第 卷 第 期 光谱学与光谱分析 年 月!###!'!! 基于权重光谱角制图的高光谱矿物填图方法 何中海 何彬彬 电子科技大学地表空间信息技术研究所 四川成都 摘 要 分析光谱角制图方法缺陷的基础上 提出权重光谱角制图 '!### 方法 其基本思路为 在相似波谱曲线差异较大的特征区间设置权重 以增大它们相似度之间的差异 当识别某种矿物时 可找到参考波谱与其相似性矿物波谱差异较大的特征区间 并在此区间设置权重 从而使相似性矿物波谱与参考波谱的相似度降低 增加其与目标矿物的区分度 通过 8 高光谱数据的实验证明 权重光谱角制图方法通过设置目标矿物和其相似性矿物的差异特征区间 降低了相似矿物波谱与目标矿物标准波谱的相似性 增加了相似性矿物的目视区分能力 能够较为准确地区分出目标矿物和其相似性矿物 关键词 光谱角制图 权重光谱角制图 高光谱 区分度 中图分类号 ) 文献标识码 ('!!)) 引 言 目前 比较成熟的高光谱相似性度量方法包括基于波谱 ) 曲线整体相似性 波谱曲线的局部特征匹配和混合象 元分解技术 其中光谱角制图!### 是基于波谱曲线整体相似性的一种算法 它通过计算光谱之间的夹角判断它们之间的相似性 光谱之间的夹角越小 说明两者的相似性越大 光谱角制图 计算方便 并可以减弱波谱照度和地形的影响 在地质填图应用中较为广泛 但是 这种基于波谱曲线整体相似性的算法对局部特征变化表达不明显 当两种物质的光谱曲线相似时 区 分效果较差 本文提出一种新的光谱相似性度量方法!!! 权重光谱角制图 '!## # 利用局部细节信息增加相似性矿物的区分度 权重光谱角制图方法 光谱角制图 是利用测试光谱与参考光谱之间的夹角表示它们之间的相似性 它的计算式如下! 式中 为两个光谱之间的夹角 即光谱角 和 分别为参考光谱和测试光谱的波谱曲线 的取值范围在 之间 其值越小 代表测试光谱与参考光谱的相似性越高 归类的概率和精度也就越高 光谱角的大小只跟两个比较的光谱矢量方向有关 与其辐射亮度无关 这就减弱了照度和地形对相似性度量的影响 在计算两条波谱曲线的相似性时 波段之间是可以相互弥补的 无法突出光谱特征的局部信息 因此对比较相似的光谱曲线区分效果较差 为了提高相似光谱之间的区分度 进行如下改进 在相似波谱曲线差异较大的特征区间设置权重 以增大它们相似度之间的差异 假设设置差异较大的特征区间包含有 # 个波段 此区间中参考光谱和测试光谱的反射率值用 表示 普通区间有 个波段 此区间中参考光谱和测试光谱的反射率值用 表示 # 表示光谱曲线的总波段数 对差异特征区间设置权重 则原相似性度量计算式变化为等式 收稿日期 修订日期 ) 基金项目 国家 计划 项目 C 和国家自然科学基金项目 资助 作者简介 何中海 年生 电子科技大学地表空间信息技术研究所硕士研究生 #' 通讯联系人 #'''!
第 期 光谱学与光谱分析! 设置权重后的 算法可以看成把数据转化到突出局部特征信息的新的特征空间 不进行投影转换 保留了原 始波段的物理含义 然后在这个特征空间中利用 方法计算相似性 满足相似性度量的条件 下面通过计算对!!! 和 进行比较 设 则 为了得到 相对 的变化特征 即 的变化 对 式做不等式变形得! # 设!!!! 则! 表示波谱在差异较大的特征区间的相似度 从式 可见 当!! 时 即当特征区间的相似度小于整! 体相似度的时候 即利用 后图像光谱与参考光谱的相似度会降低 并且随着 值的增大这种变化的最小值会逐步提升 趋近于!! 这为区分相似性矿物提供了一个很好的条件 当识别某种矿物时 可找到它与其相似性矿物差异较大的特征区间 在此区间!! 并给其设置权重 从而使相似性矿物与参考波谱的相似度降低 增大其与目标矿物的区分性 为进一步探讨当! 大于! 时 相对 的变化特征 对式 做不等式变形得 设! 则
光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 第!卷 B B - # B # A B - L L的时候!!也就 化带和泥化带中还含有低于 # # (! ) A可以看出!当!!从式 是当特征区间的相似度与整体相似度的差异满足上面的条件 Ab 的赤铁矿? 实验区岩石 出露良好!矿物组合多样!加上气候干燥!交通便利!从 时!利用 ^8H 方法!图像光谱与参考光谱的相似度会增 世纪年代起就成为地质研究的重要实验区 加但在 时有部分象元相似度会降低!也有部分 8 '8!实验结果 B) 铜矿区相似矿物中比较典型的就是高岭石和白 相似度会增加!这种不确定性对进行相似度测量不利!因此 进行权重光谱角制图时不对 的像元进行处理! 保持原光谱角制图的相似度计算结果 根据上面的讨论 ^8H 方法总结为以下几个步骤' 找目标矿物波谱与其相似性矿物波谱差异较大的特征区间! 云母标准波谱曲线见图 图! 中实线#点线波谱曲线分 别为标准波谱库中的高岭石和白云母的波谱曲线!虚线和虚 点线波谱曲线分别为与高岭石和白云母匹配较好的光谱曲 线 并使相似性矿物与目标矿物在此区间满足 # 在此差异区间设置一个权重值!当 时!利用 时!利用 原 8H 方法计算相似度值当 ^8H # 方法计算相似度值!并且为了增大相似度的改变值!可以将 其相似度值做适当放大处理!