一种基于联合信息的高光谱图像伪彩色可视化方法与流程

本发明属于遥感图像处理技术领域，具体涉及一种基于联合信息的高光谱图像三波段合成伪彩色可视化方法。

背景技术：

高光谱遥感技术的发展，为地物的精细识别提供了重要基础。与普通遥感图像相比，高光谱图像的一个重要优势是增加了丰富的光谱维信息，可实现从可见光到红外的连续光谱采样。高光谱图像的丰富光谱信息能充分反映出目标内部的物理结构特性以及化学成分特性的差异，从而实现地物光谱维度的精细区分。

高光谱图像多达数百个波段带来丰富光谱信息的同时，波段数目多、数据量庞大等特点也给图像解译人员，尤其是数据直观解译人员带来诸多困难。高光谱图像光谱采样间隔小，波段之间存在极大的相关性，使用相关性较大的波段进行伪彩色合成显示，图像的颜色纹理等不够丰富，影像解译人员的目视判读解译。根据人眼的物理功能及颜色理论，人眼能够解译的波段数最多为三个，因此如何从为数众多的高光谱图像波段中选择三个最优的波段用于合成假彩色图像，以最大程度呈现图像内容，对高光谱图像的解译尤为重要。

高光谱图像伪彩色可视化技术，事实上就是高光谱图像波段选择技术的一个特例：选择的波段数目为3。波段选择一般涉及到两个步骤：准则函数的设计以及波段子集搜索。其中，准则函数决定了选择“什么样”的波段，而波段子集搜索决定了如何找到这些波段，其中准则函数的设计对可视化效果起到至关重要的作用。

关于应该选“什么样”的波段进行伪彩色合成，已经有了一些研究成果。有些方法是基于波段排序的，这些方法一般先定义某个指标(一般是单波段的指标)，如MVPCA定义了各个波段在主成分方向上的方差和，IDBS定义了波段的非高斯程度，然后对各个波段计算指标并排序，并依照排序顺序选择需要的波段。尽管排序算法不需要子集搜索过程，速度较快，但是由于没有考虑相关性，得到的波段集合往往相关性很大。在高光谱图像伪彩色显示中，波段之间的相关性抑制是至关重要的，因为相关性大的波段颜色和纹理信息都很小。

有些波段选择方法设计准则函数时考虑了波段的相关性，如，OIF将波段的方差和相关系数之比作为准则函数，但当波段数较多时，计算复杂度极高，同时该方法主要突出的是波段的信息量，对波段之间相关性抑制不足，不适合用于为高光谱图像的伪彩色可视化。高光谱图像波段之间的信息量和相关性之间的平衡关系以及波段选择的效率对其伪彩色可视化具有重要意义。理想的高光谱图像彩色合成波段应是各个波段单独具有较大的信息量，同时波段之间具有较低的相关性。因此，迫切需要能够将波段信息量和相关性统一在一起的准则函数，以此进行高光谱伪彩色可视化波段的选择。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种效果良好、易于实现，同时具有较低计算复杂度的高光谱图像伪彩色可视化方法，提出高光谱图像联合信息指标进行波段选择，在考虑波段信息量的同时，增加对波段之间相关性的抑制，提高高光谱图像可视化质量。

本发明采用的技术方案为：

一种基于联合信息的高光谱图像伪彩色可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1计算高光谱图像所有波段的协方差矩阵；

步骤2在高光谱图像中所有波段构成的集合中，找出所有三个波段的波段组合，并记下每个波段组合中每个波段的序号；

步骤3对于每个波段组合，根据波段序号，从高光谱图像协方差矩阵中抽取对应元素构成新的协方差矩阵；

步骤4对每个新的协方差矩阵，计算其联合信息；其中，联合信息为新的协方差矩阵的行列式；

步骤5搜索具有最大联合信息所对应的波段组合，该波段组合为高光谱假彩色可视化合成波段组合；

步骤6计算高光谱假彩色可视化合成波段组合中三个波段各自对应的三个方差值，按方差值降序排列，排序后的高光谱假彩色可视化合成波段组合中三个波段依次对应的可视化合成波段为红波段、绿波段和蓝波段。

