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spectralMatch

スペクトル ライブラリを使用した未知の領域または物質の識別

    説明

    score = spectralMatch(libData,hcube) は、各ピクセルのスペクトル シグネチャを ECOSTRESS スペクトル ライブラリ libData から読み取ったスペクトル データと照合し、ハイパースペクトル データ キューブ内の領域を識別します。

    score = spectralMatch(libData,reflectance,wavelength) は、reflectance および wavelength として指定された分光反射率値を ECOSTRESS スペクトル ライブラリ libData で入手できる値と照合し、領域または物質を識別します。

    score = spectralMatch(___,Name,Value) は、前の構文の入力引数から成る任意の組み合わせに加えて、1 つ以上の名前と値のペアの引数を使用してオプションを指定します。

    メモ

    この関数には Image Processing Toolbox™ Hyperspectral Imaging Library が必要です。Image Processing Toolbox Hyperspectral Imaging Library はアドオン エクスプローラーからインストールできます。アドオンのインストールの詳細については、アドオンの入手と管理を参照してください。

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    スペクトル マッチング法では、ハイパースペクトル データ キューブ内にある各ピクセルのスペクトル シグネチャを、ECOSTRESS スペクトル ファイルの植生の基準スペクトル シグネチャと比較します。

    ECOSTRESS スペクトル ライブラリから植生のスペクトル シグネチャを読み取ります。

    fileroot = matlabshared.supportpkg.getSupportPackageRoot();
    filename = fullfile(fileroot,'toolbox','images','supportpackages','hyperspectral','hyperdata',...
                   'ECOSTRESSSpectraFiles','vegetation.tree.tsuga.canadensis.vswir.tsca-1-47.ucsb.asd.spectrum.txt');
    libData = readEcostressSig(filename);

    ハイパースペクトル データをワークスペースに読み取ります。

    hcube = hypercube('paviaU.hdr');

    基準スペクトルに対する、ハイパースペクトル データ ピクセルのスペクトルの距離スコアを計算します。

    score = spectralMatch(libData,hcube);

    距離スコアを表示します。距離スコアの小さいピクセルは基準スペクトルと強く一致するため、植生領域に属している可能性が高くなります。

    figure
    imagesc(score)
    colorbar

    植生領域に対応する距離スコアを検出するためのしきい値を定義します。

    threshold = 0.3;

    指定したしきい値未満のスコアを持つピクセルについて、強度値 1 を割り当ててバイナリ イメージを生成します。他の領域には強度値 0 を割り当てます。バイナリ イメージ内の最大強度の領域は、ハイパースペクトル データ キューブ内の植生領域に対応します。

    bw = score < threshold;

    バイナリ イメージ内の最大強度の領域のインデックスを使用して、ハイパースペクトル データ キューブの植生領域をセグメント化します。

    T = reshape(hcube.DataCube,[size(hcube.DataCube,1)*size(hcube.DataCube,2) size(hcube.DataCube,3)]);
    Ts = zeros(size(T));
    Ts(bw == 1,:) = T( bw==1 ,:);
    Ts = reshape(Ts,[size(hcube.DataCube,1) size(hcube.DataCube,2) size(hcube.DataCube,3)]);

    .セグメント化された植生領域のみを含む新しい hypercube オブジェクトを作成します。

    segmentedDataCube = hypercube(Ts,hcube.Wavelength);

    関数 colorize を使用して、元のデータ キューブとセグメント化されたデータ キューブの RGB カラー イメージを推定します。

    rgbImg = colorize(hcube,'Method','rgb','ContrastStretching',true);
    segmentedImg = colorize(segmentedDataCube,'Method','rgb','ContrastStretching',true);

    関数 imoverlay を使用して、元のデータ キューブの RGB バージョンにバイナリ イメージを重ね合わせます。

    B = imoverlay(rgbImg,bw,'Yellow');

