地物光谱曲线特征点的提取和应用

地物光谱曲线特征点的提取和应用 地物光谱曲线特征点的提取和应用 第36卷第4期 2006年12月 河南大学(自然科学版) JournalofHenanUniversity(NaturalScience) V01.36No+4 Dec.2006 地物光谱曲线特征点的提取和应用 王亚飞,钱乐祥,刘含海 (1.河南大学环境与规划学院,河南开封475004;2.广州大学地理科学学院,广东广州510006) 摘要:首先研究了地物光谱曲线特征点提取的方法,并列举了特征点的一些应用.然后根据实测的3个不同时 期小麦的反射率曲线,在进行了均值去噪处理之后,设定振幅阀值,排除了残余噪音干扰,从而提取了曲线最重要 的特征点. 关键词:地物光谱;光谱分析;曲线拟合 中圈分类号:0434.19文献标识码:A文章编号:1003—4978(2006)04—0067—04 ExtractionandApplicationofCharacteristicPointsforGround ObjectsSpectralReflectiveCurve WANGYa—fei,QIANLe—xiang一,LIUHan—hai (1CollegeofEnvironment&Planning,HenanUniversity,HenanKaifeng,475001,Chi na; 2SchoolofGeographicScience.GuangzhouUniversity.GuangdongGuangzhou.510006,C hina) Abstract:Thepaperisaresearchonthemethodofdrawingoutthecharacteristicpointsfromas pectralcurveand enumeratingtheapplicationsofthesepoints,Theauthorscollectedthespectraldataofwheati ndifferentoccasions, gotridofthenoiseswhichhappenedinthecourseofmeasurationbywaysofaveragingnearspe ctraldataandways ofsettinglimitingfiguretoamplitude.thenthemostimportantcharacteristicpointsweregain ed. Keywords:Spectrum;Spectralanalysis;Curvefitting O引言 目前,地物光谱曲线的应用已日益广泛,如在农业上根据作物的光谱可以监控氮,磷,钾,水分等营养元 素的丰缺,可以判别农作物的种类和生长期,可以观察农作物是否有病虫害-I;在矿业中可根据矿石的光 谱特征判断其组分;在水体研究中可根据水域的光谱研究其含沙量,营养化以及受污染程度等.光谱曲 线的分析一般是差异性分析,有最小距离,光谱角度匹配,光谱相似度等模型算法],主要目的是为了和遥感 数据相结合,用于地物分类.不过,有些光谱之间的差异太小,进行对比分析时并无良好的方法.而对于研 究植物生长期间光谱的变化,很多学者只能用描述性的语言加以说明,缺乏量化的结果.其实,分析光谱曲 线,也可以从它们的波峰,波谷,拐点等特征点着手,这些特征点蕴含了大量的信息,决定了曲线的形状,具有 重要的地位.因此,本文以实测光谱数据的处理为例,介绍了光谱曲线特征点的提取及其意义. 1光谱曲线的收集和预处理 , 本实验采用了美国ASD公司生产的手扶式便携光谱仪.其波长范围为325,l075nm,光谱分辨率为 1nm.数据采集的地点为开封市西郊农田,作物为冬小麦.作者选择晴朗无风的天气 在10:o0,14:O0之间 进行测量,获得了冬小麦冠层的相对反射率曲线. 如图1,冬小麦的三条光谱曲线分别是在2005年的3月25日,4月14日,5月11日采集的,采集过程严 格按照说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 的操作规范进行.通过观察发现,光谱曲线的稳定性具有从中间向两端逐渐降低的趋势,具体 表现为:在450~850nm的中间波段,光谱曲线极为平滑;在370,450nm和850,950nm间,曲线有小幅 收稿日期:2005一10—11 作者简介:王亚飞(1975一),男,河南信阳人.硕士研究生,专业方向为地图学与地理信息系统. 