典型偽裝材料高光譜特征及識(shí)別方法研究

胡怡斌，包妮沙, 2*，劉善軍, 2，毛亞純, 2，宋 亮

1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819 2.高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)遼寧先進(jìn)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用中心，遼寧 沈陽 110819 3.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

引 言

隨著材料技術(shù)的高速發(fā)展，目標(biāo)偽裝手段和策略也不斷的提高，尤其是先進(jìn)涂層和偽裝網(wǎng)的使用，在某些背景環(huán)境下能達(dá)到目標(biāo)和背景“異物同譜”的效果，增加了偽裝識(shí)別的難度[1]。基于傳統(tǒng)的可見光或多光譜遙感技術(shù)，由于其單個(gè)波段覆蓋光譜范圍廣，很難識(shí)別出偽裝目標(biāo)，給偽裝識(shí)別帶來了很大的挑戰(zhàn)。

高光譜遙感是近些年來發(fā)展迅速的一種多維信息獲取技術(shù)。它能夠同時(shí)獲取目標(biāo)區(qū)域的2維幾何空間信息和1維光譜信息，具有光譜范圍寬、波段多、光譜分辨率高(納米級(jí))等特點(diǎn)，為了解地物提供了極其豐富的信息[2]，也為地物無損快速的理化性質(zhì)檢測(cè)提供了手段[3-4]。目標(biāo)與背景之間存在的差異是目標(biāo)暴露的根本原因[5-6]，地物的光譜信息對(duì)目標(biāo)識(shí)別具有指紋效應(yīng)，通過分析地物的光譜特征并據(jù)此提取的特征指數(shù)，與物質(zhì)的特性相關(guān)，可為精細(xì)識(shí)別地物提供依據(jù)[7-8]，尤其在地表資源環(huán)境探測(cè)中，高光譜技術(shù)有效的提高了地物識(shí)別和分類的精度。Mao等[9]針對(duì)煙煤和褐煤在多光譜影像上無法區(qū)分和識(shí)別精度低的問題，通過分析其光譜特征，建立差異指數(shù)，用于識(shí)別煤的類型，提高了分類精度；宋亮等[10]分析燃燒和未燃燒矸石的可見光-近紅外光譜特征，通過兩者在350～760 nm處反射率斜率的差異，構(gòu)建歸一化差異矸石指數(shù)NDGI，有效區(qū)分燃燒和未燃燒矸石，分類精度可達(dá)99.1%。

目前，有許多學(xué)者探究高光譜技術(shù)在偽裝材料特性分析及識(shí)別中的應(yīng)用。劉凱龍等[11]以瑞典、瑞士的森林偽裝網(wǎng)和偽裝服及不同種類、季節(jié)和環(huán)境的綠色植被光譜特性為基本識(shí)別特征，提出數(shù)學(xué)分析模型及統(tǒng)計(jì)計(jì)算和判別效果檢驗(yàn)相結(jié)合的光譜特征檢測(cè)新方法，偽裝目標(biāo)識(shí)別正確率達(dá)到了99%以上，該研究主要在實(shí)驗(yàn)室的可控環(huán)境下，通過實(shí)驗(yàn)求得判別函數(shù)及相關(guān)系數(shù)，在室內(nèi)應(yīng)用時(shí)，都能得到較為滿意的結(jié)果，但其不能完全適用于不同環(huán)境下采樣的數(shù)據(jù)。劉志明等[12]對(duì)比綠色偽裝涂料和植被的可見光-近紅外反射光譜及一階微分譜的差異，提出了550和780～1 300 nm波段反射率波動(dòng)性是星載和機(jī)載高光譜遙感偽裝探測(cè)中的有效特征，為綠色偽裝材料識(shí)別提供了一定理論方法；盧云龍等[13]分析比較偽裝材料光譜曲線，利用高光譜圖像實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了基于光譜微分、光譜積分、光譜指數(shù)和特征波段的偽裝目標(biāo)檢測(cè)算法，具有很好的檢測(cè)效果；付嚴(yán)宇等[14]通過高光譜實(shí)驗(yàn)及分析得到了可見光圖像難以區(qū)分的三組偽裝材料(真假草坪、綠色木質(zhì)和鋼制材料、叢林迷彩服和叢林雨衣)的光譜特征差異，對(duì)偽裝識(shí)別的波段選取提供了依據(jù)。雖然許多學(xué)者針對(duì)高光譜技術(shù)在偽裝目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究，但目前基于光譜特征指數(shù)識(shí)別偽裝目標(biāo)的研究還較少，已有的特征指數(shù)和識(shí)別方法不適用于北方環(huán)境中的叢林迷彩偽裝網(wǎng)的識(shí)別，無法有效區(qū)分偽裝目標(biāo)與背景目標(biāo)。