    元のデータ キューブとセグメント化されたデータ キューブの RGB カラー イメージ、および重ね合わせたイメージを表示します。セグメント化されたイメージには、元のデータ キューブからセグメント化された植生領域のみが含まれています。

    figure
    montage({rgbImg segmentedImg B},'Size',[1 3])
    title(['Original Image | ' 'Segmented Image | ' 'Overlayed Image'])

    ECOSTRESS スペクトル ライブラリから基準スペクトル シグネチャを読み取ります。このライブラリは、人工物質、土壌、水、植生に属する 15 のスペクトル シグネチャで構成されています。出力は、ECOSTRESS ライブラリ ファイルから読み取ったスペクトル データを格納する構造体配列です。

    fileroot = matlabshared.supportpkg.getSupportPackageRoot();
    dirname = fullfile(fileroot,'toolbox','images','supportpackages','hyperspectral','hyperdata','ECOSTRESSSpectraFiles');
    libData = readEcostressSig(dirname);

    未知の物質の反射率と波長値を含む .mat ファイルをワークスペースに読み込みます。反射率と波長値を合わせてテスト スペクトルが構成されます。

    load spectralData 'reflectance' 'wavelength'

    スペクトル情報発散 (SID) 法を使用して、基準スペクトルとテスト スペクトル間のスペクトルの一致を計算します。関数は、帯域幅がテスト スペクトルと重なり合う基準スペクトルのみの距離スコアを計算します。その他のスペクトルにはすべて警告メッセージが表示されます。

    score = spectralMatch(libData,reflectance,wavelength,'Method','SID');
    Warning: Unable to find overlapping wavelengths between test spectra and library signature number 8
    
    Warning: Unable to find overlapping wavelengths between test spectra and library signature number 9
    
    Warning: Unable to find overlapping wavelengths between test spectra and library signature number 11
    

    テスト スペクトルの距離スコアを表示します。距離スコアの小さいピクセルは基準スペクトルと強く一致します。距離スコア値 NaN は、対応する基準スペクトルとテスト スペクトルが、帯域幅の重なり合いのしきい値を満たしていないことを示します。

    score
    score = 1×15
    
      297.8016  122.5567  203.5864  103.3351  288.7747  275.5321  294.2341       NaN       NaN  290.4887       NaN  299.5762  171.6919   46.2072  176.6637
    
    

    最小の距離スコアと対応するインデックスを求めます。返されたインデックス値は、テスト スペクトルに最も厳密に一致する基準スペクトルを含む構造体配列 libData の行を示します。

    [value,ind] = min(score);

    最小距離スコアのインデックスを使用して一致する基準スペクトルを求め、ECOSTRESS ライブラリ内の一致するスペクトル データの詳細を表示します。結果から、テスト スペクトルが海水のスペクトル シグネチャに最も厳密に一致することが分かります。

    matchingSpectra = libData(ind)
    matchingSpectra = struct with fields:
                         Name: "Sea Foam"
                         Type: "Water"
                        Class: "Sea Water"
                     SubClass: "none"
                 ParticleSize: "Liquid"
                        Genus: [0×0 string]
                      Species: [0×0 string]
                     SampleNo: "seafoam"
                        Owner: "Dept. of Earth and Planetary Science, John Hopkins University"
              WavelengthRange: "TIR"
                       Origin: "JHU IR Spectroscopy Lab."
               CollectionDate: "N/A"
                  Description: "Sea foam water. Original filename FOAM Original ASTER Spectral Library name was jhu.becknic.water.sea.none.liquid.seafoam.spectrum.txt"
                  Measurement: "Directional (10 Degree) Hemispherical Reflectance"
                  FirstColumn: "X"
                 SecondColumn: "Y"
               WavelengthUnit: "micrometer"
                     DataUnit: "Reflectance (percent)"
                  FirstXValue: "14.0112"
                   LastXValue: "2.0795"
              NumberOfXValues: "2110"
        AdditionalInformation: "none"
                   Wavelength: [2110×1 double]
                  Reflectance: [2110×1 double]
    
