目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別運(yùn)用學(xué)習(xí)

1、目錄目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別    1.    概述    2.    去偽裝目標(biāo)探測(cè)    2.1    數(shù)據(jù)瀏覽與準(zhǔn)備目標(biāo)波譜    2.2    目標(biāo)探測(cè)流程化工具    2.2.1    選擇輸入/輸出

2、文件    2.2.2    大氣校正    2.2.3    輸入目標(biāo)波譜    2.2.4    輸入背景波譜    2.2.5    執(zhí)行mnf變換    2.2.6    選擇及運(yùn)行分析方法&

3、#160;   2.2.7    瀏覽結(jié)果以及提取目標(biāo)    2.2.8    結(jié)果后處理    2.2.9    輸出結(jié)果    3.    基于bandmax向?qū)У膕am目標(biāo)探測(cè)    3.1    工具功

4、能介紹    3.2    詳細(xì)操作流程    3.2.1    數(shù)據(jù)打開與目視解譯    3.2.2    收集目標(biāo)與背景波譜    3.2.3    啟動(dòng)sam target finder with bandmax     &

5、#160; 1、概述       高光譜圖像分類方法與傳統(tǒng)的多光譜分類有本質(zhì)的區(qū)別，從高光譜圖像的每個(gè)像元均可以獲取一條連續(xù)的波譜曲線，就可以考慮用已知的波譜曲線和圖上每個(gè)像元獲取的波譜曲線進(jìn)行對(duì)比，理想情況下，如果兩條波譜曲線一樣，就能說明這個(gè)像元是哪種物質(zhì)。      高光譜圖像的這個(gè)特性，使它除了應(yīng)用于一般的圖像分類，還應(yīng)用于物質(zhì)識(shí)別、目標(biāo)探測(cè)等。圖像分類更多關(guān)注的是地物覆蓋和物質(zhì)成分，目標(biāo)識(shí)別和探測(cè)是對(duì)特定對(duì)象的搜索，其結(jié)果是"有"或者"

6、沒有"。因此我們把高光譜圖像分類、物質(zhì)識(shí)別、探測(cè)等稱為波譜識(shí)別。      本節(jié)以兩個(gè)專題為例（去偽裝目標(biāo)探測(cè)與基于bandmax向?qū)Чぞ叩膕am目標(biāo)探測(cè)），學(xué)習(xí)envi中提供的高光譜目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別功能。 2、去偽裝目標(biāo)探測(cè)       去偽裝目標(biāo)探測(cè)也是利用高光譜圖像的地物識(shí)別能力，從圖像上探測(cè)遮掩或者偽裝的目標(biāo)，比如一種特殊物質(zhì)、礦物甚至軍事目標(biāo)等。下面以從圖像上探測(cè)一個(gè)目標(biāo)為例（練習(xí)數(shù)據(jù)存放在".18.目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別數(shù)據(jù)1. 目標(biāo)探測(cè)"中）

7、，介紹envi的target detection wizard工具的操作流程。      在本例中，示例數(shù)據(jù)是包含384個(gè)波段，波段覆蓋382nm2500nm的高光譜數(shù)據(jù)。主要過程如下：從圖上目視解譯一個(gè)目標(biāo)（可以是多個(gè)目標(biāo)），以這個(gè)目標(biāo)的平均波譜作為參考，搜索整個(gè)圖像，識(shí)別具有類似或者相同波譜的目標(biāo)。 2.1數(shù)據(jù)瀏覽與準(zhǔn)備目標(biāo)波譜 （1）選擇菜單file > open，打開文件nvis_sub1_hsi.img；注：可以采用rgb彩色顯示模式，在data manager中選擇波段54、34、14分別對(duì)應(yīng)rgb三個(gè)通道

8、，然后點(diǎn)擊load data按鈕可以近似真彩色的顯示原始圖像，如下圖。圖1 真彩色顯示輸入圖像（2）在右邊圖層管理器中nvis_sub1_hsi.img右鍵選擇new region of interest打開roi tool，在roi tool中修改roi name：target 1。（3）在envi主界面中的工具欄goto輸入：130,650，回車定位到一輛裝甲車目標(biāo)。繪制這個(gè)目標(biāo)的一個(gè)多邊形roi。注：練習(xí)數(shù)據(jù)中提供了目標(biāo)roi文件。其中target1_sub1_roi.roi是envi classic或者envi4.8及更早版本的roi文件，target1_sub1_roi.xml是en

