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基于全变差与低秩分解的高光谱图像复原

基于全变差与低秩分解的高光谱图像复原

作者：曾海金西北农林科技大学

学位级别：硕士

高光谱图像可以提供同一场景中数百个连续波段的光谱信息,在农业、军事、地理和环境等诸多研究领域被广泛应用。近年来,它们在遥感领域引起了学者们极大的研究兴趣。但受观察条件和传感器的限制,高光谱成像仪采集到的高光谱图像通常会... 详细信息

高光谱图像可以提供同一场景中数百个连续波段的光谱信息,在农业、军事、地理和环境等诸多研究领域被广泛应用。近年来,它们在遥感领域引起了学者们极大的研究兴趣。但受观察条件和传感器的限制,高光谱成像仪采集到的高光谱图像通常会受到各种噪声的污染,例如高斯噪声、条带、死线和脉冲噪声等。这些噪声严重降低了高光谱图像的质量,进而影响后续特征分类、目标检测、解混等处理和应用的精度。因此,为了克服噪声污染问题,我们需要从数据的角度,对原始高光谱图像进行预处理,以提升数据的质量,为后续应用提供数据质量保障。本文首先回顾了高光谱图像去噪的国内外研究现状,并从现有的研究出发,总结和分析了各类方法的机理、优点和局限性,包括基于自然图像的高光谱去噪技术、矩阵去噪技术、张量去噪技术、基于深度学习的高光谱去噪方法。然后,归纳出了目前高光谱图像去噪领域亟待解决的几个问题。针对这些高光谱去噪难题,本文结合数学理论和高光谱图像的实际物理结构,在现有最新技术的基础上,提出了基于低秩理论、正则化方法和深度学习技术的高光谱图像去噪方法。主要研究内容如下:(1)针对高光谱图像去噪问题,基于2-D全变差正则化的低秩模型,是消除混合噪声的经典方法。一般地,低秩矩阵的秩通过核范数进行近似,而核范数则通过将所有奇异值相加来定义,这本质上是奇异值的L-范数,因此会导致不可忽略的近似误差,进而使得所估计出的矩阵可能会出明显偏差。此外,基于2-D全变差的方法仅以独立的方式探索各波段的空间信息,未考虑光谱维度的相关性。针对上述难题,本文首次提出了一种全新的空-谱全变差正则化的非凸局部低秩矩阵复原方法,以消除高光谱图像中的混合噪声。一方面,由于非独立同分布的噪声和异常值的存在,真实的高光谱图像数据在全局范围内并不是理想低秩的,但清晰的高光谱图像数据仍具有其潜在的局部低秩属性。根据这一事实,我们利用一种全新的L范数来表示局部低秩先验。另一方面,针对高光谱图像在全局空间和光谱域中的分段平滑结构,为了克服传统的逐波段全变差的缺点,本文使用3-D空-谱全变差正则化以同时探索全局的空间和光谱平滑结构。在模拟和真实高光谱图像数据集上的实验结果表明,联合使用局部低秩矩阵和全局空-谱全变差有利于保留局部细节和整体结构信息。(2)针对高光谱图像复原任务,近年来,主要的方法可分为模型驱动的无监督方法和数据驱动的深度学习方法这两大类。基于模型的方法针对某些高光谱任务有效,但是此类技术依赖的手动设计的正则项大多数无法完全反映真实数据中的复杂结构。另一方面,数据驱动的方法与传统模型驱动方法相比具有一定优越性,但此类方法里的网络往往不是专门为具体的高光谱任务而设计的,故不具备可解释性。此外,基于深度学习的方法对算力、数据、参数量等均具有较高的要求。针对上述问题,在灵活可扩展的即插即用框架下,通过融合传统物理复原模型和最新卷积神经网络的优势,我们提出了基于低秩张量近似的高光谱图像复原卷积神经网络。具体地,首先利用基于Tucker分解的低秩张量分解方法充分探索高光谱图像空间域和光谱域中的全局相关性。然后,为了克服传统技术的缺陷,进一步探索Tucker分解无法刻画的先验信息,我们利用最新的基于卷积神经网络的方法来表示传统数学理论工具无法刻画的隐式先验信息。在即插即用框架下,这两者的有机融合使得我们的模型可以同时探索高光谱图像中的物理先验和复杂的隐式先验,从而达到更好的图像复原效果。最后,我们设计了交替方向乘子法以快速求解所提出的模型,模拟和真实高光谱数据实验表明,与其他最新方法相比,本文提出的模型在定量和定性评价上均能获得最佳的复原效果。

关键词：高光谱图像复原全变差非凸近似深度先验

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基于频率加权张量核范数的高光谱图像复原

中国图象图形学报 2021年第8期26卷 1910-1925页

作者：刘盛曾海金孔文凤张鹏丹西北农林科技大学理学院杨凌712100 西北农林科技大学信息工程学院杨凌712100

目的高光谱图像复原是高光谱领域中一个重要的预处理步骤,能够有效去除成像条件所带来的不利影响,提升后续处理任务的精度。张量核范数被广泛应用于高光谱复原问题中,得到了较好的结果。然而,在张量核范数的定义中,它对张量所有奇异值... 详细信息