其中，步骤1中的协方差矩阵K为：

其中，kij为协方差矩阵K的元素，为第i波段和第j波段的内积，其中，i、j的取值为1,2,…,L，L为高光谱图像的总波段数。

其中，步骤3具体实现包括以下步骤：

步骤3a，找到波段组合{bm,bn,bo}中的三个波段各自对应的三个波段序号m,n,o；

步骤3b，根据波段坐标从高光谱图像协方差矩阵K中抽取九个元素构成新的协方差矩阵

其中，步骤4的实现如下：对波段组合{bm,bn,bo}的协方差矩阵Kmno计算行列式det(Kmno)，即联合信息，并记录下来与{bm,bn,bo}对应。

本发明具有如下优点：

(1)本发明通过定义高光谱图像的联合信息，实现了高光谱波段信息量和相关性的统一描述，从而可以选择出既具有较大信息量又具有较低相关性的波段，提高了高光谱图像伪彩色可视化的质量；

(2)为了提高计算速度，本发明通过预先计算全部波段协方差矩阵的方式，在波段搜索时只需从协方差矩阵中抽取相应元素，大大降低了计算复杂度；

(3)本发明根据人眼对红色更敏感的特点，提出了对应的可视化方案，提高高光谱图像伪彩色合成视觉效果。

附图说明

图1为本发明的整体流程图。

图2为不同方法选择的波段组合的联合信息量。

图3为不同方法选择的波段组合的图像信息熵。

图4为不同方法波段选择的计算时间。

具体实施方式

下面结合附图1-4及实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明的原理为：搜索高光谱图像波段空间中所有三波段的组合，并对每个组合计算协方差矩阵；定义波段组合的联合信息为波段协方差矩阵的行列式，可以证明，该行列式在保持波段具有大信息量的同时，对波段之间的相关性具有强烈抑制作用；选择具有最大联合信息的波段组合作为伪彩色合成的波段；计算伪彩色合成波段中每个波段的方差值，并按降序排列，在可视化时，依次作为红波段、绿波段和蓝波段，从而完成伪彩色可视化。

参照图1，一种基于联合信息的高光谱图像伪彩色可视化方法，包括以下步骤：

步骤1计算高光谱图像所有波段的协方差矩阵；

其中，步骤1中的协方差矩阵K为：

其中，kij为协方差矩阵K的元素，为第i波段和第j波段的内积，其中，i、j的取值为1,2,…,L，L为高光谱图像的总波段数。

其中，kij的具体计算方式如下：bi和bj分别为高光谱图像的第i个波段和第j个波段，M和N分别为高光谱图像的长和宽，〈,〉为内积算子，表示两个矩阵的对应元素相乘结果的和。也即其中bi(p,q)和bj(p,q)分别为第i个波段和第j个波段位于(p,q)出的像素值。高光谱图像中共有L个波段，因此K为大小是L×L的对称正定矩阵。

步骤2在高光谱图像中所有波段构成的集合中，找出所有三个波段的波段组合，并记下每个波段组合中每个波段的序号；

从高光谱图像L个波段中，找出所有的三个波段组合，并记下所有组合的波段序号，共计个，波段组合可以表示为{bm,bn,bo}，其中1≤m≤L-2，m≤n≤L-1，n≤o≤L。

步骤3对于每个波段组合，根据波段序号，从高光谱图像协方差矩阵中抽取对应元素构成新的协方差矩阵；

其中，步骤3具体实现包括以下步骤：

步骤3a，找到波段组合{bm,bn,bo}中的三个波段各自对应的三个波段序号m,n,o；

步骤3b，根据波段坐标从高光谱图像协方差矩阵K中抽取九个元素构成新的协方差矩阵由于K在步骤1中已经计算，这样大大降低了计算量。

步骤4对每个新的协方差矩阵，计算其联合信息；其中，联合信息为新的协方差矩阵的行列式；

其中，步骤4的实现如下：对波段组合{bm,bn,bo}的协方差矩阵Kmno计算行列式det(Kmno)，即联合信息，并记录下来与{bm,bn,bo}对应。因此计算步骤3中生成的协方差矩阵Kmno的行列式JImno＝det(Kmno)作为{bm,bn,bo}的联合信息，并将其与{bm,bn,bo}进行关联。