針對(duì)北方地區(qū)大型目標(biāo)的偽裝識(shí)別問題，以北方典型叢林迷彩偽裝網(wǎng)為研究對(duì)象，利用SVC可見光-近紅外光譜儀測(cè)量其在350～2 500 nm的光譜曲線，實(shí)驗(yàn)分析不同濕度條件下偽裝網(wǎng)的光譜變化規(guī)律和特征，進(jìn)一步揭示偽裝網(wǎng)與地帶性典型植被之間的光譜差異和可探測(cè)波段，提出基于特征光譜的偽裝迷彩識(shí)別策略，并通過仿真?zhèn)窝b環(huán)境下的高光譜圖像，對(duì)識(shí)別方法進(jìn)行驗(yàn)證。本研究成果對(duì)北方環(huán)境中叢林迷彩偽裝網(wǎng)的識(shí)別具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，同時(shí)為基于高光譜圖像快速、準(zhǔn)確識(shí)別偽裝以及偽裝材料的改進(jìn)提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 室內(nèi)可見光-近紅外光譜實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為我國北方地區(qū)常用叢林迷彩偽裝網(wǎng)，如圖1所示。偽裝網(wǎng)光譜采集使用美國Spectra Vista公司的SVC HR-1024地物光譜儀，該儀器的波段范圍為350～2 500 nm，有1 024個(gè)通道，測(cè)試環(huán)境為密閉黑暗的，采用功率為50 W標(biāo)準(zhǔn)直流錫絲石英鹵素?zé)糇鳛楣庠?。為降低樣本光譜各向異性的影響，測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)樣本3次，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度約90°，獲取樣本4個(gè)方向的光譜曲線，每個(gè)方向采集5次，每個(gè)樣品共采集20條樣本線，算術(shù)平均后得到該偽裝材料的實(shí)際光譜反射率。

圖1 叢林迷彩偽裝網(wǎng)

對(duì)于傳統(tǒng)綠色偽裝材料而言，因不具有類似植被含水的組織結(jié)構(gòu)，其在近紅外波段的光譜特征會(huì)區(qū)別于植被，不能在近紅外波段與植被“同譜”，水的存在與否直接影響著偽裝材料在近紅外波段的光譜響應(yīng)[15]。為更好的分析偽裝材料的光譜特征及響應(yīng)機(jī)理，模擬多環(huán)境對(duì)光譜的影響，因此對(duì)偽裝材料部分樣品進(jìn)行浸水處理。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以浸水時(shí)間5 min為間隔，測(cè)量不同浸水時(shí)間下的偽裝網(wǎng)的光譜曲線。偽裝網(wǎng)表層于25～35 min左右出現(xiàn)水分飽和現(xiàn)象，此時(shí)水分附著在偽裝網(wǎng)表層不再被吸收，水分含量對(duì)光譜吸收特征的影響達(dá)到極限，所測(cè)得偽裝網(wǎng)光譜曲線逐漸趨于一致。因此剔除了浸水時(shí)間超過30 min的光譜曲線，最終選擇具有顯著光譜差異的浸水時(shí)間(0, 5, 10, 20和30 min)進(jìn)行偽裝網(wǎng)高光譜特征分析。

1.2 成像光譜偽裝模擬

為了對(duì)叢林迷彩偽裝網(wǎng)的有效識(shí)別波段進(jìn)行驗(yàn)證，利用包含植被、砂礫、巖石、車輛等地物的仿真模型，以植被為背景目標(biāo)，通過叢林迷彩偽裝網(wǎng)對(duì)車輛進(jìn)行偽裝，并使用Image-λ“譜像”系列高光譜相機(jī)對(duì)偽裝前后的模擬環(huán)境進(jìn)行高光譜成像實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 成像光譜實(shí)驗(yàn)和模擬偽裝環(huán)境

