精準!高光譜技術進行圖像目標檢測

2021年05月12日22:09:21 科學 1122

精準!高光譜技術進行圖像目標檢測 - 天天要聞

引言

高光譜遙感採用分光技術,將接收到的電磁波信號色散至一系列細微連續的波段上,分別捕獲記錄對應波段上的電磁波能量,形成高光譜遙感圖像。高光譜圖像在記錄圖像信息的同時,還包含了成像場景中豐富的光譜信息,實現了空間二維信息與光譜維信息的有機結合。基於高光譜圖像的目標檢測識別技術,能夠充分利用其「圖譜合一」的數據特性,在隱蔽目標探測、偽裝目標識別及目標材質屬性判別等方面具有獨特的優勢。

精準!高光譜技術進行圖像目標檢測 - 天天要聞

圖 1 高光譜成像信號傳輸過程

高光譜圖像進行目標檢測的一般過程

目標檢測實質是一個二分類問題,將待檢測圖像分解成背景和目標兩類。目標檢測的實質是對待測像元進行背景或目標的二元假設檢驗過程。基本思想是利用目標的奇異性,設計檢測統計量,突出背景與目標像元間的差異,通過閾值分割,判斷當前像元是否為異常目標[1]。

利用高光譜圖像進行目標檢測的一般步驟如圖2所示。顯然,設計檢測統計量和閾值確定是檢測演算法的兩個方面。檢測統計量一般由待檢驗光譜向量,通過統計函數,投影變化求得。統計函數的參數估計精度對檢測演算法性能有著直接影響。有監督的目標檢測演算法中,參數由樣本數據訓練求,而非監督的目標檢測演算法,在樣本數據缺失的情況下,通常以待檢測圖像全部或局部為訓練樣本。

精準!高光譜技術進行圖像目標檢測 - 天天要聞

圖 2 目標檢測的一般過程

高光譜目標檢測演算法分類

高光譜目標檢測演算法從1990發展至今已有30年歷史,從基礎目標檢測演算法使用模型來分,可分為基於概率統計模型的檢測演算法、基於子空間模型的檢測演算法、基於線性混合模型的檢測演算法、基於非線性混合模型的檢測演算法。具體分類如圖3所示。


精準!高光譜技術進行圖像目標檢測 - 天天要聞

圖 3 高光譜圖像目標檢測演算法分類

1、基於概率統計模型的檢測演算法。基於概率統計模型的異常檢測演算法,假設高光譜圖像的光譜向量,符合一定的概率統計模型。在假設的概率統計模型上,進行統計分析,檢測出圖像中的目標。似然比檢驗(Likelihood Ration, LR)和廣義似然比檢驗(Generalized Likelihood Ratio Test, GLRT)是最經典的假設檢驗的方法[2]。以GLRT為理論基礎,在光譜信號服從多元高斯分布的假設下,I.S.Reed和Xiaoli-Yu提出了經典的RX檢測演算法[3]。

2、基於子空間模型的檢測演算法。高光譜圖像波段間有相關性,說明像元的光譜向量可以在維數小于波段數的子空間中完備描述。這類演算法的基本思路是,通過構建子空間,將待測像元投影至子空間中,增大目標與背景的對比度,實現目標檢測。低概率目標檢測LPD是這類演算法的典型代表。

3、基於線性混合模型的檢測演算法。線性光譜混合模型認為,光譜向量由圖像場景中若干純物質(即端元像元)的光譜按照一定比例(即丰度),線性混合而成。端元數目估計和端元向量提取,是這類演算法的重要環節。

4、基於非線性混合模型的檢測演算法。和線性混合模型不同,在非線性混合模型中,光譜向量由端元向量非線性混合而成。典型的混合模型包括Hapke模型、Kubelk-Munk模型、SAIL模型、PROSPECT模型等[4-7]。基於核函數的檢測演算法是非線性混合模型下目標檢測演算法的研究熱點。

高光譜目標檢測應用

高光譜圖像目標檢測在許多方面都有巨大潛在應用價值。

(1)公共安全。公共場所一般人流量較大且人員複雜,難以及時有效發現和預防異常情況的發生。通過拍攝高光譜圖像並進行檢測分析可以在完全不影響公共場所秩序的前提下,發現衣物等物品表面微量沾附的炸藥、毒品等可疑物及逸漏於空氣中的有毒氣體或生物製劑等可疑氣體,為及早預防異常情況的發生提供可能。

