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高光譜圖像對礦產資源種類的深度識別方法

萊森光學 ? 來源: 萊森光學 ? 作者: 萊森光學 ? 2023-09-06 17:47 ? 次閱讀

隨著社會的發展,我國對礦產資源的需求日益增加,如何更加高效地利用礦石,減少加工過程中產生的廢料,是當前迫切需要解決的問題。解決這個問題的關鍵之一是精準地識別礦物,為不同種類、不同大小的礦物選取合適的冶煉方法。隨著可見光—近紅外光譜技術的發展和傳感器精度的提高,一些研究者提出使用高光譜來進行礦物識別。

高光譜圖像處理技術

通常情況下,人類可以識別出與紅色、藍色和綠色相關的3個波長區域,而高光譜相機則可以收集整個跨電磁波譜的信息。不同的礦物具有的光譜信息不同,因此可以利用高光譜信息進行礦物的識別。

礦石光譜通常包含一系列特征吸收譜帶,在不同的礦物中所提取的特征譜帶信息不同。礦物的診斷性吸收特征可以用光譜吸收特征參數表征,如吸收波段波長位置、深度、寬度、對稱度、面積等,從這些參數中可以提取各種礦物的定性和定量信息。

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圖1 菱鎂礦可見光—近紅外光譜曲線

2、基于高光譜圖像的礦物種類深度識別算法

2.1神經網絡模型介紹

CNN的全稱是Convolutional Neura lNetworks,即卷積神經網絡。考慮到CNN的廣泛適用性以及在其他領域的杰出識別表現,選擇CNN中的經典Resnet框架對礦物的RGB數據和高光譜數據進行學習訓練,比較兩者的表示能力。所提方法應用場景如圖2所示,對開采出來的礦石進行初步分選之后,考慮到高光譜在礦物識別中的重要作用,利用高光譜相機對礦石進行拍照獲取高光譜圖像,然后將高光譜數據輸入神經網絡進行學習訓練,實現礦物種類以及大小的分類,有助于后續冶煉方法的選擇。

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圖2 利用高光譜圖像和深度學習分類的礦物識別示意

2.2基于高光譜圖像的礦物種類深度識別算法

選用了在圖像分類領域取得杰出表現的ResNet框架構建礦物識別的深度模型。圖3所示為ResNet模型的結構,其輸入為礦物圖像,經過5層設計好的卷積層后,再經過一個全連接層得到分類概率。

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圖3 礦物識別模型

3、識別效果分析

3.1基于礦物RGB圖像的識別效果分析

為了加快數據的處理速度,選用預訓練好的網絡模型進行訓練,節省了從頭開始訓練的時間。實驗結果表明,利用RGB圖像進行識別時,5種礦物的分類準確率為39.52%。這可能是因為礦物的RGB圖像中包含的信息不足以判斷礦物的種類。

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圖4利用RGB圖像的識別表現

3.2基于礦物高光譜圖像的識別效果分析

表2兩種礦物的實驗結果

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189張黃銅礦圖像被識別為方鉛礦,占測試集比例為0.97%。識別正確的圖像共計18898張,識別正確率為97.41%。

表3 3種不同尺寸礦物的實驗結果

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實驗測試集合共包含29900張不同粒徑的赤鐵礦高光譜圖像,識別正確的圖像共計28326張,識別正確率為94.73%。

4、結論

為了篩選出礦物表達能力強的數據,本文比較了礦物的RGB圖像和高光譜圖像經深度網絡學習后的識別結果,發現前者的識別結果僅為39.52%,而基于高光譜圖像的識別結果達到了94.7%以上。因此,本文采用的卷積神經網絡能有效學習到輸入數據的隱藏特征,達到礦物種類分類分級的要求,解決了礦物加工方法選擇過程中顧此失彼的問題。礦物RGB的識別表現低下的原因可能是因為RGB圖像所攜信息較為單一,不足以判斷礦物種類,后續關于選礦方法的研究所采用的特征可重點考慮高光譜信息。

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審核編輯 黃宇

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