1.3 光譜預(yù)處理方法

1.3.1 光譜相似性測(cè)度

光譜角余弦(spectral angel cosine，SAC)將光譜數(shù)據(jù)看作一個(gè)n維的特征向量，通過計(jì)算參考光譜和目標(biāo)光譜之間的“角度余弦”來確定兩者之間的相似性，它能夠同時(shí)反映光譜向量在數(shù)值和形狀之間的差異。光譜角為兩個(gè)光譜向量的夾角，夾角越小，SAC就越接近于1，兩個(gè)光譜向量相似度越高。光譜角余弦的計(jì)算方法如式(1)所示

(1)

式(1)中：cos(x,y)為光譜角余弦值，x和y分別為參考光譜向量和目標(biāo)光譜向量。

1.3.2 連續(xù)統(tǒng)去除法

連續(xù)統(tǒng)去除法(continuum removal)是將光譜曲線吸收強(qiáng)烈部分的波段特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使光譜吸收特征歸一化到共同基線基礎(chǔ)上，即將反射率歸一化為0～1.0，從而有利于進(jìn)行光譜吸收特征的分析，并與其他光譜曲線進(jìn)行特征比較，提取特征波段。計(jì)算方法如式(2)

(2)

式(2)中：λj是第j波段；RCj為波段j的包絡(luò)線去除值，Rj是波段j的原始光譜反射率。Rend和Rstart是在吸收曲線的起始點(diǎn)和末端點(diǎn)的原始光譜反射率。λend和λstart是吸收曲線的起始點(diǎn)波長(zhǎng)和末端點(diǎn)波長(zhǎng)；K是吸收曲線起始點(diǎn)波段和末端點(diǎn)波段之間的斜率。

1.4 特征提取

光譜指數(shù)法是將特定波段或特定波段處的反射率值等進(jìn)行某種形式的組合。選取波段時(shí)應(yīng)根據(jù)一定的分析基礎(chǔ)作為參考，以包含地物波譜特性機(jī)理，可分性度量大為原則。如常見的歸一化植被指數(shù)NDVI、比值植被指數(shù)RVI和差值植被指數(shù)DVI均能夠與植被建立相關(guān)性，是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子[16]?？紤]到偽裝網(wǎng)一般存在于植被覆蓋度較高的區(qū)域，在此環(huán)境下比值指數(shù)具有更好的敏感性，因此選擇比值光譜指數(shù)RI(ratio spectral index)建立識(shí)別模型。如式(3)所示，其中R1，R2為波段1和波段2的反射率值。

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 偽裝材料及目標(biāo)背景光譜特征

根據(jù)研究背景環(huán)境植被的類型，從ENVI標(biāo)準(zhǔn)波譜庫中選取了針葉樹(Conifer)、落葉樹(Decidous)和草本(Grass)這三種植被類型的光譜曲線，以及北方地區(qū)針闊葉混交林中典型植被山楊(Aspen_Leaf-A DW92-2)、松樹(Pinon_Pine ANP92-14A needle)、冷杉(Fir_Tree IH91-2)的光譜曲線。圖3(a)是浸水前后迷彩偽裝網(wǎng)和6種植被的反射光譜對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)不同浸水時(shí)間偽裝網(wǎng)的光譜曲線的基本形態(tài)相似，可見光部分反射率較低，在400～480和660 nm處的藍(lán)、紅光呈低谷，在530 nm處有一個(gè)反射峰，在680～760 nm波段反射率急劇增大，幾乎增加到最大值，隨后在760～1 000 nm基本保持不變。進(jìn)入近紅外波段后，反射率開始下降，在1 200～1 750和1 850～2 100 nm附近處有不同程度的吸收谷特征，主要為水分子吸收帶。浸水前后偽裝網(wǎng)的返射光譜僅在1 900 nm附近存在差異性：當(dāng)浸水時(shí)間較短時(shí)，偽裝網(wǎng)反射光譜即呈現(xiàn)出明顯的吸收特征；隨著浸水時(shí)間的增加，反射率緩慢降低，光譜曲線整體呈下降趨勢(shì)。

圖3 干燥/浸水狀態(tài)迷彩偽裝網(wǎng)與6種植被的平均光譜曲線(a)和1 800～2 250 nm處干燥/浸水狀態(tài)迷彩偽裝網(wǎng)與6種植被的光譜曲線(b)