9、vi5.1或者更高版本的roi文件。選擇菜單file > open，可以打開roi文件。圖2 繪制目標(biāo)的多邊形roi（4）瀏覽目標(biāo)波譜。在layer manager中，右鍵點(diǎn)擊target 1，選擇statistics（如下圖左），會(huì)對(duì)roi的波譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下圖（右）所示。圖3 統(tǒng)計(jì)菜單（左）與波譜曲線（右） 2.2目標(biāo)探測(cè)流程化工具 2.2.1選擇輸入/輸出文件（1）啟動(dòng)target detection wizard工具，位于toolbox/target detection/target detection wizard，在彈出的面板左側(cè)為整個(gè)流程的描述信息，

10、單擊next按鈕；（2）單擊select input file，選擇高光譜數(shù)據(jù)nvis_sub1_hsi.img；（3）單擊select output root name，選擇輸出結(jié)果的根目錄，如d:tempnvis_sub1_hsi；（4）單擊next按鈕進(jìn)入"atmospheric correction"面板。 2.2.2大氣校正      此數(shù)據(jù)是經(jīng)過大氣校正的，選擇none / already corrected選項(xiàng)，單擊next進(jìn)入"select target spectra" 面板。

11、注：這個(gè)面板提供了快速大氣校正（quac）、幾個(gè)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的大氣校正方法（iar reflectance、log residuals、flat field、empirical line）和簡(jiǎn)化的黑暗像元法（dark subtraction），如果輸入數(shù)據(jù)未經(jīng)過大氣校正，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行方法的選擇。 2.2.3輸入目標(biāo)波譜      在"select target spectra" 面板選擇import > from roi/evf from input file，選擇列表中的target 1，點(diǎn)擊ok，選擇

12、后效果如下圖所示。單擊select all，選中目標(biāo)波譜，然后單擊next按鈕進(jìn)入"select non-target spectra" 面板。注：1）如果需要探測(cè)多個(gè)目標(biāo)，則輸入多個(gè)目標(biāo)的波譜，單擊select all選擇列表中所有目標(biāo)波，單擊next執(zhí)行下一步操作。2）當(dāng)需要應(yīng)用orthogonal subspace projection （osp）, target-constrained interference-minimized filter （tcimf）, 和mixture tuned target-constrained interference-minim

13、ized filter （mttcimf）三種波譜分析方法時(shí)，需要至少2個(gè)目標(biāo)波譜，或提供背景波譜。圖4 選擇目標(biāo)波譜面板 2.2.4輸入背景波譜      在"select non-target spectra" 面板中可以選擇易與目標(biāo)波譜混淆的波譜作為背景波譜，有助于提高探測(cè)精度。這里選擇no（不選擇背景波譜），單擊next進(jìn)入"apply mnf transform" 面板。注：如果要使用orthogonal subspace projection （osp）或target-constra

14、ined interference-minimized filter （tcimf）方法，必須在第三步驟輸入大于一種的目標(biāo)波譜，或在第四步驟輸入背景波譜。如果要使用mixture tuned target-constrained interference-minimized filter （mttcimf）分析方法，必須在第三步驟輸入大于一種的目標(biāo)波譜，或在第四步驟輸入背景波譜，而且在下面的第五步要執(zhí)行mnf變換。 2.2.5執(zhí)行mnf變換（1）在apply mnf transform面板中，apply mnf transform？選擇yes；（2）單擊show advanced o

15、ptions按鈕，默認(rèn)選擇全部的mnf波段；（3）單擊noise stats shift diff spatial subset，默認(rèn)選擇全部圖像區(qū)域用于統(tǒng)計(jì)噪聲；（4）單擊next執(zhí)行mnf變換，計(jì)算完成后自動(dòng)進(jìn)入"target detection methods" 面板。注：mnf變換可以分離噪聲，對(duì)數(shù)據(jù)降維以減少計(jì)算量。如果選擇no，那么將不能選擇mixture tuned matched filter （mtmf）和mixture tuned target-constrained interference-minimized filter （mttcimf）識(shí)別方法

16、。 2.2.6選擇及運(yùn)行分析方法      在"target detection methods" 面板選擇cem、ace和mtmf三種方法（如圖所示），單擊next按鈕執(zhí)行分析，之后自動(dòng)進(jìn)入"load rule images and preview result"面板。圖5 target detection methods面板 2.2.7瀏覽結(jié)果以及提取目標(biāo)      在load rule images and preview res

