一种基于矩阵计算的波段选择方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及高光谱图像处理技术领域，具体而言，涉及一种基于矩阵计算的波段选择方法、装置、设备及介质。

背景技术

光谱是岩石、矿物、附着物等对特定波长范围的反射、吸收和辐射的综合反映，因此不同地物的光谱不同，区别也较大，但在某些波段上会表现出高度的相似性。地物光谱同样受背景环境、地物的颗粒效应、地物混合、光照条件、光照角度、传感器相应等影像，即使同一类地物光谱的光谱曲线在某些波段也会有较大差异。

针对于地物的光谱的比较，通常需要进行波段的选择，现有波段的选择方式通常存在数据量大，运算时间较长的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于矩阵计算的波段选择、装置、设备及介质，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种基于矩阵计算的波段选择方法，包括：

获取第一地物与第二地物的光谱曲线，将所述光谱曲线中的通道值按照对应波长从小到大的顺序进行排列，得到第一地物数组与第二地物的第二地物数组；

计算所述第一地物数组与所述第二地物数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值作为第一调整因子矩阵；

将所述第二地物数组分别向右侧和左侧平移后，得到右移数组与左移数组，并计算所述第一地物数组分别与所述右移数组和所述左移数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值分别作为第二调整因子矩阵与第三调整因子矩阵；

将所述第一调整因子矩阵、所述第二调整因子矩阵和所述第三调整因子矩阵整合为目标调整因子矩阵；

基于评估函数确定出所述目标调整因子矩阵对应的评估值矩阵，从所述评估值矩阵中确定出所述第一地物与所述第二地物相似度最高和差异最大的波长。

第二方面，本申请还提供了一种基于矩阵计算的波段选择装置，包括：

获取单元，用于获取第一地物与第二地物的光谱曲线，将所述光谱曲线中的通道值按照对应波长从小到大的顺序进行排列，得到第一地物数组与第二地物数组；

第一计算单元，用于计算所述第一地物数组与所述第二地物数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值作为第一调整因子矩阵；

第一平移单元，用于将所述第二地物数组分别向右侧和左侧平移后，得到右移数组与左移数组，并计算所述第一地物数组分别与所述右移数组和所述左移数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值分别作为第二调整因子矩阵与第三调整因子矩阵；

整合单元，用于将所述第一调整因子矩阵、所述第二调整因子矩阵和所述第三调整因子矩阵整合为目标调整因子矩阵；

确定单元，用于基于评估函数确定出所述目标调整因子矩阵对应的评估值矩阵，从所述评估值矩阵中确定出所述第一地物与所述第二地物相似度最高和差异最大的波长。

第三方面，本申请还提供了一种基于矩阵计算的波段选择设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述基于矩阵计算的波段选择方法的步骤。

第四方面，本申请还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于矩阵计算的波段选择方法的步骤。

本发明的有益效果为：

本发明通过对地物的图像进行左移和右移后建立调整因子矩阵，并计算得到评估值矩阵，以及通过矩阵重采样算法能够在较短的时间内准确的确定出地物之间的差异波段以及相似波段。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、和附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中所述的光谱曲线示意图；

图2为本发明实施例中所述的基于矩阵计算的波段选择方法流程示意图；

图3为本发明实施例中所述的最大采样结果示意图；

图4为本发明实施例中所述的最小采样结果示意图；

图5为本发明实施例中所述的基于矩阵计算的波段选择装置结构示意图；

图6为本发明实施例中所述的基于矩阵计算的波段选择设备结构示意图。

图中标记：

100、获取单元；200、第一计算单元；300、第一平移单元；310、第二平移单元；320、第一排列单元；311、第一得到单元；312、第二计算单元；313、第一替代单元；330、第三平移单元；340、第二排列单元；331、第二得到单元；332、第三计算单元；333、第二替换单元；400、整合单元；500、确定单元；510、带入单元；520、第三排列单元；600、运算单元；700、划分单元；800、第一比较单元；900、第一处理单元；1000、第二比较单元；1100、第二处理单元；

