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基于高光谱图像的矿物种类深度识别方法

随着社会的发展,我国对矿产资源的需求日益增加,如何更加高效地利用矿石,减少加工过程中产生的废料,是当前迫切需要解决的问题。解决这个问题的关键之一是精准地识别矿物,为不同种类、不同大小的矿物选取合适的冶炼方法。随着可见光—近红外光谱技术的发展和传感器精度的提高,一些研究者提出使用高光谱来进行矿物识别。

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1、高光谱图像处理技术

通常情况下,人类可以识别出与红色、蓝色和绿色相关的3个波长区域,而高光谱相机则可以收集整个跨电磁波谱的信息。不同的矿物具有的光谱信息不同,因此可以利用高光谱信息进行矿物的识别。

矿石光谱通常包含一系列特征吸收谱带,在不同的矿物中所提取的特征谱带信息不同。矿物的诊断性吸收特征可以用光谱吸收特征参数表征,如吸收波段波长位置、深度、宽度、对称度、面积等,从这些参数中可以提取各种矿物的定性和定量信息。

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图1 菱镁矿可见光—近红外光谱曲线

2、基于高光谱图像的矿物种类深度识别算法

2.1神经网络模型介绍

CNN的全称是Convolutional Neura lNetworks,即卷积神经网络。考虑到CNN的广泛适用性以及在其他领域的杰出识别表现,选择CNN中的经典Resnet框架对矿物的RGB数据和高光谱数据进行学习训练,比较两者的表示能力。所提方法应用场景如图2所示,对开采出来的矿石进行初步分选之后,考虑到高光谱在矿物识别中的重要作用,利用高光谱相机对矿石进行拍照获取高光谱图像,然后将高光谱数据输入神经网络进行学习训练,实现矿物种类以及大小的分类,有助于后续冶炼方法的选择。

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2 利用高光谱图像和深度学习分类的矿物识别示意

2.2基于高光谱图像的矿物种类深度识别算法

选用了在图像分类领域取得杰出表现的ResNet框架构建矿物识别的深度模型。图3所示为ResNet模型的结构,其输入为矿物图像,经过5层设计好的卷积层后,再经过一个全连接层得到分类概率。

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3 矿物识别模型

3、识别效果分析

3.1基于矿物RGB图像的识别效果分析

为了加快数据的处理速度,选用预训练好的网络模型进行训练,节省了从头开始训练的时间。实验结果表明,利用RGB图像进行识别时,5种矿物的分类准确率为39.52%。这可能是因为矿物的RGB图像中包含的信息不足以判断矿物的种类。

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4利用RGB图像的识别表现

3.2基于矿物高光谱图像的识别效果分析

2两种矿物的实验结果

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189张黄铜矿图像被识别为方铅矿,占测试集比例为0.97%。识别正确的图像共计18898张,识别正确率为97.41%

3 3种不同尺寸矿物的实验结果

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实验测试集合共包含29900张不同粒径的赤铁矿高光谱图像,识别正确的图像共计28326张,识别正确率为94.73%

4、结论

为了筛选出矿物表达能力强的数据,本文比较了矿物的RGB图像和高光谱图像经深度网络学习后的识别结果,发现前者的识别结果仅为39.52%,而基于高光谱图像的识别结果达到了94.7%以上。因此,本文采用的卷积神经网络能有效学习到输入数据的隐藏特征,达到矿物种类分类分级的要求,解决了矿物加工方法选择过程中顾此失彼的问题。矿物RGB的识别表现低下的原因可能是因为RGB图像所携信息较为单一,不足以判断矿物种类,后续关于选矿方法的研究所采用的特征可重点考虑高光谱信息。


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