17、ult面板中，"target"列表中顯示所有探測(cè)目標(biāo)參考波譜，在"method"列表中選擇相應(yīng)分析方法，其得到的規(guī)則自動(dòng)顯示在display窗口中，選擇規(guī)則閾值或者散點(diǎn)圖上選擇點(diǎn)云將目標(biāo)分離。（1）在"method"列表中選擇cem，規(guī)則閾值（rule threshold）：0.2。（2）在"method"列表中選擇ace，規(guī)則閾值（rule threshold）：0.1。（3）在"method"列表中選擇mtmf，自動(dòng)會(huì)生成一個(gè)mf scores和infeasibility values的散點(diǎn)

18、圖，選擇高mf scores 和低infeasibility values的點(diǎn)云，也就是散點(diǎn)圖右下角部分點(diǎn)云，就是探測(cè)到的目標(biāo)。（4）單擊next執(zhí)行從規(guī)則圖像中分離目標(biāo)，進(jìn)入"filter targets"面板。注：1）對(duì)于mf, cem, ace, sam, osp, 和 tcimf，envi自動(dòng)生成默認(rèn)值閾值。當(dāng)手動(dòng)修改閾值時(shí)，調(diào)整閾值越小，得到的目標(biāo)點(diǎn)越多，"假目標(biāo)"也隨之增多，重新獲取的目標(biāo)點(diǎn)會(huì)在圖上高亮顯示。sam剛好相反。2）對(duì)于mttcimf和mtmf，envi自動(dòng)生成mf scores 和infeasibility values的整個(gè)圖

19、像的散點(diǎn)圖。用鼠標(biāo)左鍵繪制多邊形區(qū)域選擇點(diǎn)云，鼠標(biāo)右鍵結(jié)束選擇。鼠標(biāo)中建拉框可放大點(diǎn)云，單擊中鍵回到上一個(gè)試圖，同時(shí)之前選擇的點(diǎn)云被取消，當(dāng)選擇錯(cuò)誤時(shí)候用這個(gè)功能重新選擇點(diǎn)云。散點(diǎn)圖勾選區(qū)域如圖所示，需要選擇infeasibility values較低，且右側(cè)散落的點(diǎn)。圖6 load rule images and preview result面板圖7 mttcimf和mtmf算法散點(diǎn)圖的勾選區(qū)域 2.2.8結(jié)果后處理      在filter targets面板中（如下圖），按照默認(rèn)設(shè)置單擊next按鈕，進(jìn)入export resul

20、ts面板。注：這一步提供分類后處理的方法（clumping和sieving）用于去除結(jié)果中的小斑點(diǎn)。clumping是用卷積的方法定性去除小斑點(diǎn)；sieving是用定性的方法去除小斑點(diǎn)，通過設(shè)置最小聚類像素個(gè)數(shù)（group min threshold）移除小斑點(diǎn)。圖8 結(jié)果后處理（小斑點(diǎn)去除） 2.2.9輸出結(jié)果      在export results面板（如下圖），可以將探測(cè)結(jié)果輸出為感興趣區(qū)（roi）和矢量（shapefile），按照默認(rèn)設(shè)置（roi）單擊next按鈕，進(jìn)入最后一個(gè)面板"view statistics

21、and report"，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)探測(cè)的結(jié)果，且探測(cè)的所有結(jié)果自動(dòng)加載到roi tool中并顯示在圖上。定位探測(cè)結(jié)果（169，163）是一個(gè)樹林掩蓋的目標(biāo)，點(diǎn)擊finish完成。注：整個(gè)流程都可以使用prev按鈕回到上一步操作。圖9 結(jié)果輸出面板圖10 view statistics and report面板 3基于bandmax向?qū)У膕am目標(biāo)探測(cè) 3.1工具功能介紹      基于bandmax向?qū)У膕am目標(biāo)探測(cè)工具可以引導(dǎo)我們完成高光譜影像的目標(biāo)探測(cè)。向?qū)У腷andmax工具能幫助找到最佳的波譜子集從而區(qū)分背

22、景和目標(biāo)，并節(jié)省處理的時(shí)間。向?qū)е饕幸韵聨讉€(gè)步驟：（1）選擇輸入/輸出文件（2）選擇目標(biāo) 選擇目標(biāo)波譜（3）選擇背景 選擇需要抑制的背景信息（4）利用bandmax計(jì)算有效波段識(shí)別對(duì)sam分析中有效的波段（5）選擇最大角閾值 定義sam 最大角（6）檢驗(yàn)制圖成果 sam分析以及成果檢驗(yàn)。      如處理結(jié)果理想，那么可以點(diǎn)擊finish退出向?qū)АＨ绻麢z驗(yàn)結(jié)果顯示波段子集不充分，向?qū)?huì)返回到第二步，需要重新輸入目標(biāo)和背景波譜，然后利用bandmax選擇最合適的波段子集以及利用sam對(duì)輸入數(shù)據(jù)重新分類。處理分析完成后，向?qū)е袑@示分析報(bào)告。如果

