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高光谱图像分数域信息提取理论与方法进展

电子学报 2022年第12期50卷 2874-2883页

作者：赵旭东陶然李伟张蒙蒙北京理工大学信息与电子学院北京100081

高光谱传感技术具有光谱、空间、辐射等信息同步获取的优势,促使地物描述呈现多尺度、多角度、多维度的特性,基于高光谱图像实施信息精确提取及解析,是建设先进对地观测系统等国家战略的核心需求.然而,高光谱图像信息提取存在光谱维诊... 详细信息

高光谱传感技术具有光谱、空间、辐射等信息同步获取的优势,促使地物描述呈现多尺度、多角度、多维度的特性,基于高光谱图像实施信息精确提取及解析,是建设先进对地观测系统等国家战略的核心需求.然而,高光谱图像信息提取存在光谱维诊断信息不确定、空间维信息利用不充分、协同维信息表征不全面等问题,导致信息感知与解译效果差,严重制约了其行业应用.高光谱智能感知在对地观测等多元领域中的应用,需要机理清晰、关联合理、协同有效的多域信息提取理论与方法 .本文综述了高光谱图像分数域信息提取理论与方法进展,首先给出了现有的高光谱图像信息提取方法及其关键问题,然后从光谱维、空谱维、协同维三方面给出了高光谱图像分数域信息提取理论与方法体系.本文随后从光谱维精确控制、空谱维强化感知、协同维信息联合三方面分别总结了关键理论与应用:在光谱维,针对高光谱图像光谱信息提取易受到光谱不确定性现象影响而难以准确区分微弱点目标与复杂背景的问题,分数域光谱信号表征方法可提升光谱域辨识性能,实施高光谱异常检测;在空谱维,针对高光谱场景中地物空间分布不均衡,标签样本不足导致场景解译困难的问题,分数域空谱特征提取方法在有效训练集合扩充的同时提升网络学习的多样性,实施小样本情况下的场景解译;在协同维,针对高光谱与其他传感源存在异质性,导致地物三维信息表征不全面的问题,分数域多源协同特征提取与融合方法可实现多源多域特征联合,完成高精度地物分类.最后,本文指出了未来高光谱图像分数域信息提取理论与方法面临的挑战和发展趋势:面向高光谱数据体量大、分辨率较差等局限性,开展数据、特征层结合的质量提升方法研究;面向训练样本缺失问题,通过深度特征迁移学习技术,充分挖掘高光谱遥感图像中海量无标签数据的多维度光谱、空间、协同信息;面向广域空天遥感对地观测需求,研究模态缺失情况下的深度样本生成、特征扩充、多源跨场景分类方法.

关键词：高光谱图像分数域信息提取特征提取异常检测高光谱图像分类多源遥感

高光谱图像分类的Wasserstein配置熵非监督波段选择方法

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测绘学报 2021年第3期50卷 405-415页

作者：张红吴智伟王继成高培超华东师范大学全球创新与发展研究院上海200062 华东师范大学城市与区域科学学院上海200241 西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都611756 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

高光谱图像波段选择需考虑波段信息。传统香农信息熵指标仅考虑图像的组分信息(像元的种类和比例),忽略了图像的空间配置信息(像元的空间分布),后者可由玻尔兹曼熵刻画。其中,Wasserstein配置熵删除了连续像元的冗余信息,但局限于四邻域... 详细信息

高光谱图像波段选择需考虑波段信息。传统香农信息熵指标仅考虑图像的组分信息(像元的种类和比例),忽略了图像的空间配置信息(像元的空间分布),后者可由玻尔兹曼熵刻画。其中,Wasserstein配置熵删除了连续像元的冗余信息,但局限于四邻域,本文将Wasserstein配置熵拓展至八邻域。以印度松木试验场和意大利帕维亚大学高光谱图像为例,使用Wasserstein配置熵差异值测度波段相关性,通过非监督次优搜索法确定最优波段组合,并用支持向量机分类。比较基于Wasserstein配置熵差异值、互信息、4种标准化互信息和两种相对熵变体的图像分类精度。结果表明,四邻域和八邻域Wasserstein配置熵差异值均可用于高光谱图像波段选择,当选择少量波段时优势尤为明显,且八邻域整体优于四邻域。

关键词：高光谱图像图像分类香农熵 Wasserstein配置熵波段选择

高光谱图像快速Gram行列式端元提取优化方法

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系统工程与电子技术 2019年第9期41卷 1913-1921页

作者：许宁孙康胡玉新耿修瑞中国科学院电子学研究所北京100190 中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081

高光谱图像快速Gram行列式端元提取算法基于高光谱图像最大单形体体积标准,具有容易理解、算法复杂度低、无需降维处理等特点,但是其在进行端元提取时,采用的计算公式仍需进行矩阵求逆,随着端元的逐个求解,矩阵维数增多导致计算量增加... 详细信息

