一種動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)值的交叉相關(guān)光譜匹配算法

趙 冬，吳 柯

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

一種動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)值的交叉相關(guān)光譜匹配算法

趙 冬1，吳 柯1

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

針對(duì)傳統(tǒng)算法對(duì)于光譜距離特征缺乏描述，并且無法動(dòng)態(tài)調(diào)整光譜之間的相似程度這一問題，加入2個(gè)光譜特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)因子：均方根誤差與歐氏距離，將二者的權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，得到實(shí)驗(yàn)精度在權(quán)重系數(shù)最優(yōu)情況下，比基于歐氏距離的匹配方法精度提高了20%以上，且比傳統(tǒng)交叉相關(guān)光譜匹配方法更加穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠較好地改善交叉光譜匹配算法，利用動(dòng)態(tài)的權(quán)重系數(shù)調(diào)整比傳統(tǒng)方法更合適于用于高光譜影像的光譜匹配和信息提取。

交叉相關(guān)光譜匹配；歐氏距離；動(dòng)態(tài)權(quán)重

高光譜遙感發(fā)展至今，光譜分辨率不斷提高，甚至有光譜分辨率在10-3λ范圍內(nèi)的超光譜遙感的概念[1]。波段越來越多，高光譜圖像信息也越來越大。傳統(tǒng)匹配算法具備自身特點(diǎn)，如光譜角匹配算法對(duì)光譜的亮度（距離）并不敏感但對(duì)于光譜的形狀敏感[2]，二值編碼可以對(duì)光譜庫中的目標(biāo)進(jìn)行快速查找匹配卻不能提供合理的光譜可分性[3,4]，光譜相關(guān)填圖相較光譜角匹配方法更能有效抑制陰影、照度等對(duì)識(shí)別的影響[5]，其中交叉相關(guān)光譜匹配考慮到可能存在的光譜波段波長(zhǎng)位置漂移的問題，通過光譜軸的相對(duì)平移，使像元光譜和參考光譜在不同位置進(jìn)行匹配以交叉相關(guān)曲線的偏度作為相似性度量[6]。由于交叉相關(guān)光譜匹配均方根差的計(jì)算取決于光譜形狀而不是值的大小，從而忽略了參考光譜與測(cè)試光譜之間的距離影響，使得形狀相似但是光譜距離差別明顯的兩條光譜可能會(huì)被分為同一類別。傳統(tǒng)光譜匹配算法都只基于光譜單一特性。近年來，國(guó)外一些學(xué)者認(rèn)為傳統(tǒng)的亮度（距離）和形狀是描述光譜相似性測(cè)度的重要特征[7,8]。因此，本文根據(jù)以上問題，提出綜合交叉相關(guān)系數(shù)均方根差與歐氏距離的動(dòng)態(tài)權(quán)重光譜匹配算法，動(dòng)態(tài)比較不同權(quán)重下的匹配精度，從而得到最合適于具體應(yīng)用的測(cè)度算法。

1 交叉相關(guān)光譜匹配算法

交叉相關(guān)光譜匹配（CCSM）技術(shù)考慮了地物光譜曲線之間的相關(guān)系數(shù)、偏度、峰值以及相關(guān)顯著性標(biāo)準(zhǔn)。通過計(jì)算像元光譜與參考光譜在不同位置的交叉相關(guān)系數(shù)，繪制交叉相關(guān)曲線來判斷兩光譜的相似程度[9]。交叉相關(guān)系數(shù)均方根差（RMS）的計(jì)算取決于光譜曲線的形狀而不是值的大小，其具體數(shù)值根據(jù)交叉相關(guān)曲線計(jì)算：

式（1）用于計(jì)算在匹配位置m上的交叉相關(guān)系數(shù)，m一般取值-10～10；n表示2條光譜重合的波段數(shù)；Rr表示參考光譜；Rt表示像元光譜；所求出的結(jié)果rm就是交叉相關(guān)系數(shù)，一組rm就可以組成一條交叉相關(guān)系數(shù)曲線。RMS根據(jù)交叉相關(guān)系數(shù)曲線求得。式（2）中Rm表示參考光譜自身的交叉相關(guān)系數(shù)曲線；rm表示的是參考光譜與像元光譜的交叉相關(guān)系數(shù)曲線，k=2m+1。由于大氣及傳感器差異引起的干擾不會(huì)改變曲線的整體形狀，所以RMS可以克服上述誤差而只對(duì)由于地物類型和結(jié)構(gòu)原因引起的光譜曲線形狀變化敏感[10]。

2 結(jié)合均方根差與歐氏距離動(dòng)態(tài)權(quán)重的匹配算法

Granahan和Sweet提出光譜相似性測(cè)度SSV[7]（spectral similarity value）：

式中，de2表示平均歐氏距離，引入平均是為了控制波段數(shù)對(duì)距離的影響；r ^2表示相關(guān)系數(shù)，二者結(jié)合起來判定光譜的相似性。之后Homayouni 和Roux沿用并完善Granahan等的想法，提出用光譜相似度來描述光譜形狀的相似度，用歸一化歐氏距離來描述光譜間的距離相似度，綜合這二者的特征來表征光譜相似性測(cè)度[8]。