23、需要，我們可以保存這個(gè)文件以備后用。向?qū)囟ú襟E中得出的影像結(jié)果會(huì)顯示在envi 的data manager中。如果輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量不好或者設(shè)置了不合適的參數(shù)，很有可能得到不理想的結(jié)果。      向?qū)У牡谝粋€(gè)面板主要介紹該向?qū)У墓ぷ髁鞒獭Ｏ驅(qū)е衅渌拿姘逯饕榻B完成這個(gè)過程的6個(gè)步驟。這些處理步驟有時(shí)會(huì)因?yàn)榉治龇椒ǖ牟煌磸?fù)出現(xiàn)。 3.2詳細(xì)操作流程      下面介紹詳細(xì)操作流程，以aviris高光譜數(shù)據(jù)為例（位于"數(shù)據(jù)2. target finding with sam

24、 and bandmax sandiego_reflectance.img"），此數(shù)據(jù)經(jīng)過了大氣校正，為地表反射率圖像。 3.2.1數(shù)據(jù)打開與目視解譯（1）啟動(dòng)envi 5.1，打開file > open，選擇"數(shù)據(jù)2. target finding with sam and bandmax sandiego_reflectance.img"文件，并加載到視圖中，如圖所示；（2）從圖中可以看出，影像中包含了一些飛機(jī)。綠色圓圈選中的三架飛機(jī)是我們的探測(cè)目標(biāo)，像元位置為 88, 10 和 142, 337 等。另外最明顯的紅色圓圈選中的兩家飛機(jī)將是我們

25、需要抑制的背景，像元位置為 231, 135 和 243, 143。注：像元坐標(biāo)以 0, 0 為原點(diǎn)。圖11 數(shù)據(jù)加載與目視解譯 3.2.2收集目標(biāo)與背景波譜（1）啟動(dòng)光譜曲線查看器，菜單為spectral > profiles > spectral，如下圖所示；（2）收集目標(biāo)波譜。在envi 主界面第一行工具欄最右側(cè)的"go to"框內(nèi)手動(dòng)輸入"88, 10"，然后按enter鍵，將自動(dòng)定位到目標(biāo)像元，并在波譜查看器中顯示目標(biāo)波譜；注：輸入坐標(biāo)不包含雙引號(hào)，x與y坐標(biāo)中間為英文狀態(tài)下的逗號(hào)。圖12 波譜曲線查看器圖13 獲取目標(biāo)波

26、譜（1）在spectral profile面板中，選擇options > new window with plots，打開一個(gè)新的plot窗口，并保留了目標(biāo)波譜，可以點(diǎn)擊右側(cè)中間三角形箭頭顯示出波譜列表；（2）以同樣的方法收集背景波譜。在第一行工具欄最右側(cè)的"go to"框內(nèi)手動(dòng)輸入"243, 143"，然后按enter鍵，將自動(dòng)定位到背景像元，波譜將自動(dòng)顯示在spectral profile面板中，點(diǎn)擊右側(cè)中間三角形箭頭，可以顯示波譜列表；注：如果想收集多條光譜曲線，可以使用鼠標(biāo)左鍵將波譜拖入到新建plot窗口的波譜列表中，如下圖所示，本例中目標(biāo)

27、和背景波譜均為一條曲線，可以不進(jìn)行拖拽。圖14 使用鼠標(biāo)拖可以收集多條光譜曲線 3.2.3啟動(dòng)sam target finder with bandmax（1）啟動(dòng)工具toolbox/target detection/sam target finder with bandmax，工具第一步左側(cè)文字介紹了工具的功能與操作步驟，點(diǎn)擊next進(jìn)入下一步；（2）點(diǎn)擊select input file，選擇輸入文件，即"sandiego_reflectance.img"，envi會(huì)自動(dòng)設(shè)置輸出文件夾路徑，可以點(diǎn)擊select output root name按鈕修改輸出路徑。點(diǎn)擊next進(jìn)入下一步；（3）在target spectra面板，需要輸入目標(biāo)波譜。在表格空