سنجش از دور است که امروزه به‌طور گسترده مورد توجه محققین و همچنین کاربران در حوزه‌های متنوع کاربردی (اعم از نظامی و غیرنظامی) قرار گرفته است. ویژگی برتر سنجنده‎های تصویربرداری فراطیفی که غالباً هوابرد هستند، توانایی سیستم نوری آن‌ها در تفکیک پرتوهای بازتابیده یا گسیل یافته از عوارض سطح زمین به محدوده‌های پیوسته‌ی بسیار جزئی، معمولاً بین 100 تا 300 باند طیفی با پهنای باندی بین10 تا 20 نانومتر است. لذا، در تصاویر فراطیفی امکان آشکارسازی و تشخیص اهداف بر اساس مشخصه‌های طیفی نادر و کمیاب آن‌ها بسیار بالا است.

در دو دهه اخیر در سطح کشور تحقیقات متعددی در حوزه‌های مختلف سنجش از دور فراطیفی (عمدتاً در قالب پایان نامه‌ها و رساله‌های دانشگاهی) انجام شده است؛ لیکن متأسفانه به دلیل عدم امکان تهیه سنجنده‌های تصویربرداری فراطیفی، استفاده چندانی از این فناوری پیشرفته در حوزه‌های کاربردی به‌ویژه در بخش آشکارسازی هدف صورت نگرفته، که امید است با رفع تحریم‌ها به زودی شاهد بهره‌مندی گسترده از آن باشیم.

دلیل اصلی نگارش کتاب حاضر، فقدان یک کتاب مرجع در حوزه آشکارسازی هدف و نیاز دانشجویان به‌ویژه در رشته‌های سنجش از دور و پدافند غیرعامل (گرایش CCD) و نیز محققین و کارشناسان در حوزه‌های کاربردی (نظامی و غیرنظامی) بوده است. بر این اساس، نویسنده تلاش نموده تا علاوه بر ارائه مبانی و مفاهیم پایه، نتایج تحقیقات جدید منتشر شده و نیز نتایج تحقیقات بیش از یک دهه اخیر خود را در این کتاب ارائه نماید.