目的高光谱图像复原是高光谱领域中一个重要的预处理步骤,能够有效去除成像条件所带来的不利影响,提升后续处理任务的精度。张量核范数被广泛应用于高光谱复原问题中,得到了较好的结果。然而,在张量核范数的定义中,它对张量所有奇异值使用相同的阈值进行收缩,未充分考虑高光谱的物理意义,得到了次优的结果。为了提升高光谱图像复原的精度,本文提出了基于频率加权张量核范数的高光谱复原算法。方法在张量的频率域内,对清晰的高光谱图像添加噪声,图像信息在低频部分变化较小,而在高频部分变化巨大。基于这样的物理意义,定义了一种频率加权张量核范数来逼近张量秩函数,提出了频率域权重的自适应确定方法,让其能减少对低频部分的收缩,同时加大高频部分惩罚。然后将其应用于高光谱图像复原和去噪问题中,并基于交替方向乘子法设计了相应最小化问题的快速求解算法。结果在4个高光谱数据集上与相关方法进行对比仿真实验,高采样率条件下在Washington DC Mall数据集上,相比性能第2的模型,本文模型复原结果的PSNR(peak signal-to-noise ratio)提升了1.76 dB;在Stuff数据集上,PSNR值提升了2.91 dB。高噪声条件下,在Pavia数据集上相比性能第2的模型,本文模型去噪结果的PSNR提升了8.61 dB;在Indian数据集上,PSNR值提升了10.77 dB。结论本文模型可以更好地探索高光谱图像的低秩特性,使复原的图像在保持主体信息的同时,复原出更多图像纹理细节。

关键词：高光谱图像复原低秩张量核范数频率域加权

L1-2空谱全变差正则化下的高光谱图像去噪

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光子学报 2019年第10期48卷 208-222页

作者：曾海金蒋家伟赵佳佳王艺卓谢晓振西北农林科技大学理学院

针对高光谱图像的复原问题,提出了一种基于局部核范数最小化和全局L1-2空谱全变差正则化的高光谱复原模型.首先,将高光谱图像划分成局部交叠的三维图块,在提高局部低秩性的同时减少核范数最小化带来的信息损失;然后,建立稀疏表达能力更... 详细信息

针对高光谱图像的复原问题,提出了一种基于局部核范数最小化和全局L1-2空谱全变差正则化的高光谱复原模型.首先,将高光谱图像划分成局部交叠的三维图块,在提高局部低秩性的同时减少核范数最小化带来的信息损失;然后,建立稀疏表达能力更强的L1-2空谱全变差正则项,不仅能表示空间稀疏先验,而且还能发掘光谱稀疏先验;最后联合两者的优势,在局部上利用核范数最小化惩罚光谱低秩性,在全局上利用L1-2空谱全变差约束高光谱的空间和光谱稀疏性,建立新的高光谱图像复原模型.该模型不仅能够有效去除高斯噪声、脉冲噪声、死线噪声及其混合噪声,而且减少了对噪声独立同分布假设的依赖,能部分抑制与结构相关的噪声.通过对模拟的和真实的高光谱图像进行大量的实验仿真,并与经典的基于低秩和全变差的复原方法相比,本文模型复原结果的平均峰值信噪比提高1.36 dB,平均结构性相似指标提高0.004,而Q-测度降低1.35,平均光谱角降低0.64,复原精度大幅度提高.

关键词：高光谱图像局部低秩 L1-2空谱全变差凸函数差算法交替方向乘子法

毕业设计过程管理与质量监控系统的研究与设计

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现代教育技术 2009年第S1期19卷 199-201,238页

作者：柯永振刘文菊王赜丁刚曾海金天津工业大学计算机技术与自动化学院天津300160

为提高毕业设计管理水平和质量,利用信息技术,研究和设计了毕业设计过程管理与质量监控系统。从毕业设计的选题、中期监控、答辩管理和后续分析四个阶段实现了毕业设计全过程的管理和动态质量跟踪,该系统在实际应用过程中取得了很好的... 详细信息

为提高毕业设计管理水平和质量,利用信息技术,研究和设计了毕业设计过程管理与质量监控系统。从毕业设计的选题、中期监控、答辩管理和后续分析四个阶段实现了毕业设计全过程的管理和动态质量跟踪,该系统在实际应用过程中取得了很好的效果。

关键词：毕业设计过程管理质量监控 Web技术

基于张量截断核范数的高光谱图像超分辨率重构

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激光与光电子学进展 2019年第21期56卷 72-81页

作者：王艺卓曾海金赵佳佳谢晓振西北农林科技大学理学院

针对高光谱图像在获取过程中存在多种不同程度退化的问题,提出一种基于张量截断核范数和空谱全变差正则化模型,实现了高光谱图像的超分辨重构。首先分析高光谱图像的两种先验信息:空谱低秩先验和空谱稀疏先验;利用空谱低秩先验建立基于... 详细信息

