典型伪装材料高光谱特征及识别方法研究
引言
在现代战争中，为实现“隐真示假”，通常会采取一些伪装措施，以减小目标和背景对电磁波的反射或辐射能量差异。伪装材料利用对其人眼视觉的影响使肉眼很难在可见光图像上发现伪装目标，比如，将待伪装目标涂成与周围环境相匹配的颜色。近几十年来，在世界各国军事科技逐渐发展的背景下，如何能够有效识别和揭露伪装目标，成为各军事强国关注的重点。使用传统的可见光、红外等成像手段对伪装目标进行检测的效果不佳。高光谱遥感技术能够获取伪装材料的细节光谱特征，以极高的光谱分辨率直接对伪装材料进行光谱差异的定量分析，在伪装目标检测方面具有很大的应用潜力，为伪装目标检测提供了新思路和新方法。
使用高光谱遥感技术进行伪装目标揭露首先需要解决以下问题：１）伪装材料的光谱特征；２）相同颜色不同材质目标的光谱差异；３）在当前伪装装备与背景光谱近乎一致的前提下，如何将伪装目标检测出来。解决上述问题是揭露伪装、满足战场情报时效性、有效进行伪装目标检测的基础。
光谱曲线处理及分析方法
高光谱遥感技术从空间、时间、光谱三个不同的维度来观测目标，从而获得更全面、更详细的目标信息。通过探测得到的光谱特征曲线，可反演出对应每一个像素的目标组成成分，从目标材质的光谱属性入手，区分背景与目标的差异。
2.1 包络线去除法
高光谱遥感技术能够获取伪装目标的光谱特征。对于从高光谱图像上提取的光谱曲线，可以利用包络线去除法来突出目标的光谱特征。包络线去除法是一种有效的光谱分析方法，它可以有效地突出光谱曲线的吸收特征和反射特征，并将反射率归一化为0～1.0，光谱的吸收特征也能归一化到一致的光谱背景上，有利于与其他光谱曲线进行特征数值的比较。包络线通常定义为采用直线逐点连接光谱曲线上那些凸出的峰值点，并使折线在峰值点上的外角大于180°。用原始光谱曲线上的值除以包络线上对应的值，即为光谱去包络，其计算公式为
式中：λｊ是第ｊ 波段的波长；ｒｃｊ是波段ｊ 的包络线去除值；ｒｊ是波段ｊ的原始光谱反射率；rend和rstart是吸收曲线起始点和末端点的原始光谱反射率；λend和λstart是吸收曲线起始点和末端点的波长；ｋ 是吸收曲线在起始点波段和末端点波段之间的斜率［７］。从直观上来看，光谱曲线的包络线相当于光谱曲线的“外壳”。因为实际的光谱曲线由离散的样点组成，所以用连续的折线段来近似表示光谱曲线的包络线。
2.2欧氏距离
欧氏距离是一种描述确定量之间相似性的准则，反映两种目标光谱曲线的差异，能对伪装效果进行评价。两种目标的欧氏距离定义为
式中：ｄ 为欧氏距离；ａｉ和ｂｉ分别表示在ｉ波段的光谱反射率。同一条件下，ｄ 越大，表示两种目标的区分度越大，伪装效果越差
2.3光谱信息散度
光谱信息散度（ｓｉｄ）用来衡量高光谱图像中两个不同像元之间的相似性。欧氏距离考虑了光谱本身的变动性，能对光谱数据进行更好的评价。若ｐ 和ｑ 的光谱曲线概率密度分布分别为ｐ＝（ｐ１，ｐ２，…，ｐｌ ）和 ｑ ＝ （ｑ１，ｑ２，…，ｑｌ ），其 中
ｐｉ ＝
，
则ｐ 与ｑ 的光谱信息散度为
光谱信息散度的值越大，说明二者的差异越大，伪装效果越差。
2.４光谱角度匹配
光谱角度匹配（ｓａｍ）算法将光谱数据看作是一个ｎ 维的特征向量，通过计算两种光谱之间的“角度”来确定两者的相似性。计算公式为
式中：ｓａ（ａ，ｂ）为光谱角。光谱角的值越接近０，说明两种光谱的形状越相似，匹配度越高。
2.５分段编码匹配
高光谱数据通常存在大量的数据冗余，为实施 匹配，将光谱进行二值编码，用简单的０和１来表示 光谱。编码方法为
式中：ｘｉ是像元第ｉ通道的亮度值；ｈ（ｎ）是像元第ｉ通道的编码；ｔ为阈值，通常为光谱的平均亮度。将两种光谱数据编码后进行匹 配，根据匹配系数的大小来判断两组数据的相似度。为了提高匹配的精 度，通过将光谱分成多个区域，进行分段编码。
光谱数据
在森林环境中，作战目标通常会采用绿色作为伪装色，以与森林环境相匹配。图４（ａ）所示为绿色钢板与绿色木板的反射光谱曲线，可见：绿色木板的光谱曲线在400～600ｎｍ 波长范围内总体呈现先上升后下降的趋势，并在535ｎｍ 波长处出现反射峰值；绿色钢板的光谱曲线在400～600ｎｍ 波长范围内呈现 先 下 降 后 上 升 再 下 降 的 趋 势，并 在 波 长522ｎｍ 处出现反射峰值；在400～477ｎｍ 波长范围内，绿 色 木 板 的 反 射 率 高 于 绿 色 钢 板；在 477～572ｎｍ波长范围内，绿色钢板的反射率高于绿色木板；在572～780ｎｍ 波长范围内，绿色木板的反射率高于绿色钢板；在677ｎｍ 波长处，绿色钢板出现吸收谷；在800～850ｎｍ 波长处，绿色钢板的反射率突增，而绿色木板的光谱曲线较为平稳，未出现明显的反射峰或吸收谷。在近红外波段内，绿色钢板与绿色木板的波动情况相似，但反射率差异较大，绿色钢板的反射率高于绿色木板，并且二者在915ｎｍ波长处的反射率差值最大，可达0.19。这说明在此波段可以将二者进行区分。
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高光谱遥感技术能够获取伪装目标的光谱特征。对于从高光谱图像上提取的光谱曲线，可以利用包络线去除法来突出目标的光谱特征。包络线去除法是一种有效的光谱分析方法，它可以有效地突出光谱曲线的吸收特征和反射特征，并将反射率归一化为0～1.0，光谱的吸收特征也能归一化到一致的光谱背景上，有利于与其他光谱曲线进行特征数值的比较。包络线通常定义为采用直线逐点连接光谱曲线上那些凸出的峰值点，并使折线在峰值点上的外角大于180°。用原始光谱曲线上的值除以包络线上对应的值，即为光谱去包络，其计算公式为
式中：λｊ是第ｊ 波段的波长；ｒｃｊ是波段ｊ 的包络线去除值；ｒｊ是波段ｊ的原始光谱反射率；rend和rstart是吸收曲线起始点和末端点的原始光谱反射率；λend和λstart是吸收曲线起始点和末端点的波长；ｋ 是吸收曲线在起始点波段和末端点波段之间的斜率［７］。从直观上来看，光谱曲线的包络线相当于光谱曲线的“外壳”。因为实际的光谱曲线由离散的样点组成，所以用连续的折线段来近似表示光谱曲线的包络线。
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式中：ｘｉ是像元第ｉ通道的亮度值；ｈ（ｎ）是像元第ｉ通道的编码；ｔ为阈值，通常为光谱的平均亮度。将两种光谱数据编码后进行匹 配，根据匹配系数的大小来判断两组数据的相似度。为了提高匹配的精 度，通过将光谱分成多个区域，进行分段编码。
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