基于均值置信区间带的高光谱特征波段选择与树种识别

Ｆ ｇ ２ Ｔ ｅ９ ％ ｃ ｎ ｉｅ ｃ ｔ ｖ ｌ ｏ ａ ｉ． ｈ ５ ｏ ｆ ｎ ｅｉ ｅ ａ ｆｒ ｄ ｎ ｒ ｍｅｎ
ｏ ｐ ｃ ｒ ｍ ｆｔ ｒ ｅ ｔｅ ｐ ｃ ｅ ｆｓ ｅ ｔ ｕ ｏ ｈ ｅ ｒｅ ｓ ｅ ｉ ｓ
间 维 度 且 实 现 特 征 波 段 选 择 的 目的 。 １ ３ Ｍａ ｈ ｔ ｎ距 离 和 Ｍｉ￣Ｍａ ． ｎ ａｔ ａ ｎ ｘ区 间相 似 度 在 Ｎ 维 空 间 中 ， 值 型 数 据 Ｘ Ｘ 之 间 的 相 似 性 ， 数 和 可 以通 过 Ｘ Ｘ， 个 数 据 在 特 征 空 间 中 点 之 间 的 欧 氏距 离 、 和 两 Ｍａ ｈ ｔ ｎ距离 、马 氏距 离等 指标来 度量【 ｏ。用欧 氏距 离 ｎ ａｔ ａ ｌ ３
度为±１Ｄ Ｉ 具有较高的抽样 间隔和光谱 分辨率 。 １， Ｔ 数据采集
地点为浙江省浙江农林 大学校 内植 物园 。以柏木 、雷竹 、 无
患 子三 种 常 见 的 南 方 树 种 进 行 试 验 ，选 择 向 阳 的 成 熟 叶 片 ，
每种树种采集 ４ 个 叶片样本 。 ９ 数据采集在 晴朗的天气进行 ， 数据采集后立即置于保鲜箱 内保鲜 ， 并迅速 带到实验室 内进
树种在第 ｉ 波段反射率 比对 的光谱基准 。
特征选择是从 有 Ｎ 个 特 征 的原 始集 合 中选 择 Ｍ （ Ｍ＜ Ｎ） 特 征 子 集 ，以 降 低 特 征 空 间 的 维 度 ＿ 。高 光 谱 数 据 波 段 个 ８ ］
多 、波 段 窄 ，同 时 ， 带 来 了 数 据 量 大 、数 据 冗 余 度 大 的 问 也 题 。由于高光 谱数据波段众 多 ，如不进 行特 征筛选 ，那 些 能 有 效 区分 树 种 的波 段 会 被 “ 没 ” 其 他 无 用 波 段 的 信 息 中 。 淹 在
基 于均 值置 信 区 间带 的高光谱 特征 波段 选择 与 树种 识别
陈永 刚 ，丁 丽 霞 ，葛 宏立 ，张茂 震 ，胡 芸
浙江农林大学 ， 浙江省森林生态 系统碳循环与固碳减排重点实验室 ， 环境科技学院 ， 浙江 临安 ３ １ ０ １３０
摘
要 以柏 木 、 竹 和 无 患 子 野 外 高 光谱 数 据 为 基 础 ， 统 计 学 理 论 和 实践 分 析 的 基 础 上 ， 出 了利 用 均 雷 在 提
见 利用 统 计 区 间估 计 的方 法 进 行 特 征 提 取 和 光谱 识 别 南 方 树
均值是数据集 中趋势的主要 测度值 ， 均值置信 区间估计 是在均值 点估 计 的基础 上 ，而给 出 总体参 数 的一个 区间范 围 ［ 。在 光 谱采 集 过 程 中 ，由 于各 种 因 素 的影 响 ， 据 包 含 ７ ］ 数 有随机误差 ，而均值置信 区间估计则将 采样误差限制在一定 范围之 内。 根据统计学 的中心极限定理 可知 ， 果样 本容量 如 足够大 （ ≥ ３ ） ，所 有随 机分 布 的 均值 皆收敛 于 正态 分 ” ０时
