完全被压制，这是大气水汽影响的结果。这种现象不利于包络线去除处理及后期岩石矿物信息的识别与提取。

由于岩石矿物信息在上述两个波段范围完全失真，丧失了信息的使用价值，因此，对1400nm和1900nm处的野外岩石矿物光谱数据进行删除，即对野外岩石矿物光谱数据进行光谱水汽吸收处理。具体处理方法如下：以光谱水汽吸收处理前的野外岩石矿物光谱数据波段为横轴，采用线性法对删除的两个波段1400nm和1900nm处的野外岩石矿物光谱数据进行光谱插值，从而满足后期岩石矿物光谱匹配滤波提取矿物信息要求波段数相同的条件。

步骤二、对野外岩石矿物光谱进行光谱环境噪声处理

野外岩石矿物光谱包含环境噪声，影响包络线节点的位置搜寻。采用平滑滤波的方法对野外岩石矿物光谱进行光谱环境噪声处理。具体处理方法是：采用步长为N个点的平均滑动窗口，N为奇数；由起始波长向波长增加方向对岩石矿物光谱进行滤波，岩石矿物光谱的前N-1个点和最后N-1个点的数值用步骤一中进行光谱水汽吸收处理后的光谱数据值代替。平均滑动窗口的选取既要有效地去除光谱包含的环境噪声，也要保证岩石矿物反射率光谱特征的有效性。本实施例数据优选采用N＝5个点的平均滑动窗口。

步骤三、定位上述步骤一和步骤二处理后的野外岩石矿物光谱的最大值分界点

光谱曲线上各个极大值节点的连线构成包络线，定位光谱反射率最大值点的位置是查找各个节点的关键一步，光谱最大值位置的准确性直接影响包络线各节点的位置及最终包络线的生成。

将步骤一和步骤二处理后的野外岩石矿物光谱曲线标记为S，将S的反射率值逐点进行比较，求取野外岩石矿物光谱的反射率值最大值，记为S_max。

步骤四、计算查找上述步骤三中得到野外岩石矿物光谱曲线S的包络线节点

包络线节点是野外岩石矿物光谱曲线S上符合条件的极大值点的组合。将上述步骤三得到的野外岩石矿物光谱反射率最大值S_max作为包络线的第一个节点。野外岩石矿物光谱反射率光谱最大值点S_max将整条光谱曲线分为左、右两部分，朝两个方向分别进行包络线节点搜寻。

首先进行野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max左部分节点的搜寻，即从最大值S_max端点向波长减小方向，计算该野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max与波长减小方向各反射率光谱点连线的斜率。判断是包络线节点的原则为：野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max与波长减小方向各反射率光谱点连线的斜率最小。将此包络线节点记为包络线的下一个节点，并记为当前节点，向波长减小方向进行下一个循环，直到结束。再进行野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max右部分节点的搜寻，即从最大值S_max节点向波长增加方向，计算野外岩石矿物光谱反射率最大值S_max端点与波长增加方向各反射率光谱点连线的斜率。判断是包络线节点的原则为：野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max与波长减小方向各反射率光谱点连线的斜率最大。将此点记为包络线的下一个节点，并记为当前节点，向波长增加方向进行下一个循环，直到结束。进行包络线节点搜寻的具体方法如下：

①将光谱曲线S的反射率值置于数组Ref，波长置于数组Wav，数组Ref与Wav长度相同。包络线节点数组记为Node，记录包络线节点数据在数组Ref中的位置，也即Wav中的位置；

②野外岩石矿物光谱反射率最大值点S_max在数组Ref中的位置赋予i，令Node[1]＝i,记录节点数k＝1,记为当前节点；

③判断，若i＝1，结束左部分搜寻，执行⑤。否则，执行④，寻找下一个包络线节点；

④寻找当前包络线节点与波长减小方向各反射率光谱点连线中斜率最小的点，将其在数组Ref中的位置赋予i，令Node[k]＝i，k＝k+1，记为当前节点，执行③；

⑤将野外岩石矿物光谱反射率最大值S_max记为当前包络线节点；

⑥寻找当前包络线节点与波长增加方向各反射率光谱点连线中斜率最大的点，将其在数组Ref中的位置赋予i，令Node[k]＝i，k＝k+1，记为当前包络线节点；

⑦若i＝size(S)，即：i等于光谱曲线S的维数，则结束右部分包络线节点搜寻，也即结束整条光谱曲线S的包络线节点搜寻。否则，执行⑥，寻找下一个包络线节点。

步骤五、根据上述步骤四中得到的野外岩石矿物光谱曲线S的包络线节点生成包络线

步骤四中计算出光谱曲线S上所有符合条件的包络线节点，将这些包络线节点按波长大小进行升序排列，然后，用折线段依次连接包络线节点生成包络线。

步骤四中计算出的数组Node即为光谱曲线S上所有符合条件的包络线节点，包络线节点数组Node记录的是各包络线节点在反射率数据中的顺序位置，按大小对其进行升序排列。查找数组Node各记录值在数组Ref中的反射率值，赋予数组Node_ref，用光谱波长数组Wav对包络线节点反射率值数组Node_ref进行线性插值，插值结果即为包络线，赋予S_e。这样包络线S_e与光谱波长数组Wav维数相同。

步骤六、去除上述步骤五中得到的岩石矿物光谱曲线的包络线S_e

将光谱曲线S的反射率数据与步骤五生成的包络线数据S_e相除，实现岩石矿物光谱曲线包络线去除的目的。包络线去除值E_i如下式所示：

E_i＝S_i/S_ei

其中，i＝1，2，3，…，m；m为光谱曲线S的维数。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。