80、基于矩阵计算的波段选择设备；81、处理器；82、存储器；83、多媒体组件；84、I/O接口；85、通信组件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：

如图1所示，为地物A与地物B的原始光谱曲线，地物所对应光谱曲线的纵坐标DN值与背景环境、光照角度等因素相关，并不能直接以该数值来衡量地物的岩性，故需要以光谱曲线的形状来衡量地物岩性之间的相似或是差异性。

本实施例提供了一种基于矩阵计算的波段选择方法。

参见图2，图中示出了本方法包括步骤S100、步骤S200、步骤S300、步骤S400和步骤S500。

步骤S100.获取第一地物与第二地物的光谱曲线，将光谱曲线中的通道值按照对应波长从小到大的顺序进行排列，得到第一地物数组与第二地物数组；

具体的，将所比较的两个地物的光谱曲线划分为多个通道，每个通道对应一个波长，通道值即为DN值，将通道值基于所对应的波长进行排列获得对应的地物数组；

第一地物数组为：

第一地物波长矩阵为：ζ

其中，n为第一地物光谱曲线的通道数，a

第二地物数组为：

第二地物波长矩阵为：ζ

其中，n为第二地物光谱曲线的通道数，b

步骤S200.计算第一地物数组与第二地物数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值作为第一调整因子矩阵；

具体的，比值计算公式为：

其中，λ

基于对应通道值的排列顺序将计算得到的比值组成第一调整因子矩阵，第一调整因子矩阵为

步骤S300.将第二地物数组分别向右侧和左侧平移后，得到右移数组与左移数组，并计算第一地物数组分别与右移数组和左移数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值分别作为第二调整因子矩阵与第三调整因子矩阵；

具体的，右侧和左侧分别对应红端和蓝端，右移和左移分别对应红移和蓝移，在第一地物的光谱曲线保持不变的情况下，通过不断左移以及右移第二地物的光谱曲线来进行比对，判断第一地物与第二地物之间存在的差异性或者相似性。

具体的，步骤S300具体包括：

步骤S310.逐次对第二地物数组向右侧平移一个通道，并进行校验处理得到一个右移数组，直到达到预设次数；

具体的，步骤S310具体包括：

步骤S311.将第二地物数组向右侧平移一个通道后，得到初始数组，初始数组从左向右第一通道的通道数值由原先位于该位置的通道数值补充；

具体的，例如当第二地物数组为

步骤S312.将初始数组中每个通道当前所对应的波长与平移前的波长进行差值计算；

步骤S313.当计算得到的差值大于设定阈值时，将该通道所对应的通道数值以未平移前的通道数值进行替代，获得右移数组；

具体的，由于通道所对应波长的划分并不为等距划分，而差异较大的波长间所对应的通道值差异较大，故进行平移后需要比较平移前后的波长差值，当差异较大时，需要用原本的数据进行填充，避免与原本图像形状间差生较大的差异。例如，初始数组为

步骤S320.根据右移通道数量由低到高的顺序，分别计算第一地物数组与所有右移数组的比值，获得的比值作为第二调整因子矩阵；

具体的，分别计算第一地物数组与所有右移数组的比值，并将比值作为第二调整因子矩阵，第二调整因子矩阵可以按照平移通道数量由少到多的顺序，从上到下进行排列，或是从下往上进行排列，当平移预设次数为l次时，对应的第二调整因子矩阵有l行，第二调整因子基于排列顺序有两种表现形式，分别为：