河南大学(自然科学版),2006年,第36卷第4期 的振动;而在边端325~400nm和950~1075nm处,曲线表现为无规则的高频振动.其原因一方面是仪器 的灵敏性所致,另一方面是紫外和近红外的光谱易受外界干扰.为了后续的分析,首先需要对光谱曲线进行 降噪处理. 图1小麦冠层反射曲线图和均值处理后的局部放大对比图 降噪的方法有很多,其中傅立叶滤波法可以消除曲线信号中的低频或高频的随机噪声,但是其滤波尺度 固定,在消除噪声的同时原曲线的形态也变化较大,波峰波谷均被削弱,曲线显得平缓.小波法具有时频变 焦的特征,但其方法比较复杂,尺度控制也不易[7].本次实验的降噪处理采用了均值法,其数学表达式为 R=(R1+R+R斗1)/3,(1) R一(RH+Rr.1+Rf+R斗l+R2)/5.(2) 其中,R表示波长为i时的反射率,式(1)是用相邻三点的均值作为中间一点的反射率,式(2)是用相邻五点 的均值作为正中间一点的反射率,两式的差别只在于尺度不一样. 根据稳定性的不同将光谱曲线划分为三段,采用不同的尺度滤波.中间段450~850rim用式(1)进行均 值处理;次中间段370~450nm和85O,950nm用式(2);边端段325,4oOnm和95O,1075nm用式(2), 并且连续滤波三次. 滤波的结果是:边端曲线变得光滑,基本走势清晰,有利于进行不同曲线的对比分析(见图1的330 390nm之间的局部放大图,三条虚线高低差别明显);中间段曲线由于只用式(1)进行了一次滤波,因此对波 峰和波谷的削弱是微乎其微的,实验数据显示,纵坐标相对反射率在波峰和波谷的削弱值一般不到0.0001, 最大不超过0.0002.均值处理在理论上也可能会产生波峰波谷在横坐标位置的偏移,但在式(1)的尺度条 件下,偏移量最多为1nm,而且绝大多数情况下不会发生. 采用均值法滤波,尺度选择是关键,尺度过小则无法消除噪音,尺度过大则过度的削弱了波峰波谷,故而 有必要对数据进行分段处理.另外,均值的方法并不是排除噪音,而是将正负噪音中和,取得曲线的主体走 势.所以对于正负噪音不均衡,有明显强噪音的光谱曲线不宜采用此方法. 2光谱曲线特征点的提取 2.1提取波峰波谷 光谱反射率曲线由众多连续排列的离散点组成,其波峰值要大于两肩的数值,所以判断波峰的条件为 R>RH且R>R.(3) 其中,R是波长为时的反射率.这个判断方法适用于绝对平滑的曲线,但是大多数反射率曲线都带有噪音, 利用这个方法将会把噪音形成的波峰也提取出来,这不是我们所希望的. 噪音造成局部振动的幅度较小,远低于主体曲线的振幅.为了消除它的影响,可以 设定一个振幅阀值, 在众多的波峰点和波谷点中,振动幅度大于阀值的点予以保留,作为特征点,振动幅度小于或等于阀值的点 不予记载,当作是噪音.具体的实现在后面给予说明. 如图2,假定阀值为0.01,A为谷点或起始点,A,B,C,D,E的反射率分别为0.385,0.405,0.402,0.437, 0.391.由于RB—R=0.003,小于阀值0.01,并且R.>RB,故而判断B,C两点为噪音所致,予以排除.由 于RD—RA=0.052>0.01,RD—RE=0.046>0.01,故而判断D点为真正的波峰. 波谷的判断提取与波峰相似,在此不再赘述. 按照以上规则可以编写程序演算码,其中阀值是一个变量,阀值越小,提取的特征点越多,阀值越大,提 取的特征点越少.调整阀值的方法有两种:一种是手工调整,观察所提取的特征点直到满意为止;另一种是 王亚飞,等:地物光谱曲线特征点的提取和应用 让代码自动调整阀值,使得提取的特征点数目符合要求后停止.在一般情况下,噪音形成的振动远弱于曲线 主体的振动,所以手工输入阀值很方便,只要使它处于这两个振动的振幅之间,就可以过滤掉噪音振动.图3 是2005年4月14日小麦的光谱曲线图,经过预处理后已经比较光滑,将阀值设定为0.01,则振幅低于阀值 的"毛刺"被忽略,提取了包括首尾点和波峰波谷在内的特征点共7个(A,G).特征点的位置在图中已列 出,其坐标见表1. 圈2波峰提取示意田田3平滑后的光谱曲线田及其部分特征点 表1特征点的波长和反射率(3001075nm) 2.2提取植物红边 健康植被的光谱曲线在700800nm之间有一个陡坡,反射率急剧升高,这是植被特 有的光谱特征.此 段曲线斜率最大的点称作"红边",有的称作红边拐点. 光谱曲线在波长为时的求导可用下式: R=(R1一RH)/z.