典型材料高光谱特征及识别方法研究
室内可见光-近红外光谱实验
对象为我国北方地区常用丛林迷彩,如图1所示。光谱采集可以使用光学地物光谱仪,该仪器的波段范围为300~2500nm,有1024个通道,测试环境为密闭黑暗的,
采用功率为50W标准直流锡丝石英卤素灯作为光源。为降低样本光谱各向异性的影响,测量时转动样本3次,每次转动角度约90°,
获取样本4个方向的光谱曲线,每个方向采集5次,每个样品共采集20条样本线,算术平均后得到该材料的实际光谱反射率。对于传统绿色材料而言,
因不具有类似植被含水的组织结构,其在近红外波段的光谱特征会区别于植被,不能在近红外波段与植被“同谱",水的存在与否直接影响着材料在近红外波段的光谱响应。
为更好的分析材料的光谱特征及响应机理,模拟多环境对光谱的影响,因此对材料部分样品进行浸水处理。实验设计以浸水时间5min为间隔,
测量不同浸水时间下的的光谱曲线。表层于25~35min左右出现水分饱和现象,此时水分附着在表层不再被吸收,水分含量对光谱吸收特征的影响达到极限,
所测得光谱曲线逐渐趋于一致。因此剔除了浸水时间超过30min的光谱曲线,最终选择具有显著光谱差异的浸水时间(0,5,10,20和30min)进行高光谱特征分析。
为了对丛林迷彩的有效识别波段进行验证,利用包含植被、砂砾、岩石、车辆等地物的仿真模型,以植被为背景目标,通过丛林迷彩对车辆进行,
并使用高光谱相机对前后的模拟环境进行高光谱成像实验,如图2所示。
为有效识别迷彩,进一步分析差异波段范围的识别特征,对反射光谱进行包络线去除处理,处理后的光谱曲线如图4所示。相较于植被,
(干燥)在970和1190nm处无明显吸收特征,在1440nm处具有较宽的吸收谷,两者区分度较大。在900~1300nm波段,光谱曲线急速下降,
在1300~1600nm波段,光谱曲线处于较宽的吸收谷底,波动平稳,斜率偏小;而植被的光谱曲线波动较大,在1150~1300nm和1300~1440nm波段分别存在陡升、
陡降现象,斜率较大。
室内高光谱观测实验以及高光谱成像观测实验,对地带性典型植被的反射光谱特征进行了深入分析,并提取与植被的差异性光谱特征波段,
构建光谱比值指数RCI,用于绿色环境中目标的识别,得到以下结论:
(1)不同浸水时间的丛林迷彩的光谱曲线基本形态相似,且反射率随浸水时间的增加而整体呈下降趋势;
1900nm波段是反射光谱对含水量响应最为明显的波段。
(2)丛林迷彩和植被在可见光波段的波动情况相似,相似度均高于0.95,但在近红外波段光谱特征差异明显,尤其在1300~2500nm波段,
相似度平均值只有0.7357。实验分析得出970,1190和1440nm波段附近处是典型成像识别的特征波段,在1300~1600nm波段光谱曲线波动平稳,
斜率偏小;而植被的光谱曲线波动较大,在1150~1300和1300~1440nm波段分别存在陡升、陡降现象,斜率较大。
(3)基于丛林迷彩和植被的光谱特征差异构建了RCI指数,用于基于高光谱图像的绿色环境中目标的识别。室内成像实验结果表明,
该指数识别的准确率达到95%,可以很好的将识别出来。
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