具体的，步骤S300具体包括：

步骤S330.逐次对第二地物数组向左侧平移一个通道，并进行校验处理得到一个左移数组，直到达到预设次数；

步骤S331.将第二地物数组向左侧平移一个通道后，得到初始数组，初始数组从右向左第一通道的通道数值由原先位于该位置的通道数值补充；

具体的，例如当第二地物数组为

步骤S332.将初始数组中每个通道当前所对应的波长与平移前的波长进行差值计算；

步骤S333.当计算得到的差值大于设定阈值时，将该通道所对应的通道数值以未平移前的通道数值进行替代，获得左移数组。

具体的，由于通道所对应波长的划分并不为等距划分，而差异较大的波长间所对应的通道值差异较大，故进行平移后需要比较平移前后的波长差值，当差异较大时，需要用原本的数据进行填充，避免与原本图像形状间差生较大的差异。例如，初始数组为

步骤S340.根据左移通道数量由高到低的顺序，分别计算第一地物数组与所有左移数组的比值，获得的比值作为第三调整因子矩阵；

具体的，第三调整因子矩阵的排列方式与第二调整因子的排列方式相反，即当第二调整因子矩阵是基于移动通道数量的从小到大的顺序由上向下排列时，第三调整因子则需要基于移动通道数量的从小到大的顺序从下往上进行排列，当平移预设次数为l次时，对应的第三调整因子矩阵有l行，第三调整因子矩阵基于排列顺序有两种表现形式，分别为

步骤S400.将第一调整因子矩阵、第二调整因子矩阵和第三调整因子矩阵整合为目标调整因子矩阵；

具体的，目标调整因子矩阵中平移通道越多所距离中间行的距离越远，故目标调整因子矩阵基有两种形式，

步骤S500.基于评估函数确定出目标调整因子矩阵对应的评估值矩阵，从评估值矩阵中确定出第一地物与第二地物相似度最高和差异最大的波长。

具体的，采用评估函数能够对于平移后出现的异常通道值或突变通道值进行一定的抑制减缓，能够更为准确的对第一地物与第二地物的光谱曲线间的相关性或差异性进行评估。

具体的，步骤S500具体包括：

步骤S510.依次将目标调整因子矩阵中的各元素与所对应的平移数组中的数值带入计算表达式，得到计算结果；

具体的，计算公式为：

其中，P

步骤S520.将计算结果基于所对应目标元素的位置进行排列得到评估值矩阵；

具体的，基于计算结果得到的评估值矩阵P为:

从评估值矩阵P中确定出最小值与最大值，分别为P

考虑到，选择单独的一个波长来区分第一地物与第二地物显然不够，需要选择P连续较小的波段即可认为是第一地物与第二地物的相似波段，选择P连续相差较大的波段，则可认为是第一地物与第二地物的差异波段，选择P连续较小或较大的波段可以通过对矩阵P进行重采样计算得到。

重采样计算的具体步骤为：

步骤S600.将评估值矩阵与预先设定的目标矩阵进行卷积运算，得到结果矩阵；

具体的，设置一个由0和1组成的矩阵H，并设置矩阵H的行数和列数，矩阵H一般采用“一字行”和“十字形”，例如一个1行3列的矩阵，H＝[1 1 1]，这是一个“一字行”矩阵；例如一个3行3列的矩阵，

例如：以矩阵H为一个3×3的“十字形”矩阵为例，矩阵P与矩阵H的对应元素相乘如下所示：

步骤S700.基于波长间隙确定采样的矩阵大小，基于矩阵大小将结果矩阵划分为多个采样矩阵；

具体的，采样的矩阵大小一般根据波长间距来设定，波长间距小，则采样矩阵可以设置大一些，波长间距大，采样矩阵可以小一些。

步骤S800.分别获得每个采样矩阵中的初始最大值，并将多个初始最大值进行比较获得目标最大值；

具体的，如图3所示为最大采样示意图，每个采样矩阵中的最大值分别为25、28、46和49，通过比较得到目标最大值为49。

步骤S900.通过目标最大值在结果矩阵中的位置，得到评估值矩阵中的最大值矩阵，最大值矩阵对应的波长范围为第一地物与第二地物的差异波段范围，最大值矩阵为通过卷积计算得到目标最大值的矩阵；

