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

實現「可穿戴」監測腫瘤患者「心」問題,中山醫院牽頭又一人工智慧體落地轉化 - 天天要聞

實現「可穿戴」監測腫瘤患者「心」問題,中山醫院牽頭又一人工智慧體落地轉化

生了腫瘤死於心臟,這樣的臨床病例並不少見。近日,復旦大學附屬中山醫院、上海中醫藥大學附屬曙光醫院、復旦大學附屬腫瘤醫院聯合主辦的第四期「免疫檢查點抑製劑相關心血管不良反應臨床診療學習班」傳出消息:「腫瘤心臟病人工智慧聯合體」正式簽約轉化,未來將可實現可穿戴(如手環等),高危患者配戴後進行實時監測,第...
我國科研人員揭開鈣鈦礦光伏電池的「衰老密碼」 - 天天要聞

我國科研人員揭開鈣鈦礦光伏電池的「衰老密碼」

記者從南京航空航天大學了解到,該校郭萬林、趙曉明教授團隊近日成功揭示鈣鈦礦光伏電池的老化機制,提出一套低成本延長電池壽命的解決方案,有望加快推動下一代光伏技術產業化。相關論文5月30日由國際主流學術期刊《科學》在線發表。
將消失76%!「拿什麼拯救你,我們的冰川」 - 天天要聞

將消失76%!「拿什麼拯救你,我們的冰川」

據法新社報道,根據一項國際最新研究,如果全球變暖持續不受控制,全球四分之三以上的冰川將消失,這將加劇全球海平面上升,並危及數十億人的水資源供應。△新加坡《聯合早報》報道:5月28日,阿爾卑斯山脈位於瑞士境內的伯奇冰川發生崩塌,數以噸計的岩石
山東多地夜空現不明飛行物,目擊者稱「大的後面跟著小的」 - 天天要聞

山東多地夜空現不明飛行物,目擊者稱「大的後面跟著小的」

5月30日晚,山東濰坊、日照等地的許多網友在社交媒體發布視頻,稱夜空中有不明飛行物飛過。此外,江蘇、安徽等地的網友也發表視頻稱,看到了夜空中的不明飛行物。相關視頻顯示,畫面中的不明飛行物伴隨著不均勻燃燒,有網友猜測這是火流星。▲不明飛行物划過夜空 圖據網友發布的視頻截圖5月31日早上,網友王女士告訴極目新...
關於太空的60個事實,你知道多少? - 天天要聞

關於太空的60個事實,你知道多少?

太空是一個巨大而神秘的空間,幾個世紀以來一直吸引著人類。從閃爍的星星到神秘的黑洞,有太多值得學習和驚嘆的東西。你知道嗎,太空是完全寂靜的,因為沒有大氣層來傳遞聲音。或者金星上的一天比金星上的一年還要長?這些令人興奮的事實只觸及了太空所能提供
王淦昌:我願以身許國 - 天天要聞

王淦昌:我願以身許國

四集紀錄片《王淦昌》聚焦王淦昌先生在人生不同階段的選擇和背後的精彩故事,完整呈現了王淦昌先生卓越的科學成就和科研生涯,以及他以身許國、無私奉獻、不懈追求真理的科學家精神,觀後感慨萬千,一股崇敬之心油然而生。「我願以身許國!」一句話,六個字,
面向環境感知的機器嗅覺系統——氣體檢測電子鼻及其模式識別技術與應用 | 博士後文庫 - 天天要聞

面向環境感知的機器嗅覺系統——氣體檢測電子鼻及其模式識別技術與應用 | 博士後文庫

機器人能夠像人類一樣對世界做出反應,離不開以感測器為基礎的環境感知系統,該系統通過應用各類感測器來模擬人類感覺,如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等。人類的嗅覺系統主要由嗅覺受體、嗅球、大腦皮層等組成。嗅覺受體感受空氣中不同的氣味分子,經過初步處理後,傳到嗅球。嗅球是大腦皮質的一部分,視為嗅神經的終止核與嗅覺...
大模型棋力飛漲,還會解說圍棋,這條AGI之路可行! - 天天要聞

大模型棋力飛漲,還會解說圍棋,這條AGI之路可行!

棋類運動往往是人們了解人工智慧突破的窗口,比如近30年前的「深藍」計算機和近10年前的阿爾法狗(AlphaGO)。最近,上海人工智慧實驗室的科研團隊利用強化學習的方法,讓大模型從不會下棋到突破專業圍棋水平。據職業選手估算,目前這一名為「書生
當藝術設計遇見人工智慧 - 天天要聞

當藝術設計遇見人工智慧

作者:柳冠中(清華大學首批文科資深教授)在人類文明發展的歷史長河中,工業革命無疑是一個重要的轉折點。它不僅徹底改變了人類的生產方式,更重塑了我們的思維模式和價值觀念。今天,當我們站在人工智慧技術革命的門檻上,「人工智慧藝術設計新邏輯」叢書的