中 图分 类 号 ： ７ １ ８ ￥ ７．
光 谱 仪 波 长 范 围为 ３０ ２５ ０Ｄｎ 共 ２１ １ 波 段 ， 长精 ５ ￣ ０ ｉ， ５ 个 波
引 言
高光谱 遥感技术 的出现将为解决森林树种的精细识别难
题 提 供 有效 的途 径 光谱 识 别 方 法 的 优 点 是 反 应 迅 速 、结 构
则其值 为 １ ，否则 ， 值 为 ０ 其 ；其 中， Ｍ — Ｍｉ（ ｆ， ， ｎ ｘｌ 妇
） ，Ｍａ — Ｍａ （ ｚ … ， 。 ｎ Ｍａ 间相 ｘ ｘｘ ∞ ｚ ） Ｍｉ～ ｘ区 似 度 值 越 大 ， 明树 种 越 相 似 。 表
…
，
２ 试 验 与 分 析
２ １ 光 谱 曲线 均 值 ９ 置 信 区 间 带 ． ５
计算时 ，较大 值会更加 突出 ， 较小 的值就 会被淹没 ，而 Ｍａ — ｎ
最佳区分特征 波段 为 ３ ８ ３６ ５ ｌ１ ５ １ ～ ２５ ０ ５ ８ ，４ ２ ４ ，１３ ４ ０ ｎ ｍ；柏木 与无 患子 之 间的 最佳 区分 特征 波段 为 ３ ０ ４ ６ ５～ ４，
４ ７ ５ ７，５ ３ １ ３ ０ １３ ５～ ２ ４ ０ 和 ２ ４ ６～ ２ ５ ０ ｎ ； ９￣ ２ ５～ ３ ， ５ ０ ３ ０ ｍ
２ ２ 以置 信 区 问 带筛 选 树 种 间 最 佳 区 分 特 征 波 段 ． 利 用 Ｃ＃开 发 程 序 分 析 ３ 树 种 置 信 区 间 带 数 据 ，剔 除 种
图 ２中两两树种之间光谱 曲线 ９ 区间重叠 的部分 ， ５ 结果 即
为 树 种 的 最 佳 区分 波 段 。提 取 结 果 发 现 ： 木 与 雷 竹 之 间 的 柏
＿
第 ９ 期
光谱学 。 甚 。 分析 与光谱 Ｈ ｇ 岛
１
Ｏ
２ ６ ４３
０
０
８
Ｏ
６
０
４
Ｏ
２
射 率均值 的置信 区间为 ±乙／堕－ ｚｆ。因波段 ｉ － 取值 范围为
４ ｎ
式（） （） ： ３ 与 ４ 中 Ｐ为 Ｍ ｉ￣ Ｍａ ｎ ｘ区 间相 似 度 ； 为 此 树 种 特 Ｍ 征 区 分 波 段 的 总 个 数 ； ｉ 待 测 试 树 种 样 本 的 第 ｉ 段 的光 Ｙ 为 波
（ ）在最佳区分波段 内，同种树 种问的 Ｍａｈ ｔ ｎ 离远小于异种树种间的 Ｍａｈ ｔ ｎ 离 ，同种树种间的 ２ ｎ ａｔ 距 ａ ｎ ａｔ 距 ａ ＭｉｉＭａ ｎ ｘ区问相似度远大于异种树 种问的 ＭｉｔＭａ ｎ ｘ区问相似度 ， ｎ ａｔｎ距离和 Ｍｉ￣Ｍａ Ｍａ ｈｔ ａ ｎ ｘ区问相似
简单 、 成本低 、 易形成商业 化 ， 光谱 识别技术 已成 为光谱 分
析技术 的重 要组 成部 分 。高 光谱 数 据波 段多 、数 据冗 余 度
大， 利用高光谱 数据进行树种识别 时，选择 提取特征光谱 至 关重要ｌ ］ ｌ ｋ １ 。Ｃａ 等在树种冠层尺度 ，利用高 光谱遥感技术 ｒ