    

    テスト スペクトルの反射率値および対応する基準スペクトルをプロットします。反射率曲線の形状をプロットして可視化するため、反射率の値を範囲 [0, 1] に再スケーリングし、基準反射率値の合計に一致するようにテスト反射率値を内挿します。

    figure
    testReflectance = rescale(reflectance,0,1);
    refReflectance = rescale(matchingSpectra.Reflectance,0,1);
    testLength = length(testReflectance);
    newLength = length(testReflectance)/length(refReflectance);
    testReflectance = interp1(1:testLength,testReflectance,1:newLength:testLength);
    
    plot(refReflectance)
    hold on
    plot(testReflectance,'r')
    hold off
    legend('Matching reference reflectance','Test reflectance')
    xlabel('Number of samples')
    ylabel('Reflectance value')

    入力引数

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    ECOSTRESS ファイルのスペクトル データ。1 行 K 列の構造体配列として返されます。K は関数が読み取ったスペクトル ファイルの数です。構造体配列の各要素には、スペクトル ファイルのヘッダー情報を格納する 24 個のフィールドがあります。

    フィールド名説明
    Name測定したサンプルまたは物質の名前
    Typeサンプル のタイプ。"mineral""rock""tree"、または "manmade" など。
    Class

    サンプル タイプのクラス

    たとえば、サンプル タイプが "mineral" の場合、クラスは "native elements""silicates""oxides""sulfides""sulfates""halides""carbonates""phosphates"、または "mineraloids" になります。

    SubClass

    サンプル タイプのサブクラス

    Type 値が "mineral""rock""manmade""soil""lunar"、または "meteorite" でない場合、このフィールドには空の配列または "none" が格納されます。

    ParticleSize

    サンプル タイプの粒子径

    Type 値が "mineral""rock" "manmade""soil""lunar"、または "meteorite" でない場合、このフィールドには空の配列が格納されます。

    Genus

    サンプルの属

    Type 値が "vegetation" または "nonphotosynthetic" でない場合、このフィールドには空の配列が格納されます。

    Species

    サンプルの種

    Type 値が "vegetation" または "nonphotosynthetic" でない場合、このフィールドには空の配列が格納されます。

    SampleNo

    サンプル番号

    この値は関連するサンプルの識別子です。

    Ownerサンプルの所有者
    WavelengthRange

    測定したサンプルの波長範囲

    この値は "All""TIR"、または "VSWIR" でなければなりません。

    Originデータの取得元となった場所
    CollectionDate

    サンプルを収集した日付

    この値は mm/dd/yy 形式です。

    Description

    測定したサンプルの説明

    このフィールドはサンプルの特徴に関する追加情報を提供します。

    Measurementサンプルの測定に使用したスペクトル測定モード
    FirstColumnスペクトル ファイルにあるデータ値の先頭列
    SecondColumnスペクトル ファイルにあるデータ値の 2 番目の列
    WavelengthUnit

    サンプルのスペクトル波長の測定単位

    どのサンプル タイプの値も "micrometer" です。このフィールドは、ECOSTRESS スペクトル ファイルのヘッダー データの X Units フィールドに対応します。

    DataUnit

    スペクトル測定モードの単位

    スペクトル測定モードには、反射率、透過率、透過度、伝達率などがあります。単位はパーセントです。このフィールドは、ECOSTRESS スペクトル ファイルのヘッダー データの Y Units フィールドに対応します。

    FirstXValueスペクトル ファイルのデータ値の先頭列にある最初の値
    LastXValueスペクトル ファイルのデータ値の先頭列にある最後の値
    NumberofXValuesスペクトル ファイルの先頭列にあるデータ値の総数
    AdditionalInformation