對(duì)比偽裝網(wǎng)和各植被的光譜曲線，在可見光波段干燥和浸水狀態(tài)下的偽裝網(wǎng)都與植被光譜具有較好的相似性；在900～1 600 nm處，偽裝網(wǎng)的吸收特征與典型綠色植被的吸收特征之間存在明顯差異；對(duì)比不同狀態(tài)下偽裝網(wǎng)和各植被在1 800～2 250 nm處的反射光譜，如圖3(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)偽裝網(wǎng)在該波段的吸收特征受水分影響較大，分別計(jì)算干濕狀態(tài)下偽裝網(wǎng)和各植被的光譜角余弦值，干燥狀態(tài)下的偽裝網(wǎng)和各植被的相似度均值為0.895，而浸水狀態(tài)下的偽裝網(wǎng)與各植被的相似度均值上升到了0.939，表明偽裝網(wǎng)在該波段處的吸收特征會(huì)隨著浸水處理而相似于植被的光譜吸收特征。值得注意的是，在植被光譜中，1 400 nm波段附近是典型的水分子中O—H振動(dòng)所導(dǎo)致的吸收特征波段。但在本工作中，由于偽裝網(wǎng)材料本身特性與植被存在差異，干燥狀態(tài)下的偽裝網(wǎng)在1 250～1 650 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了較寬的反射率低谷，隨著浸水時(shí)長(zhǎng)的改變，沒有因水分含量變化產(chǎn)生明顯的吸收特征。該特征在其他偽裝材料的相關(guān)研究中也有所體現(xiàn)[12]。

“綠色反射峰”、“紅邊”、“近紅外高原”和“水分吸收帶”是綠色植被反射光譜的共同特征，為探測(cè)綠色植被環(huán)境中的光譜異常提供了基本的光譜參量[12]。針對(duì)上述4個(gè)特征參量波段，分別計(jì)算迷彩偽裝網(wǎng)(干燥)和各植被的光譜角余弦，如表1所示。可以發(fā)現(xiàn)，在550 nm波段的“綠色反射峰”和680～780 nm波段的“紅邊”處，迷彩偽裝網(wǎng)(干燥)和植被的反射光譜具有較好的匹配性，計(jì)算相似度平均值分別為0.990 5和0.962 8。在1 300～2 500 nm波段的“水分吸收帶”處，迷彩偽裝網(wǎng)(干燥)和植被的光譜匹配較差，計(jì)算相似度平均值僅有0.735 7，差異性較為明顯。然而在780～1 300 nm波段的“近紅外高原”處，迷彩偽裝網(wǎng)(干燥)和植被的反射光譜相似度均在0.98以上。這是因?yàn)楣庾V角余弦是基于光譜曲線之間的幾何測(cè)度，更多的是從方向上區(qū)分差異，而對(duì)絕對(duì)的數(shù)值不敏感，雖然在這個(gè)波段范圍兩者相似度較高，但是仍存在差異性。

表1 典型特征參量波段處植被與偽裝網(wǎng)(干燥)的光譜角余弦值

為有效識(shí)別迷彩偽裝網(wǎng)，進(jìn)一步分析差異波段范圍的識(shí)別特征，對(duì)反射光譜進(jìn)行包絡(luò)線去除處理，處理后的光譜曲線如圖4所示。相較于植被，偽裝網(wǎng)(干燥)在970和1 190 nm處無明顯吸收特征，在1 440 nm處具有較寬的吸收谷，兩者區(qū)分度較大。在900～1 300 nm波段，偽裝網(wǎng)光譜曲線急速下降，在1 300～1 600 nm波段，偽裝網(wǎng)的光譜曲線處于較寬的吸收谷底，波動(dòng)平穩(wěn)，斜率偏??；而植被的光譜曲線波動(dòng)較大，在1 150～1 300 nm和1 300～1 440 nm波段分別存在陡升、陡降現(xiàn)象，斜率較大。

圖4 迷彩偽裝網(wǎng)和各植被的包絡(luò)線去除結(jié)果

通過以上分析可知，迷彩偽裝網(wǎng)(干燥)和植被在可見光波段反射光譜相似，二者不易區(qū)分；在近紅外波段，970，1 190和1 440 nm附近處，迷彩偽裝網(wǎng)(干燥)和植被反射光譜差異明顯，可用于綠色植被環(huán)境中迷彩偽裝網(wǎng)的識(shí)別。

