干涉型成像光谱仪仿真及评价系统的实现

　　0　引　言

　　成像光谱仪是新一代“图谱合一”的光学遥感仪器,它具有获取目标详细光谱数据的能力。它集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一 体,是当今国际遥感观测领域的一个热门课题,在军事侦查、城市规划、农业调查、资源调查、环境监测、海岸管理、宇宙研究等众多军民应用领域具有广泛的应用 前景和很高的使用价值。

　　为了配合我国遥感资源卫星上高光谱成像仪的数据处理,实现辐射度定标、滤波、切趾、相位修正、逆Fourier变换等处理,需要对各种处理算法 的性能作出评价,因此迫切需要一个量化的评价标准,来对光谱数据立方体重建质量作出评价。归一化互相关系数法具有算法简单,抗白噪声干扰能力强的优点。针 对星载的干涉型成像光谱仪(imaging interferometer)我们提出了一种基于归一化互相关系数(normalized cross correlation coeffi-cient)的光谱数据立方体重建质量的量化评价方法:通过计算原始光谱数据立方体与重建光谱立方体每一个对应像素光谱曲线的归一化互相关 系数,经过简单或加权相加再平均,就可以得到两个光谱数据立方体相似度的一个评价指数。利用这个指数我们就可以在特定条件下,评价各种处理算法的效果。

　　为了验证这一方法,我们以工程化的要求作为仿真背景条件,建立了一个通用仿真系统。通过仿真,证实了基于归一化互相关系数的成像光谱仪数据立方体重建质量量化评价方法是可靠的、可行的。

　　1　样本相似性度量原理

　　样本相似性的大小可用夹角余弦和相关系数等来表示。设两样本A、B分别为两个光谱数据立方体对应像素的光谱曲线,光谱波段为n,即A =A(x1,x2,x3,…,xn),B = B(y1,y2,y3,…,yn),则夹角余弦是两样本在模式空间中构成的矢量间的夹角的余弦,定义为

　　显然,夹角越小,两样本在模式空间中就靠得越近,相似性就越大,如在进行两谱图比较时,若两谱图完全相同,则cosαA,B=1,αA,B=0,在模式空间中两样本聚为一点;完全不同时,cosαA,B=0,两样本在模式空间中完全分开。

　　两样本的相关系数定义为

　　式中x,y分别为A,B两样本中光谱相对功率谱的平均值。ρ越接近于1,则越相似;越接近于0,则相异性越大。相关系数法,强调了数值涨落的比较,从比对效果来看,他略高于夹角余弦。借助于夹角余弦和相关系数,均可对比两个光谱数据立方体对应像素光谱曲线的相似性。

　　计算出每一个对应像素的相关系数后,可以采用简单相加平均得到两个光谱数据立方体相似度指数,也可以对图像关键区域像素的相关系数加权再平均得到两个光谱数据立方体相似度指数。