    サンプルに関する追加情報

    このフィールドにはスペクトル データには含まれない情報が格納されます。

    Wavelength反射率を測定した波長値
    Reflectance各波長で測定された反射率値

    入力ハイパースペクトル データ。hypercube オブジェクトとして指定します。hypercube オブジェクトの DataCube プロパティにはハイパースペクトル データ キューブが格納されます。

    反射率値。C 要素ベクトルとして指定します。C は反射率値を測定した波長の数です。

    波長値。C 要素ベクトルとして指定します。C は反射率値を測定した波長の数です。

    名前と値のペアの引数

    オプションの引数 Name,Value のコンマ区切りペアを指定します。Name は引数名で、Value は対応する値です。Name は引用符で囲まなければなりません。Name1,Value1,...,NameN,ValueN のように、複数の名前と値のペアの引数を、任意の順番で指定できます。

    例: spectralMatch(libData,hcube,'MinBandWidth',0.5)

    スペクトル マッチング法。'Method' と次の値のいずれかで構成されるコンマ区切りのペアとして指定します。

    • 'sam' — スペクトル角マッパー (SAM) 法。2 つのスペクトル間の角距離を計算して、それらの類似度を評価します。

    • 'sid' — スペクトル情報発散 (SID) 法。2 つのスペクトルの確率分布値の差を計算して、それらの類似度を評価します。

    データ型: char | string

    帯域幅の重複部分の最小値。'MinBandWidth' と正のスカラー (ナノメートル単位) から構成されるコンマ区切りのペアとして指定します。基準スペクトルとテスト スペクトルの帯域幅の重複部分は次のように定義されます。

    BWoverlap = Wmax − Wmin

    Wmin は、基準スペクトルおよびテスト スペクトルの最小波長の最大値です。

    Wmax は、基準スペクトルおよびテスト スペクトルの最大波長の最大値です。

    引数 'MinBandWidth' は、テスト物質のスペクトル値と ECOSTRESS スペクトル データの間の帯域幅の重複部分の最小期待値を定義します。

    データ型: single | double | int8 | int16 | int32 | int64 | uint8 | uint16 | uint32 | uint64

    出力引数

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    距離スコア。3 次元数値配列、行列、K 要素の列ベクトル、またはスカラーとして返されます。出力スコアの次元は、libData の次元、およびテスト データが hypercube オブジェクトであるか wavelengthreflectance のペアであるかによって異なります。

    テスト スペクトル シグネチャが hypercube オブジェクトとして指定された場合、hcube およびデータ キューブのサイズは M x N x C となります。

    入力引数の次元 (libData)出力の次元 (score)
    1 行 K 列。K 個のスペクトル ファイルから読み取った K 個の基準シグネチャを含む

    サイズが M x N x K の 3 次元数値配列。K 個の基準シグネチャを基準とするピクセルごとの距離スコアを含む

    K の各チャネルの値は、libData の対応する行のスペクトル データを基準とする、ピクセルごとのスペクトルの距離スコアです。同様に、2 番目のチャネルの値は libData の 2 番目の行のスペクトル データに関連しています。

    1 行 1 列。1 つのスペクトル ファイル (K = 1) から読み取った基準シグネチャを含むサイズが M 行 N 列の行列。基準シグネチャを基準とするピクセルごとのスペクトルの距離スコアを含む。

    テスト スペクトル シグネチャが reflectance および wavelength の値で指定された場合は、次のようになります。

    入力引数の次元 (libData)出力の次元 (score)
    1 行 K 列。K 個のスペクトル ファイルから読み取った K 個の基準シグネチャを含むK 要素のベクトル。K 個の基準シグネチャを基準とするテスト スペクトルの距離スコアを含む。このベクトルの各要素は、libData の対応する行のスペクトル データを基準とする、テスト反射率値の距離スコアです。
    1 行 1 列。1 つのスペクトル ファイル (K = 1) から読み取った基準シグネチャを含むスカラー

    データ型: double

    R2020a で導入