(4) 红边即为在此区间上导数值最大时的点,在程序中用一个循环镶嵌下面的语句便可求得红边位置. If(R+l—R1)/2>HongBianXThen HongBianX=i HongBianY=(Rl+l—RI—1)/2 其中,HongBianX和HongBianY分别存储了红边点的波长和斜率.在图3中,小麦反射曲线的红边点 位于波长734nm处,斜率约为0.009322. 当然,我们也可以根据式(4)先画出一阶导数光谱曲线,在700,800nm波段间导数曲线的波峰点也就 对应着原曲线的红边点. 2.3提取弧段顶点 光谱曲线近似的可看成是由分段的凸,凹弧曲线组成.某一段弧线的顶点是此段上曲率最大的点,它对 确定曲线的形状有重要作用(如图3中的K点).曲率的计算公式为 k—fR"f/(I+R).(5) 其中R"为波长为时的二阶导数,k为此点曲率. 曲率的计算由于用到一阶和二阶导数,所以受噪音的影响极大.曲线上的"毛刺"段导数的变化极大,曲 率值远超于弧线的顶点,所以式(5)适用于平滑曲线,对于不稳定的波段需加强去噪处理. 3特征点的应用 3.1光谱差异性分析 地物光谱曲线分辨率较高,一般不同的地物在曲线中呈现出不同的反射特征,这些差异在特征点上表现 的比较明显.即使是同一植物,在不同的生长期内其光谱也会发生有规律的变化,这些变化能够被特征点准 确地记录下来.从表2中可以看出从3月Z5日到5月11日这段时期冬小麦绿峰,红边的移动状况.另外, 在5月I1日早熟小麦开始灌浆时,其光谱曲线在627nm处出现了一个小反射峰,振幅约为0.003,这说明 70河南大学(自然科学版),2006年,第36卷第4期 小麦已微微变黄,肉眼难以直接观察到的变化在曲线上已体现出来. 3.2曲线拟合裹2小麦的特征波长(500~800nm)单位.nm 无论是地物光谱数据库,还是高光谱 遥感影像,光谱维数的增加都导致了数据 量的急剧膨胀,而我们则希望能用较少的 数据表示较多的信息.就试验所用的手扶 式光谱仪来说,一次测量就收集了从325 nm到1075nm共750组数据点.大量的数据不仅占用了硬盘空间而且不利于网络上的传输,所以在一定 的条件下对光谱数据进行压缩是有必要的. 选点是压缩的关键,既要使点尽可能的少,也要能够表达出足够的信息.本文将曲线的起点和末点以及 波峰波谷作为选定点,另外加上其它一些特征点作为压缩曲线的节点.点选定之后用分段三次多项式的方 法进行插值],然后与原曲线对比,进行误差分析. 分段三次多项式法是在每两个节点之间都拟合一条三次曲线,要求曲线通过这两个节点,并且在节点处 的导数等于给定的已知值,因而是一种比较精密的插值方法.选用图3已标注的8个点作为节点进行插值, 插值结果与原曲线的对比见图4. 在图4中,实线为原曲线,虚线为插值后的拟合曲线,误差 ?l模拟值一实测值l/?实测值===4.14%,该方法将750组 实测数据压缩为8组特征光谱数据,同时又保存了大部分光谱信 息.因而是比较适用的. 4讨论 光谱曲线的平滑降噪处理是特征点提取的前提,要尽可能在 降噪的同时保持特征点的位置不变.本文的实测光谱数据质量很 高,在450,9O0nm之间噪音极小,即便不进行平滑处理,设定恰 围4拟合曲线和原曲线 当的振幅阀值也能够提取波峰波谷这些特征点.对于质量差,噪音多的光谱曲线首先须采用合适的方法平 滑滤波,这时提取的特征点精度会有所下降. 在选取节点进行曲线拟合时,分段弧线的顶点是关键点,它一般情况下与波峰或波谷距离很近,甚至就 是峰点或谷点.文章中用波峰波谷代替它作为节点出于两方面的考虑:一是曲线在波峰波谷处导数为0,加 快了三次多项式的插值运算;二是波峰波谷对应着曲线的极大值点和极小值点,保存它们具有一定的意义. 在特殊情况下,比如说凸弧和凹弧不相间,弧线的顶点与波峰波谷距离较远,那么仅用波峰波谷作为节点会 造成较大的误差.例如小麦近红外的高反射平台就是两个相互连接的凸弧,在图4中,DE弧段的拟和是产 生误差的重要因素.这种凸凹弧不相间的情况在波谱曲线中是少见的,对于具体的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 我们可以增加节点 以减少拟合误差. 参考文献: E1-1王珂,等.不同钾营养水平的水稻冠层和叶片光谱特征研究初报EJ].科技通报,1997,13(4):211—214. 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