一种适用于红外光谱数据的光谱平滑方法

1.本发明涉及对地观测技术领域，特别是涉及一种适用于红外光谱数据的光谱平滑方法，对红外光谱数据进行噪声去除，求得更准确的光谱趋势线。


背景技术：

2.红外光谱主要由物质分子振动形成，可准确反映物质成分的吸收特性。利用这个原理，红外光谱技术广泛应用于各种物质识别场景。在对地观测领域红外高光谱遥感技术已应用于包括资源勘查、地表环境监测、大气环境监测等领域，并取得了优异成果。
3.无论是非成像的红外光谱仪，还是红外高光谱成像仪，都具有比较复杂的结构，较长的内部辐射传输光路。受光学、探测器、读出电路等部件的影响，输出的红外光谱数据不可避免地包含了各种不同特性的噪声。目前，用于光谱去噪的方法主要有频率滤波方法和空域滤波方法两大类。这些方法需要人为设定许多参数，在参数设置得当时，都可以取得较好去噪效果。参数设置的准确与否直接影响去噪效果。红外谱段的分子吸收以带吸收为主，吸收宽度较大。基于此，本发明提出了一种采用连续平滑结合光谱相似度约束的适用于红外光谱数据的光谱平滑方法。


技术实现要素：

4.针对现有的技术空白和缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种准确性好、参数易于设置的适用于红外光谱数据去噪方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供的一种适用于红外光谱数据的光谱平滑方法，其特点是：
6.(1)判断红外光谱数据，在光谱维上是否等间隔采样。计算红外光谱数据采样间隔
7.δλk＝λ
k 1-λk8.其中，λk为第k个采样波长，k＝1,2,3,...,nk，nk为采样波长数量；δλk为采样间隔。计算红外光谱数据采样间隔的平均值和标准偏差
[0009][0010][0011]
其中，为采样间隔的平均值，σ
δλ
为标准偏差。如果小于等于0.1则，判定为红外光谱数据为非等间隔采样；
[0012]
(2)如果红外光谱数据为非等间隔采样,则对红外光谱数据进行等间隔重采样。确定红外光谱数据为非等间隔采样时，采用三次拉格朗日插值法，对红外光谱数据进行等间隔重采样，采样间隔为步骤(1)中的采样间隔的平均值；
[0013]
(3)对等间隔采样红外光谱数据进行均值滤波。均值滤波窗口半径设置为1，对等
间隔红外光谱数据做均值滤波
[0014][0015]
其中，sm(λk)为第m次均值滤波得到的光谱数据，s0(λk)为原始红外光谱数据；i的取值规则为，如果k-1＜0，那么i＝1，如果k 1＜nk，那么i＝nk；
[0016]
(4)计算均值滤波前后的光谱相似度。计算方法为
[0017][0018]
(5)判断光谱相似度是否在阈值范围之内。如果δm和阈值t满足δm＞t，在阈值范围之内，则继续做均值滤波，重复步骤(3)和步骤(4)；如果δm和阈值t满足δm≤t，在阈值范围之内，则输出平滑后红外光谱数据sm(λk)。
[0019]
本发明的有益效果如下：通过采用多次连续平滑，判断前后两次平滑光谱的光谱相似度来选择最优光谱数据平滑结果，将窗口尺寸设置替换为误差限的设置，使参数设置简单化。
附图说明
[0020]
图1原始红外光谱数据示例
[0021]
图2本发明方法光谱平滑结果示例
[0022]
图3一种适用于红外光谱数据的光谱平滑方法技术流程图
具体实施方式
[0023]
以下对本发明的实施例做了进一步详细描述，但本实施例并不限于本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0024]
(1)判断红外光谱数据，在光谱维上是否等间隔采样。计算红外光谱数据采样间隔
[0025]
δλk＝λ
k 1-λk[0026]
其中，λk为第k个采样波长，k＝1,2,3,...,nk，nk为采样波长数量；δλk为采样间隔。计算红外光谱数据采样间隔的平均值和标准偏差
[0027][0028][0029]
其中，为采样间隔的平均值，σ
δλ
为标准偏差。如果小于等于0.1则，判定为红外光谱数据为非等间隔采样；
[0030]
(2)如果红外光谱数据为非等间隔采样，则对红外光谱数据进行等间隔重采样。确定红外光谱数据为非等间隔采样时，采用三次拉格朗日插值法，对红外光谱数据进行等间隔重采样，采样间隔为步骤(1)中的采样间隔的平均值；
[0031]
(3)对等间隔采样红外光谱数据进行均值滤波。均值滤波窗口半径设置为1，对等
间隔红外光谱数据做均值滤波
[0032][0033]
其中，sm(λk)为第m次均值滤波得到的光谱数据，s0(λk)为原始红外光谱数据；i的取值规则为，如果k-1＜0，那么i＝1，如果k 1＜nk，那么i＝nk；
[0034]
(4)计算均值滤波前后的光谱相似度。计算方法为
[0035][0036]
(5)判断光谱相似度是否在阈值范围之内。如果δm和阈值t满足δm＞t，在阈值范围之内，则继续做均值滤波，重复步骤(3)和步骤(4)；如果δm和阈值t满足δm≤t，在阈值范围之内，则输出平滑后红外光谱数据sm(λk)。
[0037]
实施例
[0038]
为了验证本发明的效果，选择athis测量得到的红外光谱数据作为处理对象。本实施例的实现方法如前所述，按照以下步骤实现光谱平滑：
[0039]
(1)判断athis红外光谱数据,在光谱维上是否等间隔采样。计算红外光谱数据采样间隔
[0040]
δλk＝λ
k 1-λk[0041]
其中，λk为第k个采样波长，k＝1,2,3,...,nk，nk为采样波长数量，为110；δλk为采样间隔。计算红外光谱数据采样间隔的平均值和标准偏差
[0042][0043][0044]
其中，为采样间隔的平均值，σ
δλ
为标准偏差。athis的值为0.03，小于0.1，判定为红外光谱数据为等间隔采样；
[0045]
(2)对等间隔采样红外光谱数据进行均值滤波。均值滤波窗口半径设置为1，对等间隔红外光谱数据做均值滤波
[0046][0047]
其中，sm(λk)为第m次均值滤波得到的光谱数据，s0(λk)为原始红外光谱数据；i的取值规则为，如果k-1＜0，那么i＝1，如果k 1＜nk，那么i＝nk；
[0048]
(4)计算均值滤波前后的光谱相似度。计算方法为
[0049][0050]
(5)判断光谱相似度是否在阈值范围之内。如果δm和阈值t(0.001)满足δm＞t，在阈值范围之内，则继续做均值滤波，重复步骤(3)和步骤(4)；如果δm和阈值t满足δm≤t，在阈值
范围之内，则输出平滑后红外光谱数据sm(λk)。


