馮 潔,曹鵬飛,李宏寧,李 宏
(云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)
多光譜成像技術(shù)是基于成像學(xué)和光譜學(xué)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù),此技術(shù)和普通成像技術(shù)的最大不同之處在于多光譜成像技術(shù)能獲得每張圖像每個(gè)像素點(diǎn)的高分辨率的光譜,不是肉眼所見(jiàn)的紅、藍(lán)、綠三色圖像[1]。
隨著多光譜成像技術(shù)的發(fā)展,其在各領(lǐng)域的應(yīng)用也在逐漸增多。多光譜成像技術(shù)可應(yīng)用于軍事、植物病毒監(jiān)控、水資源跟蹤、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)[2-3]等方面。然而,多光譜成像技術(shù)的各領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中,仍然存在著很多問(wèn)題,例如光譜和圖像分辨率的不斷提高,龐大的數(shù)據(jù)量,光譜成像儀的定標(biāo)[4],無(wú)論是在存儲(chǔ)還是在計(jì)算過(guò)程都是很難克服的問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題,在采集以及整理各波段圖像所包含信息以及數(shù)據(jù)之后,需要找出最佳波段。最佳波段就是指那些信息量多、相關(guān)性小、地物光譜差異大、可分性好的波段[5]。通過(guò)最佳波段圖像信息、數(shù)據(jù)的采集及整理,提取出物體特征光譜在很大程度上可以避免上述問(wèn)題。
通常,選擇最佳波段原則有以下三點(diǎn)[6]:(1)所選擇波段信息量要大;(2)波段間的相關(guān)性要小;(3)波段組合對(duì)所研究地物類(lèi)型的光譜差異要大。常用的最佳波段選擇方法有熵和聯(lián)合熵[7]、最佳指數(shù)法[8]、波段選擇的指數(shù)方法[9]。與其它兩種方法相比,波段選擇的指數(shù)方法的意義更加明確,更能綜合地反映通道信息含量和相關(guān)性兩個(gè)因素[10]。因此,本文采用波段選擇的指數(shù)方法來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
設(shè)Ri為通道i與j之間的相關(guān)性系數(shù),成像光譜數(shù)據(jù)被分為m組,每組的波段數(shù)分別為n1、n2…nm,定義波段指數(shù)為[9]:
式中σi為第i個(gè)波段的均方差,Rw為第i個(gè)波段與所在組內(nèi)其它各波段相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值之和的平均值,Ra為第i個(gè)波段與所在組以外的其它各波段之間的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值之和。
由于各組內(nèi)各波段的相關(guān)性很強(qiáng)而各組間波段的相關(guān)性很弱,一波段的整體相關(guān)性強(qiáng)弱主要是由其與所在組內(nèi)各波段的相關(guān)性大小決定,而各組的大小不同,即構(gòu)成各個(gè)組的波段數(shù)不同。因此使用組內(nèi)一個(gè)波段與其它波段相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值之和的平均值作為波段指數(shù)分母中的一項(xiàng),能更合理地反映出該波段的整體優(yōu)劣水平。
波段指數(shù)的意義非常明確,均方差越大,表明波段的離散程度越大,所含信息量也越豐富,而如果波段的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越小,則表明通道數(shù)據(jù)的獨(dú)立性越強(qiáng),信息冗余度也越?。?1]。所以波段指數(shù)Pi能綜合反映通道信息的含量和相關(guān)性兩個(gè)因素,可作為選擇波段的重要參數(shù)之一[12]。
本實(shí)驗(yàn)所使用的儀器設(shè)備主要由液晶可調(diào)諧濾波器[13](liquid crystal tunable filter,LCTF)、單色CMOS相機(jī)和計(jì)算機(jī)控制軟件組成。其中LCTF使用美國(guó)CRI公司的VariSpecTM(VIS-07-20),帶寬(FWHM)為10nm,半角可視范圍為7.5°,響應(yīng)時(shí)間為50ms;CMOS相機(jī)的型號(hào)為SunTime 500B,像元尺寸為2.2μm×2.2μm,有效像素為2592×1944。其原理如圖1所示,通過(guò)LCTF采集的多光譜樣本數(shù)據(jù),由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,最后輸出待測(cè)樣本的特征光譜。計(jì)算機(jī)控制軟件主要用來(lái)控制液晶濾波器和單色CMOS相機(jī)。