实验与分析 8 '(!数据 研究中使用美国内华达州铜矿区 B) 的 8\V\ 高 '8!A= - < 光谱数据图结合美国地质勘察波谱库 D ' 进 行试验遥感数据经过大气校正和去噪处理(A)!得到反射率 图像 'D!A= - <!!首先利用8H 方法和 ^8H 方法进行相似度计算!结 果见表在 ^8H 方法中!提取高岭石时!根据白云母图 像光谱与高岭石标准波谱曲线进行比较!采用差异区间特征 区间 '?< '#<'D!此区间中高岭石在 ''D 左右 '(!W!Q - L_## ) 有一相对较弱的吸收峰提取白云母时!根据高岭石图像光 谱与白云母标准波谱曲线进行比较!采用差异区间特征区间 矿区被<A号公路分成东西两个南北向拉长的蚀!!B) 变区东边区域主要出露岩层有第三系火山岩和第四系冲积 '?< '><'D!此区间中白云母在 '!A'D 左右有较 强的吸收峰其中 值采用 '与> '作比较 岩!而西边区域主要出露层有寒武纪变质沉积岩#第三系火 山岩和第四系冲积岩经过 8 D等人的填图结 和 8N 果可知此区域的蚀变区域主要可以分为硅化带!蛋白石化带 和泥化带硅化区主要蚀变矿物为大量的石英以及部分方解 石#少量的明矾石和高岭石蛋白石化殆分布广泛!主要是 蛋白石和一定数量的明矾石和高岭石泥化带主要有高岭 石#蒙脱石和少量蛋白石除上面提到的矿物外!在蛋白石 A (!A= )LTK)LT 光谱 8H 夹角 ^8H 夹角 T ' T> ' 高岭石标准光谱白云母图像光谱 '<!!! '<>! '<<<A# 白云母标准光谱高岭石图像光谱 '#!A<? '<>#<A '<A#A
第#期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析!!从表中可以看出!在提取高岭石矿物时!图像中与白云 母匹配较好的图像光谱与标准的高岭石波谱曲线的相似度随 着 值的增大而逐渐降低同样!在提取白云母矿物时!图 像中与高岭石匹配较好的图像光谱与标准的白云母波谱曲线 的相似度随着 值的增大而逐渐降低也就是 ^8H 方法! 可以通过对相似性矿物波谱与目标矿物波谱差异较大的特征 区间设置权重!降低相似矿物波谱与目标参考波谱的相似 度!以增大相似性矿物的区分度图 > 为利用美国内华达州 铜矿区的 8\V\ 高光谱数据分别进行 ^8H 方法和 8H 方法的矿物填图结果 '!A= = - )LTK)LT < 'Q 8H D N'8H D D)) G ' D Z ' Q G 8H D G > ' N G '?< D Z '#<'D '^ 8H D D G ' 'Q )) Z ' 8H D D Y 8H D D)) D Y G ' D Z ' Q G 8H D D Y G > ' N G '?< '><'D ' D Z ^ 8H D D)) D Y G ' Z 根据对此地区光谱提取的结果图?可知差异地区主要是高!!讨论与结论 岭石!采用 ^8H 方法时!相似性矿物的区分性也得到了 提高!!从图>可以看出!在进行高岭石提取时!差异地区主要 在图> 的黑色框和中根据对此地区光谱提取的结果 图A可以看出!黑色框内 的 物 质 主 要 应 该 是 白 云 母!而 8H 方法进行计算时此地区与高岭石相似度较高!不易区 分!而采用 ^8H 方法时!此地区相似度降低!目视的区分 能力增加!在提取时也能较为准确地与高岭石区分开来在 进行白云母提取时!差异地区主要在图> 的黑色框!中! 'H!A= = -N= N 和 G J 利用!!将 ^8H 和 8H 的填图结果和 B ( )进行比较! 数据在此地区填图结果 得到的 8V\ ^8H 结果相当吻合!而 8H 得到的结果对相似性矿物的区分较 差 综上所述!^8H 方法通过在目标矿物和其相似性矿 物的差异特征区间上设置权重!降低了相似矿物与目标矿物 'G!A= - = -N= N 标准波谱曲线的相似性!增加了相似性矿物的目视区分能 力!并能够较为准确地区分出目标矿物和其相似性矿物
光谱学与光谱分析 第 卷 '# <!--'8!'-' <!--###8!'') ##!8'#') # <!'! #8!'') )# # 8!'-' 8 #####'#' 8 ####-!'#8!#!' ''#C#- B'' 王晋年 郑兰芬 童庆禧 8!'-''# 环境遥感 #!#'##!#'!'#8!' #!# #8!'-' # #'##-8!') '! ## '(##!#'!!'#8!' # #!#''-#'!##'##'8!'-') )###!#'!!'#8!')?'#-# '####'8!'-' 8 #####'#!'!#8!'!' # ## C#'''!'-#'#-#''#'!'-''#-'# '# #!'!-##'-''-!### #'!''#'#!# ' '!!'!#-##'#'!!#'''- # '#!'!''#''!''# '#!'!''!!'-'##!#-' '- # '''-'!#-#!''# '#!# -!'! #'!'!''! #!''#'#'#!'!''#''!''# '#!'!!-!##8##''##!!''#'-# '##'!!''# '##'#!! #''-'!#'#' ### '!###!#'!''#'' 8'#)!'#