高光谱图像快速Gram行列式端元提取算法基于高光谱图像最大单形体体积标准,具有容易理解、算法复杂度低、无需降维处理等特点,但是其在进行端元提取时,采用的计算公式仍需进行矩阵求逆,随着端元的逐个求解,矩阵维数增多导致计算量增加。由于端元提取时获得的端元Gram矩阵满足对称特性,引入埃尔米特矩阵(Hermitian matrix)分块求逆引理,简化矩阵求逆处理,优化快速Gram行列式端元提取方法。采用美国Cuprite矿区的机载可见光/红外成像光谱仪(airborne visible/infrared imaging spectrometer,AVIRIS)机载高光谱图像进行实验验证,并对该方法在不同初始化条件下的求解结果进行分析,结果表明快速Gram行列式端元提取方法会受到初始条件的影响,在端元、像元数量增加时所提方法可提升计算效率。

关键词：端元提取分块矩阵求逆引理单形体体积线性混合模型高光谱图像

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高光谱图像的JM变换自适应降维

遥感学报 2020年第1期24卷 67-75页

作者：康孝岩张爱武胡少兴肖青柴沙驼首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室北京100048 首都师范大学空间信息技术教育部工程研究中心北京100048 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室北京100101 青海大学畜牧兽医科学院西宁810016

在无需先验标签样本的情况下,非监督降维可以有效简化高光谱图像的特征空间,避免目标分类中的霍夫效应。本文提出JM非线性变换优化的自适应降维模型来研究面向图像目标分类的高光谱波段选择问题。该方法考虑波段的信息量和独立性等两个... 详细信息

在无需先验标签样本的情况下,非监督降维可以有效简化高光谱图像的特征空间,避免目标分类中的霍夫效应。本文提出JM非线性变换优化的自适应降维模型来研究面向图像目标分类的高光谱波段选择问题。该方法考虑波段的信息量和独立性等两个重要因子,针对其测度方法的差异性问题,引入JM变换函数进行规范化优化。选用线阵高光谱和面阵显微光谱等两个图像数据集,在k最邻近和随机森林分类器下,进行了多组监督分类实验,结果表明,在Kappa系数、总体分类精度和平均分类精度上,本文方法均优于3种非监督方法MABS、InfFS和LSFS。说明本文提出的JM变换的自适应降维模型能够有效降低特征维度,满足高光谱图像分类的高精度要求。

关键词：遥感 JM变换规范化自适应降维非监督波段选择高光谱图像

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高光谱图像修复算法的自适应稀疏编码实现

系统工程与电子技术 2019年第9期41卷 1922-1929页

作者：宋晓瑞吴玲达郝红星孔舒亚航天工程大学复杂电子系统仿真实验室北京101416 中国人民解放军66135部队北京100144

针对高光谱图像(hyperspectral images,HSI)中缺损像元及条带影响图像后续处理及应用的问题,应用稀疏表示理论,将HSI修复问题建模为不完整观测下的信号稀疏重建问题,提出自适应稀疏编码实现的HSI修复算法。首先,对加性噪声假设下的HSI... 详细信息

针对高光谱图像(hyperspectral images,HSI)中缺损像元及条带影响图像后续处理及应用的问题,应用稀疏表示理论,将HSI修复问题建模为不完整观测下的信号稀疏重建问题,提出自适应稀疏编码实现的HSI修复算法。首先,对加性噪声假设下的HSI观测模型进行研究。然后,通过引入基于随机近似的在线学习优化方法,提出新的从高光谱数据中直接构造字典的算法,从而获取光谱字典。之后,应用变量分解和增广拉格朗日稀疏回归方法对图像进行稀疏编码求解。最后通过稀疏重构求得修复后的HSI。实验结果表明,相对于现有算法,在不同噪声条件下,所提算法均能够更有效地修复缺损的HSI,且与其他字典学习类修复算法相比计算耗时更短。

关键词：图像处理高光谱图像图像修复光谱字典稀疏编码

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高光谱图像的高维多目标压缩感知技术研究

小型微型计算机系统 2022年第10期43卷 2150-2156页

作者：张景波蔡星娟谢丽萍太原科技大学计算机科学与技术学院太原030024

高光谱图像(Hyperspectral image, HSI)相对于普通图像而言,不仅具有空间信息,还有光谱维信息.由于HSI占用的存储空间较大,因此在数据传输中对传输带宽有很高的要求.采用压缩感知理论可以在很大程度上缓解高光谱图像的传输和存储压力.... 详细信息

高光谱图像(Hyperspectral image, HSI)相对于普通图像而言,不仅具有空间信息,还有光谱维信息.由于HSI占用的存储空间较大,因此在数据传输中对传输带宽有很高的要求.采用压缩感知理论可以在很大程度上缓解高光谱图像的传输和存储压力.本文提出了一种基于NSGA-Ⅲ优化的OMP算法(MO-OMP)对高光谱图像进行重构.通过考虑高光谱图像的空间相似性和光谱间相似性,对高光谱图像压缩感知的重构过程进行高维多目标建模,在求解模型方面,将OMP算法中的非零元素原子指标集作为种群,并采用NSGA-Ⅲ算法对模型进行求解,提高了模型的求解精度.本文在三组公共数据集上对模型进行测试,实验结果表明MO-OMP算法在高光谱图像压缩感知的问题下有良好的效果,相比于传统的高光谱图像压缩感知模型,高维多目标压缩感知模型在高光谱图像的重建问题上更具鲁棒性.