式中，Ed是歸一化歐氏距離，Ed=（Edorig-m)/(M-m）；m表示歐氏距離的最小值；M表示歐氏距離的最大值； ρ表示相關(guān)系數(shù)。式（4）中SSV越小就代表著2條光譜的匹配程度越高。該式中涉及到的歐氏距離即歐幾里得度量，指的是在m維空間中2點(diǎn)之間的距離。在高光譜遙感影像處理中，歐氏距離描述的是兩條光譜的距離：

式中，Edorig表示圖像上一點(diǎn)像元光譜與參考光譜的距離；i表示波段；n表示總波段數(shù)；xi表示圖像像元的第i波段；ti表示參考光譜的第i波段。Edorig越小表示2條光譜的相似性越大[8]。盡管采用歐氏距離作為光譜匹配的測(cè)度是一種直觀簡(jiǎn)單的方法，但是它存在一定的局限性。由于光照或其他因素的影響，地物波形會(huì)發(fā)生上下平移，因此，本該被判定為同種地物的二者可能被判定成不同地物。這說明，光譜距離的特征描述往往還不足以較好地完成光譜匹配的工作，需要引入一個(gè)“光譜相撞”的特征描述來完成新的匹配算法。

鑒于RMS是一個(gè)用來度量光譜形狀相似性的很好的參數(shù)，且RMS越小，光譜的匹配程度越高，所以本文將RMS與歐氏距離結(jié)合起來描述光譜之間的相似性：

此外，光譜匹配過程中距離因素提供的匹配精度和形狀因素提供的匹配精度往往不相等，所以二者在SSV中的權(quán)重都等于1并不合理。在本文的研究中，二者的權(quán)值被動(dòng)態(tài)調(diào)整。從不同的權(quán)重得到的匹配精度統(tǒng)計(jì)信息中提取出一些度量匹配精度的參數(shù)。然后，根據(jù)參數(shù)的大小決定適合的權(quán)重用于后面的匹配分類等工作。

式中，a是歐氏距離的權(quán)重系數(shù)；b是RMS的權(quán)重系數(shù)。為了方便比較二者的動(dòng)態(tài)變化對(duì)整體匹配結(jié)果的影響，本文將a、b的步長(zhǎng)均設(shè)為0.1，那么，當(dāng)a等于0時(shí)，算法退化成交叉相關(guān)光譜匹配；當(dāng)b等于0時(shí)，算法退化成最小歐氏距離匹配。其中，a、b的選擇取值如表1。

表1 權(quán)重分配表

綜上所述，改進(jìn)的交叉相關(guān)光譜匹配算法可以大致分為以下幾個(gè)步驟：①選擇高光譜圖像和標(biāo)準(zhǔn)光譜庫；②根據(jù)算法流程分別選擇a、b值得到相應(yīng)的礦物提取圖和匹配精度統(tǒng)計(jì)文件；③選擇實(shí)驗(yàn)礦物提取圖和礦區(qū)礦物提取圖通過分析得到礦物匹配精度，選擇匹配精度文件通過分析得到整體的匹配精度度量參數(shù)（最大值、方差等），并分析比較總體匹配精度參數(shù)得到合適的權(quán)重。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)是ENVI軟件自帶的Cuprite礦區(qū)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是BIL數(shù)據(jù)類型，起始坐標(biāo)（215,295）、寬400、高350、波段數(shù)50，具體波長(zhǎng)信息在頭文件cup95eff.hdr中。光譜庫是從USGS光譜庫中導(dǎo)出的光譜庫，導(dǎo)出時(shí)另存的格式是.txt文本格式，圖2展示的是實(shí)驗(yàn)光譜庫中的明礬石光譜。

圖1 cup95eff.int原始圖（假彩色合成）

圖2 實(shí)驗(yàn)礦物光譜圖

影像礦區(qū)的礦物大多呈混雜狀態(tài)，但是明礬石的礦物分布區(qū)域相對(duì)集中且純度較大，容易目視解譯和提取。圖3和圖4分別是礦區(qū)真實(shí)的礦物填圖以及提取的明礬石礦物參考圖。

圖3 礦區(qū)礦物填圖（橘紅色為明礬石）

圖4 明礬石提取圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先打開實(shí)驗(yàn)程序，選擇高光譜圖像文件和光譜庫文件，設(shè)置a、b參數(shù)進(jìn)行光譜匹配。匹配結(jié)果值越小代表匹配精度越高，匹配結(jié)果值越大表示匹配精度越低。a、b參數(shù)按照表1中的分組進(jìn)行設(shè)置實(shí)驗(yàn)，如第0組歐氏距離的系數(shù)是1.0，RMS的系數(shù)是0.0，選擇匹配精度統(tǒng)計(jì)文件的路徑和提取圖的保存路徑后得到匹配結(jié)果，依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且得到明礬石匹配提取圖（見圖5）和對(duì)匹配結(jié)果的評(píng)價(jià)參數(shù)（見表2）。