پیشگفتار 13

فهرست علائم اختصاری 15

فصل اول: سنجش از دور فراطیفی 19

1-1. مقدمه 19

1-2. طیف الکترومغناطیس 21

1-3. اثرات اتمسفر 23

1-4. برهم‌کنش انرژی الکترومغناطیس با عوارض 26

1-5. سنجنده‌های فراطیفی 31

1-5-1. شیوه عملکرد 31

1-5-2. جنس آشکارسازها 34

1-5-3. توان تفکیک طیفی و رادیومتریک 35

1-5-4. توان تفکیک مکانی 36

1-5-5. سنجنده‌های فراطیفی هوابرد 39

1-5-6. سنجنده‌های فراطیفی ماهواره‌ای 41

1-5-7. طیف‌سنج‌های میدانی 42

1-6. مدل فیزیکی انتقال تابش 44

1-7. سطح کیفی تصاویر فراطیفی 47

1-8. پیش‌پردازش تصاویر فراطیفی 50

1-9. استخراج اطلاعات از تصاویر فراطیفی 53

1-10. پیامدهای ابعاد بالا 58

فصل دوم: مبانی آشکارسازی هدف 65

2-1. رویکردهای آشکارسازی هدف 65

2-2. مسئله عمومی آشکارسازی هدف 70

2-3. پیش‌پردازش‌های تشخیص هدف 76

2-3-1. تصحیح اتمسفری 76

2-3-2. حذف باندهای نویزی 79

2-3-3. نرمال‌سازی داده‌ها 79

2-3-4. سفید کردن داده‌ها 80

2-4. ارزیابی کارایی الگوریتم‌های آشکارسازی هدف 81

2-5. مجموعه داده‌‌های فراطیفی قابل‌استفاده 86

2-5-1. مجموعه داده‌ TDBT 87

2-5-2. تصاویر Hyperion 91

2-5-3. تصاویر AVIRIS 94

2-5-4. تصویر فراطیفی حرارتی Hyper-Cam 95

2-5-5. مجموعه داده FOI 97

2-6. تولید اهداف مصنوعی در تصاویر فراطیفی 98

2-6-1. روش کاشت هدف 98

2-6-2. روش تفریق ویژگی‌های جفت پیکسل 103

2-6-3. روش فیزیک پایه 104

2-7. نرم‌افزارهای قابل‌دسترس 105

2-7-1. نرم‌افزارهای عمومی سنجش از دور 106

2-7-2. نرم‌افزار برنامه‌نویسی Matlab 107

فصل سوم: کاهش ابعاد 109

3-1. تفسیر مسئله ابعاد بالا با اصل لانه و کبوتر 109

3-2. رویکردهای کاهش ابعاد 112

3-3. انتخاب ویژگی 113

3-3-1. روش فیلتری (بدون نظارت) 114

3-3-2. روش پوششی (نیمه نظارت) 118

3-4. روش‌های جستجو 119

3-4-1. جستجوی سرتاسری 119

3-4-2. روش‌های جستجوی ابتکاری 120

3-4-3. روش‌های جستجوی تصادفی 121

3-5. روش‌های متداول استخراج ویژگی 131

3-5-2. تبدیل SVD 137

3-5-3. تبدیلMNF 138

3-5-4. تبدیل OSP 140

3-5-5. تبدیل ICA 140

3-5-6. تبدیل گسسته موجک 141

3-6. روش‌های کرنلی استخراج ویژگی 142

3-6-1. تئوری کرنل 142

3-6-2. تبدیل کرنلی PCA 148

3-7. روش خود رمزگذار (AE) 150

فصل چهارم: آشکارسازی ناهنجاری 155

4-1. الگوریتم RX 155

4-2. مشکلات RX محلی و روش‌های رفع آن‌ها 157

4-2-1. مشکلات RX محلی 158

4-2-2. رفع مشکل ناپایداری ماتریس کواریانس 161

4-2-3. رفع مشکل ناهمگنی محلی 163

4-2-4. رفع مشکل آلودگی هدف 167

4-3. نسخه کرنلی (غیرخطی) RX 167

4-4. آشکارسازی ناهنجاری از طریق SVDD 172

4-4-1. الگوریتم SVDD 172

4-4-2. نسخه کرنلی SVDD 177

4-4-3. تنظیم کرنل گوسی برای SVDD 180

4-5. الگوریتم‌های ابتکاری جدید 188

4-5-1. الگوریتم تک باند (SBAD) 188

4-5-2. الگوریتم CRD 193

4-5-3. الگوریتم 2DCAD 195

فصل پنجم: تشخیص هدف 199

5-1. رویکردهای تشخیص هدف 200

5-1-1. بر مبنای تصحیح اتمسفری 200

5-1-2. بر مبنای آزمون فرضیه 202

5-1-3. بر مبنای عدم آزمون فرضیه 204

5-2. سامانه عملیاتی تشخیص هدف 205

5-3. فیلتر تطبیقی 207

5-4. الگوریتم‌های متداول 210

5-4-1. الگوریتم SAM 210

5-4-2. الگوریتم ACE 212

5-4-3. الگوریتم  OSP 214

5-4-4. الگوریتم ASD 215

5-4-5. الگوریتم CEM 216

5-5. مشکل عدم مطابقت امضای طیفی هدف 217

5-6. روش‌های کاهش هشدار اشتباه 220

5-6-1. فیلتر تطبیقی مبتنی بر FAM 221

5-6-2. الگوریتم MTMF 222

5-7. تشخیص هدف از طریق SVDD 224

5-8. تشخیص هدف بر مبنای کاهش ابعاد 228

5-8-1. تشخیص هدف بر مبنای انتخاب خودکار باند 228

5-8-2. تشخیص هدف بر مبنای استخراج خودکار ویژگی 233

5-8-3. تشخیص هدف بر مبنای حذف باندهای نامناسب 237

مراجع 243

نمایه 251