具体的，目标最大值49对应最后一个采样矩阵的最后一个元素，即Z矩阵的最后一个元素，故由哪些波段计算得到Z矩阵中的49，则所对应波长范围为第一地物与第二地物差异较大的波长范围。

考虑到最大值中的46所对应的波长范围也为第一地物与第二地物差异较大的波长范围，故确定出目标最大值后，可以设定阈值范围，当其他的最大值与目标最大值的差值小于设定阈值范围时，可以认为该最大值所对应的波长范围也为第一地物与第二地物差异较大的波长范围。

步骤S1000.分别获得每个采样矩阵中的初始最小值，并将多个初始最小值进行比较获得目标最小值；

具体的，如图4所示为最小采样示意图，每个采样矩阵中的最小值分别为1、5、29和33，通过比较得到目标最小值为1。

步骤S1100.通过目标最小值在结果矩阵中的位置，得到评估值矩阵中的最小值矩阵，最小值矩阵对应的波长范围为第一地物与第二地物的相似波段范围，最小值矩阵为通过卷积计算得到目标最小值的矩阵。

具体的，目标最小值1对应第一个采样矩阵的第一个元素，即Z矩阵的第一个元素，故由哪些波段计算得到Z矩阵中的1，则所对应波长范围为第一地物与第二地物相似度最高的波长范围。

考虑到最大值中的5所对应的波长范围也为第一地物与第二地物相似度较高的波长范围，故确定出目标最小值后，可以设定阈值范围，当其他的最小值与目标最小值的差值小于设定阈值范围时，可以认为该最小值所对应的波长范围也为第一地物与第二地物相似度较高的波长范围。

实施例2：

如图5所示，本实施例提供了一种基于矩阵计算的波段选择装置，装置包括：

获取单元100，用于获取第一地物与第二地物的光谱曲线，将光谱曲线中的通道值按照对应波长从小到大的顺序进行排列，得到第一地物的第一地物数组与第二地物数组；

第一计算单元200，用于计算第一地物数组与第二地物数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值作为第一调整因子矩阵；

第一平移单元300，用于将第二地物数组分别向右侧和左侧平移后，得到右移数组与左移数组，并计算第一地物数组分别与右移数组和左移数组在同一波长下的通道值比值，获得的比值分别作为第二调整因子矩阵与第三调整因子矩阵；