技术特征：
1.一种适用于红外光谱数据的光谱平滑方法，其特征在于包括如下步骤：(1)判断红外光谱数据,在光谱维上是否等间隔采样，计算红外光谱数据采样间隔：δλ
k
＝λ
k 1-λ
k
其中，λ
k
为第k个采样波长，k＝1,2,3,...,n
k
，n
k
为采样波长数量；δλ
k
为采样间隔。计算红外光谱数据采样间隔的平均值和标准偏差：红外光谱数据采样间隔的平均值和标准偏差：其中，为采样间隔的平均值，σ
δλ
为标准偏差。如果小于等于0.1则，判定为红外光谱数据为非等间隔采样；(2)如果红外光谱数据为非等间隔采样，则对红外光谱数据进行等间隔重采样，确定红外光谱数据为非等间隔采样时，采用三次拉格朗日插值法，对红外光谱数据进行等间隔重采样，采样间隔为步骤(1)中的采样间隔的平均值；(3)对等间隔采样红外光谱数据进行均值滤波，均值滤波窗口半径设置为1，对等间隔红外光谱数据做均值滤波：其中，s
m
(λ
k
)为第m次均值滤波得到的光谱数据，s0(λ
k
)为原始红外光谱数据；i的取值规则为，如果k-1＜0，那么i＝1，如果k 1＜n
k
，那么i＝n
k
；(4)计算均值滤波前后的光谱相似度，计算方法为：(5)判断光谱相似度是否在阈值范围之内，如果δ
m
和阈值t满足δ
m
＞t，在阈值范围之内，则继续做均值滤波，重复步骤(3)和步骤(4)；如果δ
m
和阈值t满足δ
m
≤t，在阈值范围之内，则输出平滑后红外光谱数据s
m
(λ
k
)。

技术总结
本发明公开一种适用于红外光谱数据的光谱平滑方法，该方法步骤如下：(1)判断红外光谱数据，在光谱维上是否等间隔采样；(2)如果红外光谱数据为非等间隔采样，则对红外光谱数据进行等间隔重采样；(3)对等间隔采样红外光谱数据进行均值滤波；(4)计算均值滤波前后的光谱相似度；(5)判断光谱相似度是否在阈值范围之内。如果不在阈值范围之内，则继续做均值滤波；如果在阈值范围之内，则输出平滑后红外光谱数据。本发明的方法具有准确性好，易操作，参数容易确定等特点。易确定等特点。易确定等特点。


技术研发人员：刘成玉 李春来 金健 徐睿 刘世界 陈小文 金海军 何志平
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2022.08.01
技术公布日：2022/11/11