專利名稱：一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，屬于高光譜數(shù)據(jù)應用與數(shù)據(jù)質量提高技術領域，適用于高光譜成像光譜儀指標優(yōu)化設計與數(shù)據(jù)應用能力預測、評價等技術研究。
背景技術：
隨著遙感成像技術的不斷發(fā)展，星載遙感器系統(tǒng)變得越來越復雜，正向著具有更高空間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率的方向發(fā)展，特別是高光譜遙感技術的出現(xiàn)，其數(shù)據(jù)質量和產(chǎn)品真實性受載荷技術指標、平臺參數(shù)、輻射傳輸過程以及各種檢測/分類算法等多種因素的影響。而目前的成像系統(tǒng)設計都在綜合考慮在成本、研制周期以及風險的限制下獲得最優(yōu)的數(shù)據(jù)質量。因此，星載高光譜遙感器的設計、評價和遙感任務預測面臨一系列的挑戰(zhàn)。我國已經(jīng)星載高光譜成像儀已經(jīng)立項，高光譜遙感圖像作為一種產(chǎn)品，對其質量的評價，必將隨著高光譜遙感圖像應用的進一步深入而引起越來越多的關注；此外，我國發(fā)射的衛(wèi)星載荷普遍存在上星后載荷性能退化嚴重等問題，影響了載荷數(shù)據(jù)的有效應用。如何在上星前將載荷設計與應用潛力預測、評價相結合，以獲得高質量的滿足應用部門需求的遙感數(shù)據(jù)是目前高光譜遙感應用亟待解決的關鍵技術問題之一。數(shù)據(jù)質量分析與評價的方法從廣義上可以分為主觀和客觀兩大類。主觀評價方法中常用且比較廣泛應用的為美國國家圖像解譯標準分析判據(jù)NIIRS(Nati0nal Image Interpretability Rating Scales)，用于進行遙感器圖像質量與應用能力的評價，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一系列的分析判據(jù)，包括了雷達圖像、紅外圖像、多光譜圖像以及可見光圖像等；NIIRS方法并不能從物理意義以及工程參數(shù)等方面對圖像質量與應用能力進行預測， 并且主觀評價方法在使用過程中存在的主要問題是受圖像分析人員主觀、圖像類型等影響較大，所以一般情況下該類主觀評價方法只作為客觀評價方法的參照與補充。典型的客觀的評價方法主要有兩大類，一類是從圖像本身通過統(tǒng)計分析、人眼視覺特性、影響圖像質量主要性能指標(如MTF等)等進行圖像質量的評價，但是該類方法存在著一定的局限性 ①考慮了單個或幾個圖像質量影響參數(shù)，未考慮它們之間的相關性或綜合考慮多個影響因素，不能夠全面的評價圖像質量；②未與載荷原理與特點相結合，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)應用能力的預測。為了解決上述問題，Leachtenauer等人提出了第二類圖像質量評價方法基于通用圖像質量方程GIQE (General Image Quality Equation)的圖像質量評價方法，GIQE是 NIIRS與傳感器設計參數(shù)結合的圖像質量分析與評價工具，從本質上考慮了影響圖像質量的空間分辨率、噪聲等因素，能夠實現(xiàn)在給定成像系統(tǒng)參數(shù)的情況下實現(xiàn)預測、評價圖像質量的功能。羅徹斯特大學Kerekes等人為了有效的進行圖像質量的評價與應用潛力的預測，開展了大量的研究工作，首先從場景、傳感器、處理過程等三方面考慮了高光譜成像系統(tǒng)性能的影響參數(shù)，然后在后續(xù)的研究過程中建立了基于數(shù)字成像與遙感圖像生成軟件的高光譜遙感成像模型，并應用于航空高光譜成像儀HYDICE的性能分析與應用能力評價；為了評價高光譜成像系統(tǒng)的光譜性能，提出了結合NIIRS&GIQE的光譜質量評價標準SQRS，該標準考慮了影響光譜質量的空間分辨率和SNR。 目前，我國成像質量的分析與評價主要依賴觀察者的主觀判斷以及統(tǒng)計指標(如直方圖、信息熵等)，尚未建立起面向應用和結合載荷特點的圖像質量評價標準與體系，并且各影響圖像質量參數(shù)間綜合考慮較少，特別是對于高光譜遙感器該項工作尚未開展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，以基于成像物理過程、綜合考慮載荷指標之間約束關系。本發(fā)明的技術解決方案為一種多參數(shù)優(yōu)化的高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法。該方法在分析高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力主要影響因素參數(shù)的基礎上，利用空間分辨率、光譜分辨率、信噪比三者之間內(nèi)在的聯(lián)系，建立約束關系；然后利用基于輻射傳輸、成像過程的仿真模型，生成在上述約束關系基礎上的不同空間分辨率、光譜分辨率、信噪比的高光譜數(shù)據(jù)，利用基于高階統(tǒng)計的改進獨立成分分析方法和基于光譜匹配的光譜相關制圖方法進行應用分析；最后，根據(jù)具體應用需求和應用目的，確定礦產(chǎn)資源調(diào)查與目標檢測的評價指標為礦物識別種類和目標檢測概率，并通過統(tǒng)計分析和擬合的方法得到評價指標與載荷主要參數(shù)之間的方程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)質量與應用能力評價。