针对高光谱图像在获取过程中存在多种不同程度退化的问题,提出一种基于张量截断核范数和空谱全变差正则化模型,实现了高光谱图像的超分辨重构。首先分析高光谱图像的两种先验信息:空谱低秩先验和空谱稀疏先验;利用空谱低秩先验建立基于张量截断核范数的低秩约束模型,实现对秩函数的准确逼近;利用空谱稀疏先验建立空谱全变差正则化模型,有效地保持图像的边缘信息;最后结合两种模型的优势,建立基于张量截断核范数和空谱全变差正则化的高光谱图像重构模型。实验结果表明新模型提高了视觉质量,与目前最新的超分辨率重构模型相比,本文方法的平均峰值信噪比提高了0.8dB。新模型充分利用高光谱图像的空间和光谱稀疏低秩先验,针对模糊化和下采样后的高光谱图像,能够有效实现高光谱数据的超分辨率重构。

关键词：图像处理高光谱图像超分辨率重构截断核范数低秩约束交替方向乘子法

医院管理年活动期间护理人员心理状况调查分析

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卫生职业教育 2007年第12期25卷 101-102页

作者：韦清蓉曾海金柳州医学高等专科学校第一附属医院广西柳州545002 柳州医学高等专科学校广西柳州545006

目的了解医院管理年活动期间护理人员的心理压力状况,探讨有效缓解压力的措施。方法采用问卷调查法对某市2所二级甲等医院和3所三级甲等医院500名护理人员进行调查。结果93.8%的护理人员在医院管理年活动期间感到心理压力很大,主要担心... 详细信息

目的了解医院管理年活动期间护理人员的心理压力状况,探讨有效缓解压力的措施。方法采用问卷调查法对某市2所二级甲等医院和3所三级甲等医院500名护理人员进行调查。结果93.8%的护理人员在医院管理年活动期间感到心理压力很大,主要担心考核不合格、医院管理奖惩制度严格、护理管理者对护理人员心理压力理解不够等。结论护理人员在医院管理年活动期间心理压力很大。管理者应重视护理人员的心理状况及平时的严格要求,采取有针对性的预防措施,包括合理配备人员;采用激励手段激发护士的工作热情;奖惩得当,营造良好的工作氛围;加强护士的心理素质培养;加强“三基”、“三严”知识的培训;丰富各种娱乐活动。

关键词：医院管理年心理学护理人员预防

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静脉留置针的应用及教学意义的探讨

卫生职业教育 2005年第24期23卷 97-98页

作者：曾海金韦清蓉柳州医学高等专科学校广西柳州545006 柳州医学高等专科学校第一附属医院广西柳州545006

静脉留置针的使用可以为长期输液的患者减轻多次穿刺的痛苦和经济负担,因此静脉留置针在临床应用范围不断扩大.而护生在学校学习期间,学习静脉输液的重点在周围静脉、头皮针的穿刺方法和注意事项,对静脉留置针的操作及其护理要点并未深... 详细信息

静脉留置针的使用可以为长期输液的患者减轻多次穿刺的痛苦和经济负担,因此静脉留置针在临床应用范围不断扩大.而护生在学校学习期间,学习静脉输液的重点在周围静脉、头皮针的穿刺方法和注意事项,对静脉留置针的操作及其护理要点并未深入学习.因此在护理教学中应增加静脉留置针的培训内容,使护生掌握静脉留置针的穿刺方法、注意事项和护理要点,达到护理教学与临床护理"零距离"的目的.

关键词：静脉留置针护生培训意义

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护生进行感恩教育的探讨

护理研究（中旬版） 2008年第8期22卷 2152-2153页

作者：曾海金刘珍莲广西柳州医学高等专科学校 545006

维普期刊数据库评论

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个体化运动对老年高血压患者的降压效果分析

护士进修杂志 2011年第13期26卷 1157-1159页

作者：卢运红王慧敏曾海金刘红兵刘红霞广西医科大学第一附属医院老年病学科广西南宁530021

目的评价个体化运动方案对老年高血压病的干预效果,为老年高血压患者实施安全有效的运动提供依据。方法对36例老年高血压病患者在保持治疗不变的情况下,以基线调查患者的主观需要和平台跑步机运动测试的客观结果为依据确定运动方案,将... 详细信息

目的评价个体化运动方案对老年高血压病的干预效果,为老年高血压患者实施安全有效的运动提供依据。方法对36例老年高血压病患者在保持治疗不变的情况下,以基线调查患者的主观需要和平台跑步机运动测试的客观结果为依据确定运动方案,将运动干预前后血压及身体测量指标等变化进行自身对照。结果老年高血压病患者经上述运动治疗,12周后血压、体重指数、腰臀比例下降,差异有显著意义(P<0.05),未出现运动治疗的并发症。结论制订个性化的运动方案对老年高血压病患者不仅可以获得较好的降压效果,而且对改善老年高血压患者的相关危险因素有明显的促进作用。

关键词：高血压病老年个体化运动血压