整合单元400，用于将第一调整因子矩阵、第二调整因子矩阵和第三调整因子矩阵整合为目标调整因子矩阵；

确定单元500，用于基于评估函数确定出目标调整因子矩阵对应的评估值矩阵，从评估值矩阵中确定出第一地物与第二地物相似度最高和差异最大的波长。

可选的，第一平移单元300包括：

第二平移单元310，用于逐次对第二地物数组向右侧平移一个通道，并进行校验处理得到一个右移数组，直到达到预设次数；

第一排列单元320，用于根据右移通道数量由低到高的顺序，分别计算所述第一地物数组与所有右移数组的比值，获得的比值作为所述第二调整因子矩阵；

第二平移单元310包括：

第一得到单元311，用于将第二地物数组向右侧平移一个通道后，得到初始数组，初始数组从左向右第一通道的通道数值由原先位于该位置的通道数值补充；

第二计算单元312，用于将初始数组中每个通道当前所对应的波长与平移前的波长进行差值计算；

第一替代单元313，用于当计算得到的差值大于设定阈值时，将该通道所对应的通道数值以未平移前的通道数值进行替代，获得右移数组。

可选的，第一平移单元300还包括：

第三平移单元330，用于逐次对第二地物数组向左侧平移一个通道，并进行校验处理得到一个左移数组，直到达到预设次数；

第二排列单元340，用于根据左移通道数量由高到低的顺序，分别计算所述第一地物数组与所有左移数组的比值，获得的比值作为所述第三调整因子矩阵；

第三平移单元330包括：

第二得到单元331，用于将第二地物数组向左侧平移一个通道后，得到初始数组，初始数组从右向左第一通道的通道数值由原先位于该位置的通道数值补充；

第三计算单元332，用于将初始数组中每个通道当前所对应的波长与平移前的波长进行差值计算；

第二替换单元333，用于当计算得到的差值大于设定阈值时，将该通道所对应的通道数值以未平移前的通道数值进行替代，获得左移数组。

可选的，确定单元500包括：

带入单元510，用于依次将目标调整因子矩阵中的各元素与所对应的平移数组中的数值带入计算表达式，得到计算结果；

第三排列单元520，用于将计算结果基于所对应目标元素的位置进行排列得到评估值矩阵。

可选的，装置包括：

运算单元600，用于将评估值矩阵与预先设定的目标矩阵进行卷积运算，得到结果矩阵；

划分单元700，用于基于波长间隙确定采样的矩阵大小，基于矩阵大小将结果矩阵划分为多个采样矩阵；

第一比较单元800，用于分别获得每个采样矩阵中的初始最大值，并将多个初始最大值进行比较获得目标最大值；

第一处理单元900，用于通过目标最大值在结果矩阵中的位置，得到评估值矩阵中的最大值矩阵，最大值矩阵对应的波长范围为第一地物与第二地物的差异波段范围，最大值矩阵为通过卷积计算得到目标最大值的矩阵。

可选的，装置还包括：

第二比较单元1000，用于分别获得每个采样矩阵中的初始最小值，并将多个初始最小值进行比较获得目标最小值；

第二处理单元1100，用于通过目标最小值在结果矩阵中的位置，得到评估值矩阵中的最小值矩阵，最小值矩阵对应的波长范围为第一地物与第二地物的相似波段范围，最小值矩阵为通过卷积计算得到目标最小值的矩阵。

需要说明的是，关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

实施例3：

相应于上面的方法实施例，本实施例中还提供了一种基于矩阵计算的波段选择设备，下文描述的一种基于矩阵计算的波段选择设备与上文描述的一种基于矩阵计算的波段选择方法可相互对应参照。

图6是根据示例性实施例示出的一种基于矩阵计算的波段选择设备800的框图。如图6所示，该基于矩阵计算的波段选择设备800可以包括：处理器801，存储器802。该基于矩阵计算的波段选择设备800还可以包括多媒体组件803，I/O接口804，和通信组件805中的一者或多者。

其中，处理器801用于控制该基于矩阵计算的波段选择设备800的整体操作，以完成上述的基于矩阵计算的波段选择方法中的全部或部分步骤。存储器802用于存储各种类型的数据以支持在该基于矩阵计算的波段选择设备800的操作，这些数据例如可以包括用于在该基于矩阵计算的波段选择设备800上操作的任何应用程序或方法的指令，和应用程序相关的数据，例如联系人数据、收发的消息、图片、音频、视频等等。该存储器802可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。多媒体组件803可以包括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器802或通过通信组件805发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。I/O接口804为处理器801和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件805用于该基于矩阵计算的波段选择设备800与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(Near FieldCommunication，简称NFC)，2G、3G或4G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件805可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块。

在一示例性实施例中，基于矩阵计算的波段选择设备800可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal ProcessingDevice，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的基于矩阵计算的波段选择方法。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的基于矩阵计算的波段选择方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器802，上述程序指令可由基于矩阵计算的波段选择设备800的处理器801执行以完成上述的基于矩阵计算的波段选择方法。

实施例4：

相应于上面的方法实施例，本实施例中还提供了一种可读存储介质，下文描述的一种可读存储介质与上文描述的一种基于矩阵计算的波段选择方法可相互对应参照。

一种可读存储介质，可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例的基于矩阵计算的波段选择方法的步骤。

该可读存储介质具体可以为U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的可读存储介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。