表2 匹配精度統(tǒng)計(jì)文件參數(shù)分析表

圖5 明礬石礦物提取區(qū)域圖

圖5顯示的是根據(jù)表1的參數(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提取圖，黑色表示非明礬石礦物，白色表示明礬石礦物。表2顯示的是實(shí)驗(yàn)過程中分析得到的對(duì)匹配結(jié)果具有評(píng)價(jià)意義的一系列參數(shù)，包括匹配精度的最大值、最小值、平均值、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、能量和熵。

匹配結(jié)束之后將實(shí)驗(yàn)得到的提取圖與明礬石礦物參考圖進(jìn)行分析計(jì)算得到匹配精度。其中匹配精度公式為：

式中，Acc表示匹配結(jié)果精度；Tn表示背景礦物被正確提取的像元數(shù)；Tp表示明礬石礦物被正確提取的像元數(shù)；N表示影像總的像元數(shù)。根據(jù)式（8）得到的11組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匹配精度可構(gòu)成折線如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)匹配精度折線圖

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

首先，從目視角度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比圖5a與圖 4可以看出，在最小歐氏距離匹配條件下，很多不是明礬石的區(qū)域被提取成了明礬石，這說明僅僅以光譜距離作為光譜相似性度量的方法是很粗糙的，該方法不能提供很高的識(shí)別精度。對(duì)比圖5b～k可以看出，隨著歐氏距離權(quán)重的下降與RMS權(quán)重的上升，提取區(qū)域不斷變化，并且越來越接近地面提取圖。這說明加入RMS測(cè)度后，算法對(duì)地物的識(shí)別精度有所提高，但是具體的提高程度需要定量分析。

然后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。從匹配精度上來看，匹配精度越高說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果越接近真實(shí)數(shù)據(jù)。從圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與地面數(shù)據(jù)對(duì)比得到的匹配精度呈上升趨勢(shì)，隨著歐氏距離權(quán)重的降低和RMS權(quán)重的增加，匹配精度一直上升。直到RMS權(quán)重大于等于0.8以后，算法匹配精度保持平穩(wěn)。這說明，引入RMS測(cè)度對(duì)算法提取精度確實(shí)有所提高。從匹配結(jié)果的統(tǒng)計(jì)參數(shù)上來看，標(biāo)準(zhǔn)差越小表示算法越穩(wěn)定，偏度越接近0表示結(jié)果分布越趨近于正態(tài)分布，算法也就越穩(wěn)定。從表2可以看出，在RMS權(quán)重等于0.8的時(shí)候，匹配結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差接近最低水平，且偏度最接近于0。所以可以得出在歐氏距離權(quán)重等于0.2，RMS權(quán)重等于0.8的條件下，算法達(dá)到最優(yōu)。

最后，將算法進(jìn)行對(duì)比。與最小歐氏距離匹配方法相比，調(diào)整權(quán)值的光譜匹配算法在最優(yōu)狀態(tài)下，匹配精度提高了24%。與傳統(tǒng)交叉相關(guān)光譜匹配算法相比，調(diào)整權(quán)值的光譜匹配算法在最優(yōu)狀態(tài)下，算法穩(wěn)定性有顯著提高。

4 結(jié) 語

針對(duì)高光譜遙感影像傳統(tǒng)光譜匹配算法只單一基于光譜形狀或光譜距離的問題，提出了一種結(jié)合光譜形狀和距離的匹配算法——均方根差與歐氏距離動(dòng)態(tài)權(quán)重的匹配算法。并結(jié)合高光譜影像對(duì)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在不同權(quán)重系數(shù)下用該算法對(duì)礦區(qū)影像進(jìn)行匹配，對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行比較和分析，從而得到最優(yōu)權(quán)重系數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)過程和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析比較得出結(jié)論，改進(jìn)后的算法比最小歐氏距離光譜匹配算法匹配精度更高；改進(jìn)后的算法比傳統(tǒng)交叉相關(guān)光譜匹配算法更穩(wěn)定。

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P237.3

B

1672-4623（2015）04-0089-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.032

趙冬，碩士，主要研究方向?yàn)楦吖庾V影像光譜匹配。

2014-09-17。

項(xiàng)目來源：中國(guó)科學(xué)院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2012LDE015）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372152）；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助項(xiàng)目（2014CFA052）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)搖籃計(jì)劃資助項(xiàng)目（CUGL140410）；對(duì)地觀測(cè)技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（K201302）；國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（LEDM2012B05）；江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目（DLLJ201316）。