种的报 道。本文提出了在利用均值置信 区间带筛选 最佳特征 区分波段 的基础上 ，利用 Ｍａ ａｔｎ距离 和 Ｍｉ￣Ｍａ ｈ ａ ｎ ｔ ｎ ｘ区间 相似度来 区分识别树种 ， 并在实验 中验证 了其有效性 和可行
性。
布『 。 １ 置信水平下 ， ｉ ７ 在 一ｎ ］ 第 波段光谱反射率均值 置信
与 无 患 子 之 问 的 最佳 区分 波 段 为 ３ ０ ４ ， ９ ￣５ ７ ５ ～ １３０ ５ ￣ ２４０和 ２４ ６ ２５０ｎｎ 雷 竹 ５ ￣４ ６ ４ ７ ２ ，５３ ３ ，１ ５ ０ ３ ３ ￣ ０ ｌ， ＇ 与 无 患 子之 间 的最 佳 区分 波 段 为 ４ ４ ５ ，５ ０ ０ ， １ ￣２０ ９ ７ ￣ ２４ ７ ２４ ５ ２５０啪 ； ３ ￣５ ５ ８ ￣１９３ ｌ９ ４ ８ ，２１２ ５ 和 ７ ￣ ０
区间与置信水平 ｎ的关 系为式 （ ） １所示
Ｃ
１ 数 据 与 方 法
１ １ 仪 器 设 备 与 数 据 获 取 ．
ＰＪ ｄ ｛ ≤ ≤Ｘ ＋Ｚ／ Ｊ Ｉ １ （） —ｚ， ｘ ２ 。 ｏ ｉ ＝ 一口 １ ｚ
Ｉ ４ｎ ４ｎ Ｊ
式中 ： 为第 ｉ Ｋ 波段光谱反射率 次测量 的平均值 ； 为样 Ｓ
度 可 以有 效 区分 和 识 别 不 同类 型 的树 种 。
关键词
置信区间 ； 高光谱 ； ｎ ａｔｎ Ｍａｈ ｔ 距离 ；ＭｉｉＭａ ａ ｎ ｘ区间相似度
文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｉ １ ． ９ ４ｊｉ ｎ １ ０—５ ３ ２ １ ）９２ ６－ ５ Ｏ ： ０ ３ ６ ／．ｓ ．０ ００ ９ （０ １０ －４ ２０ ｓ
行光谱测量 。为了得到准确和稳定的数据 ， 使用光谱 仪配套
的植被高密度探头进行测 量 ，每测完 ｌ ０片树 叶进行一 次标 准 白板 的校正 。 中以 ４ 个样本作为光谱基 准数据 ， 其 Ｏ 九个样 本作为测试数据。
１ ２ 均 值 置 信 区 间 带 与 最佳 区分 波段 筛 选 ．
本标 准差 ； 为 显 著 性 水 平 。 式 （ ） 知 ， ｉ 段 光 谱 反 ａ 据 １可 第 波
数 据 采 用 ＡＳ ｉｄ ｐｃＰ ｏＦ Ｄ Ｆｅ ｓｅ ｒ Ｒ野 外 光 谱 辐 射 仪 测 量 。 ｌ
收 稿 日期 ：２ １－２１ 。修 订 日期 ：２ １一３２ ００１－４ ０ １Ｏ —８
以光谱反射率 均值 置信 区间 带筛 选树 种最 佳 区分 波段 的 原
理 ， 图 １所 示 。 如
对野外 测量 得到 的光 谱数据 ， 据式 （ ） 用 Ｅ ｃｌ 根 １调 ｘ ｅ 的 Ｖ Ａ宏 ，以 ４ Ｂ ０个样本作为光谱基 准数据 ， 算柏木 、雷竹 、 计 无 患子三个 树种光谱 曲线 的均值 和均值 的 ９ 置信 区间带 ， ５
识别提取热带雨林树种ｒ 。Ｇ ｎ ５ ｏ ｇ等利 用从 Ｈｙ ｅｉｎ高光谱 ］ ｐｒ ｏ
