典型材料高光譜特征及識別方法研究
室內可見光-近紅外光譜實驗
對象為我國北方地區(qū)常用叢林迷彩,如圖1所示。光譜采集可以使用光學地物光譜儀,該儀器的波段范圍為300~2500nm,有1024個通道,測試環(huán)境為密閉黑暗的,
采用功率為50W標準直流錫絲石英鹵素燈作為光源。為降低樣本光譜各向異性的影響,測量時轉動樣本3次,每次轉動角度約90°,
獲取樣本4個方向的光譜曲線,每個方向采集5次,每個樣品共采集20條樣本線,算術平均后得到該材料的實際光譜反射率。對于傳統(tǒng)綠色材料而言,
因不具有類似植被含水的組織結構,其在近紅外波段的光譜特征會區(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材料在近紅外波段的光譜響應。
為更好的分析材料的光譜特征及響應機理,模擬多環(huán)境對光譜的影響,因此對材料部分樣品進行浸水處理。實驗設計以浸水時間5min為間隔,
測量不同浸水時間下的的光譜曲線。表層于25~35min左右出現(xiàn)水分飽和現(xiàn)象,此時水分附著在表層不再被吸收,水分含量對光譜吸收特征的影響達到極限,
所測得光譜曲線逐漸趨于一致。因此剔除了浸水時間超過30min的光譜曲線,最終選擇具有顯著光譜差異的浸水時間(0,5,10,20和30min)進行高光譜特征分析。
為了對叢林迷彩的有效識別波段進行驗證,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,通過叢林迷彩對車輛進行,
并使用高光譜相機對前后的模擬環(huán)境進行高光譜成像實驗,如圖2所示。
為有效識別迷彩,進一步分析差異波段范圍的識別特征,對反射光譜進行包絡線去除處理,處理后的光譜曲線如圖4所示。相較于植被,
(干燥)在970和1190nm處無明顯吸收特征,在1440nm處具有較寬的吸收谷,兩者區(qū)分度較大。在900~1300nm波段,光譜曲線急速下降,
在1300~1600nm波段,光譜曲線處于較寬的吸收谷底,波動平穩(wěn),斜率偏小;而植被的光譜曲線波動較大,在1150~1300nm和1300~1440nm波段分別存在陡升、
陡降現(xiàn)象,斜率較大。
室內高光譜觀測實驗以及高光譜成像觀測實驗,對地帶性典型植被的反射光譜特征進行了深入分析,并提取與植被的差異性光譜特征波段,
構建光譜比值指數(shù)RCI,用于綠色環(huán)境中目標的識別,得到以下結論:
(1)不同浸水時間的叢林迷彩的光譜曲線基本形態(tài)相似,且反射率隨浸水時間的增加而整體呈下降趨勢;
1900nm波段是反射光譜對含水量響應最為明顯的波段。
(2)叢林迷彩和植被在可見光波段的波動情況相似,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1300~2500nm波段,
相似度平均值只有0.7357。實驗分析得出970,1190和1440nm波段附近處是典型成像識別的特征波段,在1300~1600nm波段光譜曲線波動平穩(wěn),
斜率偏??;而植被的光譜曲線波動較大,在1150~1300和1300~1440nm波段分別存在陡升、陡降現(xiàn)象,斜率較大。
(3)基于叢林迷彩和植被的光譜特征差異構建了RCI指數(shù),用于基于高光譜圖像的綠色環(huán)境中目標的識別。室內成像實驗結果表明,
該指數(shù)識別的準確率達到95%,可以很好的將識別出來。
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