关键词：压缩感知高维多目标高光谱图像 NSGA-Ⅲ OMP

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高光谱图像技术检测苹果外部损伤

中国食品学报 2018年第1期18卷 278-284页

作者：刘晶晶刘付龙史铁孙超张晋宝门洪东北电力大学自动化工程学院吉林132012

利用高光谱分选仪对苹果进行图像获取,基于光谱图像信息实现对苹果的外部损伤检测。由于光谱图像间的数据巨大,具有冗余性和相关性,通过主成分降维法提取640 nm波段下的图像作为特征信息进行外部损伤检测。光谱特征图像上光斑噪声的存... 详细信息

利用高光谱分选仪对苹果进行图像获取,基于光谱图像信息实现对苹果的外部损伤检测。由于光谱图像间的数据巨大,具有冗余性和相关性,通过主成分降维法提取640 nm波段下的图像作为特征信息进行外部损伤检测。光谱特征图像上光斑噪声的存在是造成损伤检测效果不佳的原因,分析光谱图像光斑的图像特征,利用二阶巴特沃斯高通滤波器抑除图像频域内的光斑信号,同时增强损伤区域的边缘图像信息。对比滤波前、后的特征图像损伤检测效果,滤波后的图像数据更能真实表现出样本自身的数据特点,结果表明:经过二阶巴特沃斯高通滤波器滤波后的苹果损伤检测效果明显,正确率达到95%。

关键词：苹果光斑噪声高光谱图像主成分分析二阶巴特沃斯高通滤波器

基于不规则尺度区域光谱信息的高光谱图像亚像元定位

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红外与毫米波学报 2023年第4期42卷 538-545页

作者：王鹏陈永康张弓王弘颖赵春雷韩玲漳州测绘学院自然资源部东南沿海海洋信息智能感知与应用重点实验室福建漳州363000 滁州学院实景地理环境安徽省重点实验室安徽滁州239000 南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京210016 南京邮电大学管理学院江苏南京210003 河北省气象科学研究所河北省气象与生态环境重点实验室河北石家庄050021 长安大学西安市国土空间信息重点实验室陕西西安710064

亚像元定位技术可以分析混合像元,并实现从丰度图像到亚像元级精细土地覆盖定位图像的转换。然而,传统的亚像元定位方法所使用的光谱信息通常在指定的矩形局部窗口中构造,并且很少使用所有波段的光谱信息,影响了亚像元定位的性能。为了... 详细信息

亚像元定位技术可以分析混合像元,并实现从丰度图像到亚像元级精细土地覆盖定位图像的转换。然而,传统的亚像元定位方法所使用的光谱信息通常在指定的矩形局部窗口中构造,并且很少使用所有波段的光谱信息,影响了亚像元定位的性能。为了解决这一问题,本文提出了一种基于不规则尺度区域光谱信息的高光谱图像亚像元定位方法(SIISA)。在三幅遥感图像上的实验结果表明,所提出的SIISA优于现有的亚像元定位方法。

关键词：高光谱图像亚像元定位超分辨制图空间-光谱信息不规则区域

全局-局部注意力特征重用高光谱图像超分辨率网络

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光学学报 2023年第21期43卷 195-204页

作者：王思泽关欣李锵天津大学微电子学院天津300072

为了解决高光谱图像超分辨率重建中物质本征光谱表达能力不足、图像尺度变化过程中存在细节信息损失的问题,提出一种全局-局部注意力特征重用网络。首先,通过多节点特征重用增强网络的多尺度信息提取能力。其次,引入局部注意力,利用空... 详细信息

为了解决高光谱图像超分辨率重建中物质本征光谱表达能力不足、图像尺度变化过程中存在细节信息损失的问题,提出一种全局-局部注意力特征重用网络。首先,通过多节点特征重用增强网络的多尺度信息提取能力。其次,引入局部注意力,利用空间注意力机制聚焦重点空间信息,并通过通道注意力机制增强特异性光谱提取能力。最后,设计全局修正模块,根据原始多光谱图像空间信息丰富与高光谱图像光谱保真度高的特性进一步补偿处理过程中损失的空间与光谱维度信息,提高网络可靠性。选取CAVE和Harvard数据集进行训练与测试,并与多种先进方法进行定量与定性评估。结果表明,所提网络能够重建出更高分辨率的高光谱图像,更好完成高光谱超分辨率任务。

关键词：高光谱图像超分辨率注意力机制特征重用卷积神经网络