實(shí)驗(yàn)采集的樣本由云南省農(nóng)科院提供,采集的環(huán)境為溫室大棚里面,采集的對(duì)象為T(mén)N1#水稻幼苗,實(shí)驗(yàn)所采用的波段指數(shù)法適用于所有可見(jiàn)地物,進(jìn)行多光譜成像,然后從眾多波段中選取信息量豐富或有代表性的波段。
圖1 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.1 Flow chart of data collection
首先,利用圖1所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,設(shè)置波長(zhǎng)范圍從440~720nm,波長(zhǎng)間隔為5nm對(duì)水稻幼苗進(jìn)行采樣,將所得的多光譜圖像通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件打開(kāi),可以得到一個(gè)數(shù)據(jù)立方體,總共57幅水稻的多光譜圖像,圖2是從數(shù)據(jù)立方體中分別在440~500nm,500~600nm,600~700nm,700~720nm四個(gè)區(qū)間選取的4張多光譜圖像。
圖2 4幅多光譜圖像Fig.24 multi-spectral images
圖中,水稻幼苗中放置了Macbeths 24色卡作為參考背景,在所采集的多光譜圖像中隨機(jī)選取水稻幼苗20個(gè)矩形區(qū)域,每個(gè)矩形區(qū)域大小為2mm×2mm。將每幅圖像每個(gè)矩形區(qū)域中單個(gè)像素灰度值累加后平均,得到該區(qū)域的一個(gè)平均灰度值,最后組成一個(gè)57×20的樣本灰度值數(shù)組,得到20個(gè)樣本灰度值曲線,如圖3所示,可以得出,樣本的灰度值已經(jīng)反映出水稻的光譜曲線特征,因此實(shí)驗(yàn)直接采用57×20樣本灰度值數(shù)值,代入式(2)和式(3),得到各個(gè)通道的Ri值,再代入式(1),即可得到各通道光譜數(shù)據(jù)的波段指數(shù)值。
圖3 20個(gè)樣本灰度值曲線Fig.3 Gray value curves of 20samples
表1是最終計(jì)算出Pi值后,挑選出Pi值排在前10個(gè)通道的Ri和Pi值。
表1 成像光譜數(shù)據(jù)波段指數(shù)排序Tab.1 Sorting of band index for multi-spectral imaging data
波段指數(shù)是一個(gè)評(píng)價(jià)波段的重要參數(shù),但并不是唯一的指標(biāo)。通道選擇的目的是為了有效識(shí)別物體,因此不能脫離具體的應(yīng)用目的、應(yīng)用價(jià)值去選擇波段、評(píng)價(jià)波段,應(yīng)該結(jié)合具體的事物,特別是難識(shí)別的物體光譜曲線特點(diǎn),即其吸收、反射峰的特征波長(zhǎng)去選擇波段。對(duì)水稻各通道成像光譜數(shù)據(jù)做分析對(duì)比得到:綠色植物在藍(lán)光波段(380~500nm)反射率低,在綠光波段550nm左右,形成一個(gè)反射率小峰;在紅光波段(660~780nm),起先反射率很低,在650nm附近達(dá)到一個(gè)低谷,隨后又上升。本實(shí)驗(yàn)中,由于水稻380~500nm的低反射率特點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的多光譜圖像噪聲較大,因此只有475nm作為水稻的特征通道;在綠光波段,由于反射峰的存在,水稻多光譜圖像的特征信息也較其它光譜區(qū)域豐富;在660~780nm的紅光波段,由于水分的高反射率,630nm、660nm和720nm具有較好的特征信息。綜合考慮各通道的信息特點(diǎn),通道475nm、500nm、530nm、545nm、550nm、520nm、560nm、630nm、660nm、720nm能更好地反映出水稻特征光譜信息。
本文以健康水稻幼苗的成像光譜為例,利用波段選擇的指數(shù)方法計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并探討了其光譜特征,得出通道475nm、500nm、530nm、545nm、550nm、520nm、560nm、630nm、660nm、720nm 能更好地反映水稻的特征光譜信息,是水稻的特征通道。本實(shí)驗(yàn)所提取的特征通道能為水稻病害監(jiān)測(cè)、生長(zhǎng)狀態(tài)識(shí)別等提供參考。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的一些不足之處,如數(shù)據(jù)量不足、多光譜圖像不夠清晰等。下一步工作是要增加數(shù)據(jù)采集量,提高數(shù)據(jù)立方體的樣本多樣性,通過(guò)分類(lèi)研究,進(jìn)一步對(duì)特征通道進(jìn)行驗(yàn)證。
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