2.2 偽裝材料光譜特征指數(shù)及識(shí)別策略

通過對(duì)迷彩偽裝網(wǎng)和綠色植被的波譜特征分析，迷彩偽裝網(wǎng)和各植被的光譜在900～1 900 nm波段范圍內(nèi)存在幾處反射率斜率的明顯差異。據(jù)此為了有效識(shí)別迷彩偽裝網(wǎng)，選取吸收特征差異較為明顯的1 150～1 440 nm波段，嘗試建立比值偽裝指數(shù)(ratio camouflage index，RCI)

(4)

式(4)中：R1 190，R1 270和R1 440分別是1 190，1 270和1 440 nm波段處的反射率。其中，1 190和1 270 nm波段的選取分別對(duì)應(yīng)1 150～1 300 nm范圍內(nèi)與偽裝網(wǎng)有差異的植被吸收谷的波谷及右肩波峰處的特征波段；1 270和1 440 nm波段的選取分別對(duì)應(yīng)1 300～1 440 nm范圍內(nèi)與偽裝網(wǎng)有差異的植被吸收谷的左肩波峰及波谷處的特征波段。

分別計(jì)算迷彩偽裝網(wǎng)和各植被的RCI值，如表2所示。在1 150～1 300 nm波段偽裝網(wǎng)的反射率斜率均大于1.4，在1 300～1 440 nm波段偽裝網(wǎng)的反射率斜率均小于1.4，且都與植被有所區(qū)別，如果能同時(shí)滿足這兩個(gè)條件可把偽裝網(wǎng)從綠色環(huán)境中識(shí)別出來，故此設(shè)置識(shí)別閾值條件為：RCI1>1.4；RCI2<1.4。

表2 迷彩偽裝網(wǎng)和各植被的RCI值

為了進(jìn)一步驗(yàn)證指數(shù)的實(shí)用性，將其應(yīng)用到高光譜圖像，對(duì)圖像內(nèi)的迷彩偽裝網(wǎng)進(jìn)行識(shí)別劃分，結(jié)果如圖5所示。在識(shí)別提取結(jié)果中白色代表迷彩偽裝網(wǎng)，黑色部分代表其他背景地物。從結(jié)果可以看出，所提取的偽裝網(wǎng)在形態(tài)和大小上基本與原始影像一致，利用交并比計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的識(shí)別檢測(cè)精度，可達(dá)到0.95，說明識(shí)別效果較為良好，分類準(zhǔn)確率較高。

圖5 基于RCI指數(shù)構(gòu)建識(shí)別策略及識(shí)別檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié) 論

針對(duì)北方地區(qū)典型叢林迷彩偽裝網(wǎng)，設(shè)計(jì)了室內(nèi)高光譜觀測(cè)實(shí)驗(yàn)以及高光譜成像觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)偽裝網(wǎng)和北方地區(qū)地帶性典型植被的反射光譜特征進(jìn)行了深入分析，并提取偽裝網(wǎng)與植被的差異性光譜特征波段，構(gòu)建光譜比值指數(shù)RCI，用于綠色環(huán)境中偽裝目標(biāo)的識(shí)別，得到以下結(jié)論：

(1)不同浸水時(shí)間的叢林迷彩偽裝網(wǎng)的光譜曲線基本形態(tài)相似，且反射率隨浸水時(shí)間的增加而整體呈下降趨勢(shì)；1 900 nm波段是偽裝網(wǎng)反射光譜對(duì)含水量響應(yīng)最為明顯的波段。

(2)叢林迷彩偽裝網(wǎng)和植被在可見光波段的波動(dòng)情況相似，相似度均高于0.95，但在近紅外波段光譜特征差異明顯，尤其在1 300～2 500 nm波段，相似度平均值只有0.735 7。實(shí)驗(yàn)分析得出970，1 190和1 440 nm波段附近處是典型偽裝網(wǎng)成像識(shí)別的特征波段，偽裝網(wǎng)在1 300～1 600 nm波段光譜曲線波動(dòng)平穩(wěn)，斜率偏?。欢脖坏墓庾V曲線波動(dòng)較大，在1 150～1 300和1 300～1 440 nm波段分別存在陡升、陡降現(xiàn)象，斜率較大。

(3)基于叢林迷彩偽裝網(wǎng)和植被的光譜特征差異構(gòu)建了RCI指數(shù)，用于基于高光譜圖像的綠色環(huán)境中偽裝目標(biāo)的識(shí)別。室內(nèi)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該指數(shù)識(shí)別偽裝目標(biāo)的準(zhǔn)確率達(dá)到95%，可以很好的將偽裝網(wǎng)識(shí)別出來。