[发明专利]基于分块和低秩先验的发射率域热红外高光谱异常探测方法

说明书

本发明涉及一种基于分块和低秩先验的发射率域热红外高光谱异常探测方法。首先对原始影像进行温度和发射率反演获取影像的发射率图和温度图，然后使用温度图和辐亮度图结合基于Potts的图像分割算法将发射率图分割成多个同质区域。据观察，在局部均匀区域，背景信号具有增强的低秩性，而异常表现为空间稀疏性。基于此观测，背景像素可以由一组基本背景信号进行低秩重构，而异常可以用稀疏残差表示。然后利用提取的背景端元对原始高光谱数据矩阵进行低秩稀疏矩阵分解，去除部分噪声，获取相比于原始影像更纯粹的背景信息。然后利用马氏距离结合原始发射率影像和背景信息计算异常和背景之间的光谱差异，实现异常和背景分离。

技术领域

本发明基于遥感图像技术处理领域，特别涉及一种基于分块和低秩先验的发射率域热红外高光谱异常探测方法。

背景技术

高光谱成像允许同时观察材料的几何和物理特性，这使得精确区分不同的目标成为可能。目标探测是高光谱信息处理的重要研究领域之一。高光谱目标探测一般可分为异常探测和基于特征的目标探测。在异常探测任务中，没有关于异常或背景的先验知识，其中异常是指与相邻背景的光谱特征有显著差异的观测值。传感器测得的长波红外光谱区的辐射主要来自地表物体本身发射和大气，辐射传输方程与地表的发射率和温度直接相关。热红外系统因此可以昼夜工作，并能提供物体表面温度信息。温度和发射率都可以用来辅助目标探测。

热红外高光谱异常探测是一项艰巨的任务。其一，它涉及到在没有目标先验光谱信息的情况下进行异常探测。其二，传统的基于统计的方法很难准确描述高光谱影像复杂的背景。其三，由于热红外传感器非常敏感，导致热红外影像的信噪比比较低，噪声容易掩盖掉地物的光谱特征，此外，物体的发射率光谱变化幅度较小，所以使得目标和背景之间的光谱对比度较低。由于上述几个问题的存在导致热红外高光谱影像的异常探测的表现往往较差。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于分块和低秩先验的发射率域热红外高光谱异常探测方法。

本发明提供了基于分块和低秩先验的发射率域热红外高光谱异常探测方法。热红外高光谱图像的辐射度由温度和发射率决定。为避免温度单一因素引起的检测不确定性，引入发射率对异常进行检测，温度信息用于辅助探测。首先对原始影像进行温度和发射率反演获取影像的发射率图和温度图。然后使用温度图和辐亮度图结合基于Potts的图像分割算法将发射率图分割成多个同质区域。据观察，在局部均匀区域，背景信号具有增强的低秩性，而异常表现为空间稀疏性。基于此观测，背景像素可以由一组基本背景信号进行低秩重构，而异常可以用稀疏残差表示。然后利用提取的背景端元对原始高光谱数据矩阵进行低秩稀疏矩阵分解，去除部分噪声，获取相比于原始影像更纯粹的背景信息。然后利用马氏距离结合原始发射率影像和背景信息计算异常和背景之间的光谱差异，实现异常和背景分离。

在本发明中我们所提出的基于分块和低秩先验的发射率域热红外高光谱异常探测方法具有以下三个显著特点。一是利用了局部同质区域背景信号的低秩特性。与基于低秩表示的方法相比，提出方法避免了复杂的字典构造过程；其二，在基于Potts的图像分割方法中利用了温度信息增强均匀区域的边界效应使得均匀区域分割的更好。在这些局部均匀区域，增强了背景的低秩性，进一步抑制了稀疏背景在探测图中的分布；其三，利用提取的背景端元对原始的局部数据矩阵进行扩充，以诱导异常的空间稀疏性。在此基础上对矩阵进行分解，使得获取的背景信息更加准确，将更准确的背景信息用于计算异常和背景的差异，从而保证了异常背景的分离。

本发明提供基于分块和低秩先验的发射率域热红外高光谱异常探测方法，实现步骤如下：

步骤1，输入一幅待探测的热红外高光谱辐亮度影像；

步骤2，对热红外辐亮度影像进行大气校正，使用FLAASH-IR进行温度发射率分离，获取发射率图和温度图；

步骤3，使用基于Potts的方法结合辐亮度图信息和温度信息将原始辐亮度影像分割成m个同质区域，然后将分割的区域信息用于发射率图，将发射率图分割成同样的区域；