(2)軍事偵察。軍事偵察面臨的主要難題之一就是如何揭露敵方目標的偽裝、隱藏和欺騙。高光譜圖像檢測可以通過對觀測場景中物質光譜特性的定量分析,實現對真假目標之間、目標和偽裝物之間、覆蓋物與周圍正常環境之間的光譜特徵微弱變化的檢測,為揭露偽裝、隱藏和欺騙提供可能。

(3)污染監測。對污染物及時有效的發現是進行污染控制的關鍵。通過航拍等手段採集高光譜圖像並進行檢測,可以在大範圍內快速和準確地發現有害廢水、廢氣排放及海洋原油泄漏等情況的發生地並判斷污染物種類。

(4)食品衛生。食品生產經常是成批大量的,利用高光譜圖像進行檢測可以在不接觸和改變其形態的情況下成批快速地提取食品的農藥殘留、糞便殘留、有害毒素、碰傷及腐敗等相關信息,以有利於進一步的食品衛生控制和等級確認。

(5)星際探索。通過航天探測器上攜帶的成像光譜儀可以獲取外太空星球的高光譜圖像,通過對這些數據的檢測處理及相應的地理化學和地理生物學的分析,可以探索地球以外的其它星球是否存在生命的跡象及有關地質演化歷史等。其它還可應用的方面包括礦物勘探、土壤分析、精準農業、生態保護、醫學診斷及人體生物特徵驗證等。

另外,各種物質在不同的光譜位置和範圍會表現出不同的波譜特性,故可以按光譜位置和範圍的不同對高光譜圖像目標檢測的具體應用對象進行劃分。

中科譜光

中科譜光以促進光譜技術在民生服務、檢測產業發展中的應用為目標,為用戶提供包括光譜數據採集、數據分析處理及行業應用在內的全產業鏈服務。目前已實現水質光譜在線監測、智能潤滑油光譜實時檢測、煤炭熱值快速檢測、文物超光譜掃描成像系統、物證掃描成像分析系統等多方面的應用示範,並可根據用戶需求開展定製化的檢測分析服務,探索更多領域的光譜應用。

精準!高光譜技術進行圖像目標檢測 - 天天要聞


文章參考內容來源於網路及發表文獻及圖書,部分參考文獻陳列於文章末尾,其餘內容如有侵權,請及時聯繫我們予以刪除。

參考文獻

[1] 孫康, 耿修瑞, 唐海蓉,等. 一種基於非線性主成分分析的高光譜圖像目標檢測方法[J]. 測繪通報, 2015(001):105-108.

[2] A.Schaum. Hyperspectal Anomaly Detection Beyond RX. Proc. of SPIE.vol.6565, no.3, pp.1036-1042, Nov 2012.

[3] I.S.Reed and X.Yu. Adaptive multiple-band CFAR detection of an optical pattern with unknown spectral distribution[J]. IEEE Trans.Acoustics, Speech, Signal Processing, 1990, 38(10):1760-1770.

[4] Bore C C, Gerstl S A. Nonlinear spectral miximg models for vegetative and soils surface[J]. Remote Sensing of the Environment, vol.47, no.2, pp.403-416, Nov 1994.

[5] Gao B C,Goetzt A F. Retrieval of equivalent water thickness and information related to biochemical components of vegetation canopies form AVIRIS data[J]. Remote Sensing of the Environment, vol.52, no.2, pp.155-162, Mach 1995.

[6] Hapke B. Bidirectional reflectance spectroscopy theory[J]. Journal of Geophysical Research, vol.86, no.11, pp.3557-3561, 1981.

[7] Jacquemoud S, Baret F.PROSPECT:a model of leaf ooptical properties spectra[J]. Remote Sensing of the Environment, vol.34, no.2, pp.75-91, Mach 1990.



精準!高光譜技術進行圖像目標檢測 - 天天要聞

每周三晚6:00,期待與您進行思想的碰撞。

科學分類資訊推薦

從治療神經疾病到增強人類智能 馬斯克腦機介面科幻式藍圖,現實嗎? - 天天要聞

從治療神經疾病到增強人類智能 馬斯克腦機介面科幻式藍圖,現實嗎?