該方法有效地綜合考慮了主要影響因素之間的相關性與相互制約關系，實現(xiàn)了載荷指標與應用能力綜合分析的數(shù)據(jù)質量與應用能力定量化評價。本發(fā)明一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，其步驟如下(1)確定高光譜數(shù)據(jù)空間分辨率、光譜分辨率、信噪比三者之間的約束關系；(2)利用基于輻射傳輸與成像過程的仿真模型，在標準大氣條件下生成在步驟 (1)約束條件下的不同載荷性能參數(shù)的模擬數(shù)據(jù)；(3)采用不同原理的高光譜數(shù)據(jù)處理方法進行應用分析；(4)獲得不同空間分辨率、光譜分辨率、信噪比載荷性能參數(shù)條件下的應用處理結果；(5)確定高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力評價的指標；(6)通過統(tǒng)計分析與擬合的方法確定評價指標與空間分辨率、光譜分辨率、信噪比載荷性能參數(shù)之間的關系，并建立數(shù)據(jù)質量與應用能力評價方程；(7)輸出數(shù)據(jù)質量與應用能力評價結果。其中，步驟(1)中所述的空間分辨率、光譜分辨率、信噪比三者之間的約束關系為
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權利要求
1.一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，其特征在于它包含以下步驟(1)確定高光譜數(shù)據(jù)空間分辨率、光譜分辨率、信噪比三者之間的約束關系；(2)利用基于輻射傳輸與成像過程的仿真模型，在標準大氣條件下生成在步驟(1)約束條件下的不同載荷性能參數(shù)的模擬數(shù)據(jù)；(3)采用不同原理的高光譜數(shù)據(jù)處理方法進行應用分析；(4)獲得不同空間分辨率、光譜分辨率、信噪比載荷性能參數(shù)條件下的應用處理結果；(5)確定高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力評價的指標；(6)通過統(tǒng)計分析與擬合的方法確定評價指標與空間分辨率、光譜分辨率、信噪比載荷性能參數(shù)之間的關系，并建立數(shù)據(jù)質量與應用能力評價方程；(7)輸出數(shù)據(jù)質量與應用能力評價結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，其中步驟(1) 中的確定高光譜數(shù)據(jù)空間分辨率、光譜分辨率、信噪比三者之間約束關系如下
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，其中步驟(2) 的高光譜成像仿真模型綜合考慮了輻射傳輸與成像的物理過程，能夠有效地考慮高光譜成像幾何關系、地表反射特性、大氣輻射傳輸以及遙感器成像等效模型參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，其中步驟(3) 的采用的不同原理高光譜數(shù)據(jù)處理方法主要包括基于高階統(tǒng)計特性的改進獨立成分方法以及基于光譜特征匹配的光譜相關制圖方法。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，其中步驟(5) 確定的高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力評價指標根據(jù)應用目的不同選擇不同的評價指標，對于目標檢測選擇檢測概率作為評價指標，對于礦物蝕變信息提取與識別選擇礦物識別種類作為評價指標。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力的評價方法，其中步驟(6) 的建立數(shù)據(jù)質量與應用能力評價方程如下Pd = a-blog10 [GSD (m) ] +clog10 [SNR] +dlog10 [N]其中，Pd為評價指標，GSD為空間分辨率，SNR為信噪比，N為波段數(shù)，a、b、c、d分別為建模參數(shù)，通過統(tǒng)計分析與擬合得到。
全文摘要
一種高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力評價的方法包含以下步驟(1)確定高光譜數(shù)據(jù)空間分辨率、光譜分辨率、信噪比三者之間的約束關系；(2)利用基于輻射傳輸與成像過程的仿真模型，在標準大氣條件下生成在步驟(1)約束條件下的不同載荷性能參數(shù)的模擬數(shù)據(jù)；(3)采用不同原理的高光譜數(shù)據(jù)處理方法進行應用分析；(4)獲得不同空間分辨率、光譜分辨率、信噪比載荷性能參數(shù)條件下的應用處理結果；(5)確定高光譜數(shù)據(jù)質量與應用能力評價的指標；(6)通過統(tǒng)計分析與擬合的方法確定評價指標與空間分辨率、光譜分辨率、信噪比載荷性能參數(shù)之間的關系，并建立數(shù)據(jù)質量與應用能力評價方程；(7)輸出數(shù)據(jù)質量與應用能力評價結果。
文檔編號G01S17/89GK102163264SQ20111012121
公開日2011年8月24日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權日2011年5月11日
發(fā)明者張佳棟, 李娜, 賈國瑞, 趙慧潔, 黃平 申請人:北京航空航天大學