数 据 提 取 的 植 被 指 数估 算 森林 植 被 叶 面 积 指 数 。王 渊 、王 ｊ
志辉等分别利用光谱微分技术对油菜 、 方常见树种叶片 的 南 高光谱特征进行选择及提取 ，获得 了 良好的效果ｎ 。 是鲜 ］但
基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金项 目（０ ７ ７ ５ ，国家 自然科 学 基 金 项 目（ｏ ７ ３ Ｏ 和 浙 江省 教 育 厅 项 目（ ２ １１ ８ １ 资助 ３７１２） ３ ９２ ６ ） Ｙ ００７９） 作 者 简 介 ：陈永 刚 ，１８ 生 ， 江农 林 大 学 环境 科 技 学 院 讲 师 ９０年 浙 ｅｍａｌ ｙ ｇｓ １ ３ ｃ ｉ － ｉ ：ｃｇ ｉ ６ ． ｏｎ ＠
值置信区间带筛选树 种问最佳 特征 区分波段及 利用 Ｍａ ｈｔ ｎ距 离和 Ｍｉ Ｍａ ｎ ａｔ ａ ｎ ｘ区问相似 度识别树 种的 问 －
题 研究结果表明 ： １ （ ）柏木与雷竹之 间的最佳 区分波段 为 ３ ８ ８ ， ５ ￣１１ ５ １３ ４ ０ ｉ， ５ ￣３ ６ ４ ２ ４ 和 １￣２５ ０ｎ ｌ 柏木 Ｔ
▲
－， ＿
Ｗ ａ ｅｅ ｇ ｈ ｎ ｖ ｌｎ ｔ／ｍ
ｌ
从 图 １中可 以看 出，在波段 区间 ，６和［ ， ， ］ ｃ 树种 １
和树种ห้องสมุดไป่ตู้２的光谱反射率均值置信 区间是重叠 的 ，即在 其 内不 同树种不容易区分 。通过 剔除 均值 置信 区间带 重叠 的部 分 ，
就 可 以筛 选 出最 佳 的树 种 区分 波段 ，以达 到 降 低 波 段 特 征 空
结 果 如 图 ２所 示 。
＾
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一
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Ｗ ａ ｅｅ ｇ ｈ ｎ ｖ ｌｎ ｔ／ｍ
Ｆｉ．１ Ｏｐｔｍ ａ ｉｃ ｉ ｉ ｔｎ ｎ ｓ ｌｃ ｉｎ ｆｔｅ ｐｅ ｉｓ ｇ ｉ ｌｄｓ ｒｍ ｎａ ｉ ｇ ｂａ ｄ ｅｅ ｔｏ ｏ ｒ ｅ ｓ ｃ’ ｅ
３ ０ ０ ｍ，所有波段 的 置信 区间则 构成 了光 谱反 射率 ５ ￣２５ ０ｎ 均值置信 区间带 。同时 ， ｉ 段光谱 反射 率均 值 ，为此 第 波
谱 反射 率 ；Ｈ（ ） 为第 ｉ 波段 反射率 是否位 于基 准光谱数 据
第 ｉ 段 的最 小 、最 大 值 之 内 ，如 果 位 于 Ｍ ｉ 和 Ｍａ 之 间 波 Ｎ
第３ 卷 ， ９ １ 第 期
２ ０ １ １年 ９月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａ ｙ ｉ
Ｖ １３ ， ． ，ｐ ４ ２２ ６ ｏ ． １ Ｎｏ ９ ｐ ２ ６ — ４ ６ Ｓ ｐ ｅ ｅ ，２ １ ｅ ｔ ｍｂ ｒ ０ １