快速像元純度指數(shù)算法

摘 要：像元純度指數(shù)（PPI）算法廣泛應(yīng)用于目標(biāo)與背景的分離中，對于超光譜圖像數(shù)據(jù)，它可以從混合像元中提取純凈的端元，用于目標(biāo)的識別，但缺點(diǎn)是計(jì)算量大、不能自動提取。針對這一問題，本文基于PPI算法的原理提出一種非監(jiān)督端元自動提取方法，使得提取時(shí)間大大縮短。

關(guān)鍵詞：超光譜圖像 像元純度指數(shù) 混合像元 端元自動提取

中圖分類號：TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0040-02

遙感器所獲取的地面反射或發(fā)射光譜信號是以像元為單位記錄的，它是像元所對應(yīng)的地表物質(zhì)光譜信號的綜合。圖像中每個(gè)像元所對應(yīng)的地表，往往包含不同的地物，它們有著不同的光譜特性曲線。若該像元僅包含一種地物，則為純像元（Pure Pixel），若該像元是幾種不同物質(zhì)光譜的混合，稱為混合像元（Mixed Pixel）。混合像元在遙感圖像中普遍存在，它的分解己經(jīng)成為制約遙感圖像向定量化發(fā)展的一個(gè)障礙。本文將結(jié)合傳統(tǒng)的PPI算法，使混合像元的快速解譯成為可能[1]。

1 像元純度指數(shù)（PPI）

PPI（pure pixel index）算法認(rèn)為在超光譜圖像的所有數(shù)據(jù)中，其特征空間均由圖像中所有地物所對應(yīng)的純粹像元（端元）為頂點(diǎn)的單形體所包圍[2]。為了得到純像元，首先隨機(jī)生成大量測試向量，然后將光譜點(diǎn)分別往各個(gè)測試向量上投影，根據(jù)端元投影到向量的兩側(cè)而混合像元投影到中部的原則，記錄下圖像中每個(gè)像元被投影到端點(diǎn)的次數(shù)，最后認(rèn)定出現(xiàn)頻率最高的點(diǎn)即為要找的純點(diǎn)。

PPI算法雖然廣泛應(yīng)用在遙感影像處理系統(tǒng)中，但也存在著一些缺點(diǎn)。首先，由于生成大量的隨機(jī)測試向量，并且需要超光譜圖像上的每個(gè)像元光譜向量對每一條測試向量投影，記錄取極大值的次數(shù)，這樣使得計(jì)算量非常大。其次，需要估計(jì)一個(gè)閾值，這個(gè)值不好選取。針對以上問題本文提出一種改進(jìn)的PPI算法即快速像元純度指數(shù)算法。

2 快速像元純度指數(shù)（FPPI）

與傳統(tǒng)的PPI算法相比，F(xiàn)PPI算法具有幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：首先，使用虛擬維度估計(jì)需要產(chǎn)生的端元數(shù)量，使運(yùn)行和截止閾值的敏感性問題得到解決。其次，F(xiàn)PPI算法利用目標(biāo)自動生成過程，產(chǎn)生一組適當(dāng)?shù)某跏级嗽?，可以減少測試向量的數(shù)量。最后，不像PPI算法最后需要手動選擇端元，F(xiàn)PPI算法是完全自動和非監(jiān)督的，這也是它最顯著的特點(diǎn)。

2.1 虛擬維度（VD）

假設(shè)為超光譜圖像數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣；為協(xié)方差矩陣；L為光譜通道的數(shù)目。的特征值是，的特征值是。可以得出在VD之前有其中由虛警概率決定，通過給定虛警概率的值就能確定端元的數(shù)目。

2.2 自動目標(biāo)生成（ATGP）

在超光譜圖像中找到最亮的一個(gè)像素矢量。這個(gè)矢量作為初始向量，通過投影陣公式：把值賦給U，使所有圖像數(shù)據(jù)通過投影陣投影，找到正交補(bǔ)空間的最大投影。通過同樣的步驟可以獲得，直到（P為估計(jì)端元數(shù)目）。

2.3 迭代過程

（1）把ATGP生成的端元作為初始測試向量。

（2）假設(shè)，讓每一維度上的圖像數(shù)據(jù)到對應(yīng)的測試向量上投影，定義指標(biāo)集合，把滿足指標(biāo)的端元累加起來，并求出檢測功率的最大值。

（3）在第K個(gè)維度上對于所有圖像數(shù)據(jù)找到最大的P值，如果和上面的檢測功率相等，說明沒有新的端元產(chǎn)生，否則令：，回到步驟2[3]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

我們找到美國內(nèi)華達(dá)州銅礦收集的超光譜圖像數(shù)據(jù)。在這224個(gè)波段的圖像選取五個(gè)純凈的端元A、B、C、K、M，分別代表明礬石、水銨長石、方解石、高嶺石和白云母。通過給定不同的虛警概率值，計(jì)算出的VD數(shù)目為16～19個(gè)，這些大多數(shù)為五種純礦物的像素重疊。運(yùn)行的結(jié)果如下。

可以看出，兩種算法提取的端元雖然空間位置不同，但都能達(dá)到預(yù)期的效果。在運(yùn)行時(shí)間方面，本實(shí)驗(yàn)采用主頻2.6 GHz，內(nèi)存為512M的計(jì)算機(jī)。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，快速PPI算法的運(yùn)行速度比原始PPI算法快了13倍。

4 結(jié)語

本文描述了一種新的快速迭代算法FPPI。該算法解決了傳統(tǒng)的PPI算法的缺陷，是一種全自動非監(jiān)督的端元提取方法。減少了對影像區(qū)域先驗(yàn)知識和人員經(jīng)驗(yàn)的依賴，避免人工過多干預(yù)帶來的端元選擇的主觀性。與經(jīng)典的算法相比大大減少了計(jì)算量，在保持較高精度的前提下，提高了算法效率。通過對模擬和真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)證明了本文算法的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢樂祥，泮學(xué)芹，趙葦.中國高光譜成像遙感應(yīng)用研究進(jìn)展[J].國士資源遙感，2004（2）：1-6.

[2] 褚海峰，翟中敏，張良培.一種多/高光譜遙感圖像端元提取的凸錐分析算法[J].遙感學(xué)報(bào)，2007，11（4）：461-467.

[3] 吳波，張良培，李平湘.非監(jiān)督正交子空間投影高光譜混合像元自動分解[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2004，9（11）：1392-1396.