步骤5搜索具有最大联合信息所对应的波段组合{bm,bn,bo}，该波段组合为高光谱假彩色可视化合成波段组合；

步骤6计算高光谱假彩色可视化合成波段组合中三个波段各自对应的三个方差值，按方差值降序排列，排序后的高光谱假彩色可视化合成波段组合中三个波段依次对应的可视化合成波段为红波段、绿波段和蓝波段。

具体实现方式如下：

步骤6a，对步骤5中得到的伪彩色可视化合成的三个波段{bm,bn,bo}，分别计算其波段信息量，以bm为例，其信息量为

步骤6b，对{bm,bn,bo}中各波段对应的信息量Em,En,Eo按降序排列，为表述方便，假定其信息量是下降的，也即Em＞En＞Eo；

步骤6c，将bm波段作为伪彩色可视化的红波段，bn波段作为伪彩色可视化的绿波段，bo波段作为伪彩色可视化的蓝波段进行合成，完成高光谱图像的伪彩色可视化。

本发明的效果可通过以下试验进一步说明：

1.试验条件。

计算机配置为Intel Core i7-3770CPU 3.4Ghz，4GB内存，软件环境为Matlab R2013和ENVI 5.1平台。

2.试验方法。

试验使用MVPCA、OIF以及本发明方法选择三个波段分别用于伪彩色合成对比，并比较各个方法选择的波段组合的联合信息量及计算时间，以验证本发明的有效性。

3.试验内容与结果。

试验选择2002年美国航空航天局(NASA)的机载可见/红外成像光谱仪(AVIRIS)在美国圣地亚哥军事机场获取的高光谱数据Sandiego。Sandiego数据是经过预处理的反射率图像，该图像大小为400像素×400像素×224波段，其中有效波段为189个，波段1-6，33-35，97，107-113，153-166以及221-224为无效波段。

试验分别使用MVCPA、OIF以及本发明方法从原始图像189个有效波段中选择三个最优波段，作为伪彩色可视化合成的波段，进行伪彩色显示。为了验证本发明方法的有效性，对三种方法选择的波段组合进行了定量分析，分别计算了对应波段组合的联合信息量以及伪彩色显示图像的信息熵，结果分别如图2和图3所示。同时，试验还比较了三种方法的计算时间，结果如图4所示。

试验结果表明，使用本发明方法选择的波段进行伪彩色可视化的图像颜色纹理丰富，目视效果较好。MVPCA方法得到的波段具有一定程度的噪声，图像信噪比较低；而OIF方法选择的波段相关性比较大，颜色纹理特征较弱，表现为对机场背景的区分不够显著。因此，从目视主观评价，本发明方法取得良好的伪彩色显示效果。

从图2的定量对比可以看出，本发明发明选择的波段联合信息量最大，其次为MVPCA和OIF，三种方法选择波段的联合信息量分别为2.19E+17，1.61E+17和4.77E+16。图3的伪彩色信息熵对比分析表明，利用本发明方法进行伪彩色显示获得的图像信息熵最高，为19.55，分别比MVPCA和OIF选择的波段组合高出了6.4％和16.5％。从图4中各个方法的计算时间可以看出，OIF的计算时间最多，为1.35s，其次为本发明方法和MVPCA，分别为0.14s和0.12s。

试验结果表明，本发明方法可有效地选择高光谱图像的伪彩色波段进行可视化，比传统方法具有更好的效果。同时，本发明方法实现简单，具有较高的计算效率。