Neuralink腦機介面的目標是實現全腦介面,打造生物大腦與外部機器之間的「高帶寬連接」,甚至讓人類與AI集成。圖片來源:美國紐約城市大學官網埃隆·馬斯克的Neuralink公司在最新一次發布會上展示了其腦機介面(BCI)研究成果和發展願景。此次令人矚目的不僅是他們的現階段成就,還包括其未來3年的科幻式藍圖。人們驚呼BCI...
超千歲荔枝樹再結碩果!迄今有1024歲,是廣州目前樹齡最老的荔枝樹 - 天天要聞

超千歲荔枝樹再結碩果!迄今有1024歲,是廣州目前樹齡最老的荔枝樹

文/圖 羊城晚報記者 盧佳圳 通訊員 馮冬枚在廣州黃埔玉岩書院,有一棵千年古荔,是廣州目前有記載的樹齡最老的荔枝樹,為一級古樹,據估測迄今有1024歲。7月2日,羊城晚報記者走訪時驚奇發現,雖已經歷千年滄桑,這棵荔枝樹依舊枝繁葉茂,時隔4年再度結滿碩果。據史料記載,這是一棵「宋荔」,從北宋即已存在。明代時,荔樹...
天賜材料起訴永太科技 液體鋰鹽「商業秘密連環案」揭秘 - 天天要聞

天賜材料起訴永太科技 液體鋰鹽「商業秘密連環案」揭秘

財聯社7月2日訊(記者 曾楚楚 王平安)【引子】今日盤後,天賜材料(002709.SZ)公告,就「商業秘密侵權案件」民事起訴永太科技(002326.SZ)等。這是自今年2月初,天賜材料首次公告披露,對浙江研一、永太科技「將另案處理」後,天賜方面就液體鋰鹽「商業秘密」系列案件的再次公開曝光。在兩家百億級上市公司,以及作為鋰業「...
晶圓鍵合工藝及鍵合設備市場情況 - 天天要聞

晶圓鍵合工藝及鍵合設備市場情況

一、晶圓鍵合發展背景在摩爾定律的引導下,集成電路行業一直高速發展,晶體管特徵尺寸己經從90nm向7nm邁進。然而,由於隨著晶體管特徵尺寸已日益接近物理極限,量子效應和短溝道效應越來越嚴重,內部電子自發地通過源極和漏極,導致漏電流增加,進而限
「地下動脈」托舉繁華真如,副中心「最後一塊拼圖」亮相 - 天天要聞

「地下動脈」托舉繁華真如,副中心「最後一塊拼圖」亮相

在近日舉行的上海真如城市副中心重點板塊宣介會上,「真如翠谷」與「真如之心」兩大優質地塊首次亮相。「真如之心」地塊即銅川路水產市場原址,被譽為真如副中心「最後一塊拼圖」,目前已完成城市設計國際方案徵集。隨著這一核心地塊即將入市,真如副中心H型地下公共車行通道(以下簡稱「H型地下通道」)的全面貫通也將提上...
多面性的雙氧水 - 天天要聞

多面性的雙氧水

‌‎‎‌‎‎‌‎雙氧水,學名過氧化氫(H₂O₂),是一種常見且獨特的化學物質。它在日常生活、工業生產以及科學研究等多個領域都有著廣泛的應用。然而,正如許多化學物質一樣,雙氧水具有著複雜的性質和多面的特性,這些特性既可能帶來巨大的益處,也可能
邁威生物躍過「J曲線」轉折點 - 天天要聞

邁威生物躍過「J曲線」轉折點

邁威生物為爆發中的創新葯BD浪潮,又添了一把火。日前,其宣布兩項BD合作,與齊魯製藥就長效G-CSF產品8MW0511達成的合作(3.8億元首付款+1.2億元里程碑款),是本土商業化的經典雙贏;而與谷歌系抗衰老巨頭Calico圍繞IL-11單抗9MW3811的聯手(2500萬美元首付款+5.71億美元里程碑款),則彰顯全球視野下的價值挖掘能力。兩項...
中國石油長慶油田採油十廠決戰百日推動競賽任務落地見效 - 天天要聞

中國石油長慶油田採油十廠決戰百日推動競賽任務落地見效

「功崇惟志,業廣惟勤。」2025年上半年,中國石油長慶油田採油十廠緊扣全年任務目標,以「大幹100天 決勝上半年」勞動競賽為載體,全面掀起奪油上產熱潮。廣大幹部員工迎難而上、奮勇拼搏,用汗水書寫擔當,用實績回應挑戰,生產效率大幅提升,安全環保平穩受控,經營業績穩健向好,為完成全年任務目標奠定堅實基礎。中國石...