可见光—近红外光谱矿物信息提取预处理技术

摘 要：地物光谱特征研究是高光谱图像处理的基础，受观测环境的影响，野外测量的光谱数据中包含有噪声，不利于光谱矿物信息提取工作的进行。本文从光谱矿物信息提取的角度出发，探讨出一套光谱数据预处理流程。比较了小波降噪和Savitzky-Golay降噪的优缺点，实验表明，Savitzky-Golay方法更适合光谱降噪处理。在实际应用中，发现当前常用包络线算法存在一些局限性，在此基础上提出了一种改进的包络线算法。

关键词：光谱数据预处理 光谱降噪 包络线算法

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0004-03

Abstract： Research on spectral characteristics was the basis of hyperspectral image processing， due to the influence of the environment， spectral data contained the noisy， it was not conducive to the work of spectral minerals information extraction. From the viewpoint of spectrum minerals information extraction， this paper discussed a set of spectral data pretreatment process. Compared the advantages and disadvantages of the wavelet and Savitzky - Golay noise reduction， and experiments showed that the Savitzky - Golay method was more suitable for spectrum noise reduction processing. In practice， found the current commonly envelope algorithm had some limitations， on this basis， gave out an improved envelope algorithm.

Key Words：Spectral Data Preprocessing； Noise Reduction；Envelope Algorithm

地物波谱技术地质行业中的应用，起源于20世纪60年代[1]。物质对电磁波辐射能量的吸收引发离子能级的跃迁，从而产生光谱吸收特征，不同岩石矿物组成不同，而矿物是由金属阳离子和阴离子基团组合而成，这就为利用地物波谱技术提取识别岩石矿物提供了理论依据。然而，实际测量中所处的环境条件较为复杂，除仪器噪声和大气水汽吸收的影响外，岩石的风化程度以及岩石和周围土壤中有机质产生的光谱“淬火效应”[2～3]，都对光谱吸收和反射强度具有一定强度的压抑。因此，须要对测量光谱进行预处理，达到消除仪器噪声、水汽吸收和特征增强的目的，为岩石矿物信息提取提供高质量的数据源。

1 光谱预处理技术

1.1 光谱绝对反射率转换

常用的野外地物光谱仪（如ASD，HR-768）输出的地物光谱数据为相对反射率数据，而进行岩矿蚀变信息提取与分析时，常用USGS参考光谱库中的数据为绝对反射率数据。

1.2 光谱噪声去除

常用的地物光谱噪声去除方法有：小波变换[4]、傅里叶变换、Savitzky-Golay等，在此，对常用的小波变换和Savitzky-Golay方法进行对比分析。

小波变换是一种新型的信号处理方法，可以将信息在时间域和频率域进行处理[5～6]，对含有噪声的数据逐级分解从而达到分离噪声的目的，被誉为数学上的显微镜。

小波变换对变化幅度不大，上下摆动不剧烈的数据，小波变换能较好地去除毛刺现象，使数据细微处变得平滑的基础上更多地保存了原光谱信息。但对上下摆动幅度大的数据，小波变换基本上保留了其数据，降噪效果不理想（图1）。

Savitzky-Golay平滑是一种优秀的噪声处理方法，根据最小二乘法原理采用多项式近似法，通过对数据作平均化计算，使误差重新分配，达到降低数据噪声的目的[4]。其特点是需要选择不同的奇数平滑级数。以5点为例说明其处理过程：

取第1～5数据点的反射率平均值作为第3个点反射率；取第2～6数据点的反射率平均值作为第4个点的反射率；取第3～7数据点反射率平均值作为第5个点的反射率；依次类推······

实验表明，Savitzky-Golay方法光谱平滑方法较大程度的抑制了光谱噪声，特别是对仪器噪声有较好的降噪效果，很好地保存了光谱整体形态（图2）。这种方法将光谱各数据点处于同一置信水平进行处理，并不考虑吸收峰与吸收谷处数据点的差别。这种平滑方法对系统和环境噪声较为敏感，对其有很好地抑制作用，所取级数愈高，信噪比的改善程度逾大，但光谱特征峰变形也愈严重，峰值位移也愈大，一定程度上降低了光谱分辨率。因此，选择适当的平滑级数优为重要。此外，对数据进行重采样，相对提高光谱分辨率，在减少噪声的同时可以最大可能地保留有用信息。

1.5 包络线去除归一化

由于矿物信息在光谱曲线中属于弱信息，许多矿物光谱特征波段较为集中，直接从中提取矿物光谱特征不便于计算与区分，需要对光谱曲线进行处理以突出光谱的吸收特征。包络线去除是一种比较常见、有效的光谱特征增强处理方法，将光谱反射率归一化到0～1.0，光谱的吸收特征也归一到一个一致的光谱背景上，有利于和其它光谱曲线进行特征参数值的比较。

常用包络线算法存在一定缺陷：容易造成包络线节点选取的遗漏或错误；没有考虑首尾两点附近的点是否为包络线节点，容易造成首尾处的包络线与曲线交叉（见图4）；未考虑极值点之间还有包络线节点的情况，容易漏点，造成包络线与光谱曲线相交的情况出现（图4点p）。

2 结论

光谱数据预处理为光谱矿物信息提取提供可靠的、高质量的数据源，是提取信息准确性的有利保障。本文详细论述了一套光谱数据处理流程，包括数据标准化、数据噪声去除、包络线归一化。实验表明，Savitzky-Golay方法其算法简单易用，对光谱噪声的抑制效果好于小波变换。针对常用包络线算法的一些缺陷，提出了一种改进的包络线算法，在实际应用中取得了较好的效果。

参考文献

[1] 修连存，郑志忠，郑志忠，等.近红外光谱分析技术在蚀变矿物鉴定中的应用[J].地质学报，2007，81（11）：1586-1590.

[2] JOHNSON Y V，FANALE F P.Optical properties of carbonaceous chndrites ad their relationship to asteroid[J].J Geophys Res，1973，78：8507-8518.

[3] CLARK R N.Spectral propertyes of mixtures of Montm orillonite and Dark Carbon Grains： Implications for remote sensing minerals containing chemically and physically absorbed waters[J].J Geophys Res，1983，88：10635-10644.

[4] 郭媛，赵学玒，张锐，等.小波变换应用于谐波谱线的噪声滤除与基线校正[J].光谱学与光谱分析，2013，33（8）：2172-2176.

[5] 刘建学.实用近红外光谱分析技术[M].北京：科学出版社，2008.

[6] 宗靖国，秦翰林，何国经，等.非下采样小波变换红外光谱数据去噪[J].强激光与粒子束，2013，25（5）：1105-1109.

[7] 杨国防.岩芯光谱测量与蚀变矿物信息提取[D].江西抚州：东华理工大学，2012.