3D卷积自动编码网络的高光谱异常检测

作     者：王盛铭 王涛 唐圣金 苏延召 WANG Sheng-ming;WANG Tao;TANG Sheng-jin;SU Yan-zhao

作者机构：火箭军工程大学作战保障学院陕西西安710025 火箭军工程大学导弹工程学院陕西西安710025 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2022年第42卷第4期

页      面：1270-1277页

核心收录：

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081002[工学-信号与信息处理] 

基　　金：国家自然科学基金项目(61873175) 国家自然科学基金青年科学基金项目(61703410)资助 

主　　题：高光谱 异常检测 3D卷积 自动编码器 马氏距离 

摘      要：高光谱图像包含丰富的地物光谱信息,在遥感图像领域有着巨大的发展前景。高光谱图像异常检测无需任何先验光谱信息,便可检测出图像中的异常目标。因此,在国防军事和民用领域都有广泛的应用,是现阶段高光谱图像处理领域的研究热点。然而,高光谱图像存在数据复杂、冗余性强、未标记以及样本数量少等特点,这给高光谱图像异常检测带来了很大的挑战。尤其是在深度学习中,往往需要大量的图像数据作为训练样本,这对高光谱图像来说很难获得。针对现有大多数算法对高光谱图像自适应性不强和空间-光谱信息利用不足的问题,提出一种基于3D卷积自动编码网络的高光谱异常检测算法,可以在少量训练数据的前提下,有效利用高光谱图像信息,学习更加有判别性的特征表达,提高检测精度。首先,通过3D卷积、 3D池化和3D归一化等步骤设计3D卷积网络,进而提取高光谱图像的空间-光谱结构特征。然后,将3D卷积网络和3D反卷积网络分别嵌入自动编码网络的编码器和解码器,通过最小化结合均方差和光谱角距离的重构误差进行背景重构。最后,利用原始高光谱图像待测像元与重构的背景图像之间的马氏距离进行异常检测。该算法可以在无先验信息的情况下,自动训练网络中的所有参数,以无监督的方式学习高光谱图像的有效特征并进行背景重构。为证明算法的有效性,利用截取来自三组真实高光谱数据集的九个图像进行异常检测,并与RX,SRX,CRD,UNRS和LRASR五种算法进行对比。结果表明,与现有的其他算法相比,该算法可以在复杂程度不同的高光谱图像背景下可以保持较高的检测效果和准确率。