CN107066959A - 一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法 - Google Patents

一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法 Download PDF

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Abstract

本发明设计一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，该方法包括：接收高光谱图像数据集；根据所述高光谱图像数据集得到空间纹理信息；根据高光谱图像数据集得到线性空间相关性信息；将所述高光谱图像数据集、空间纹理信息和线性空间相关性信息线性融合，得到新数据集；随机从所述新数据集以预设比例挑选出训练集，新数据集的其余部分作为测试集；利用径向基函数支持的向量机对所述训练集进行训练，获取训练模型；利用径向基函数支持的向量机对所述测试集进行分类，获取所述高光谱图像的分类结果。本发明通过提取高光谱图像的空间纹理信息和线性空间相关性信息对高光谱图像进行分类，能有效辅助光谱信息提高分类精度，弥补空间纹理信息中丢失的空间相关性。

Description

一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类 方法
技术领域
本发明涉及遥感高光谱图像处理领域，更具体地，涉及一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法。
背景技术
通过滤波器提取高光谱图像空间信息，提高光谱图像的分类性能是目前一个研究热点。目前空间信息提取方法有：1)形态滤波特征提取；2)马尔科夫随机场特征提取；3)图像分割特征提取；4)用纹理提取滤波器提取空间信息。
利用滤波方法提取高光谱空间纹理信息开始逐渐增多，Shi和Shen等人利用多维Gabor滤波器来多角度提取图像的纹理信息，分类精度得到了提升；Wang等人采用了Gabor滤波获取较好的空间特征，利用主动学习方法对有标签训练样本的空间邻域信息进行化简，提出一种空谱结合的S2ISC半监督分类算法；Wang等人采用了Gabor滤波获取空间特征，提出一种空谱标签传播的SS-LPSVM半监督分类算法；Li等人用Gabor滤波器提取空间信息和最近邻信息方法(SNR)，提出了Gabor-SNR算法对高光谱图像进行分类；Rajadell等人用Gabor滤波器对选取的部分波段提取空间特征，改善分类性能；Wang等人结合导向双边滤波和形态属性特征获取高光谱图像空间文本特征并能有效改善分类精度；Xia等人用改进的Bilateral边缘滤波算法提取空间特征，结合独立成分分析(ICA)提出了E-ICA-RGF算法对高光谱图像进行分类，分类性能提高了不少。不少学者提出了滤波和最大概率结合的识别方法，Kang等人提出了基于边缘保持滤波的初始概率优化方法(EPF)，首先通过监督分类器SVM，利用初始的分类结果用边缘滤波对分类进行优化,最后并用最大概率方法获取高光谱分类结果；Soomro等人用弹性网络回归(Elastic NetRegression)获取初始分类结果，并通过双边滤波器获取空间信息，最后并用最大概率方法获取高光谱分类结果，都获得了不错的研究成果。高光谱图像空间纹理信息提取用于分类的研究取得了一定成效，但是也存在一些不足：
1)空间纹理信息挖掘不够充分；
2)忽略了空间相关性信息对高光谱图像分类的辅助作用。
3)传统的纹理提取方法容易去除空间相关性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法。
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，包括：接收高光谱图像数据集；根据所述高光谱图像数据集得到空间纹理信息；根据所述高光谱图像数据集得到线性空间相关性信息；将所述高光谱图像数据集、空间纹理信息和线性空间相关性信息线性融合，得到新数据集；随机从所述新数据集以预设比例挑选出训练集，所述新数据集的其余部分作为测试集；利用径向基函数支持的向量机对所述训练集进行训练，获取训练模型；利用径向基函数支持的向量机对所述测试集进行分类，获取所述高光谱图像的分类结果。
优选地，所述根据所述高光谱图像数据集得到空间纹理信息的步骤包括：通过特征降维对高光谱数据集进行处理，得到信息量重新分布的高光谱图像数据集，并利用引导滤波对信息量重新分布的高光谱图像数据集前面20个成分进行滤波，得到空间纹理信息。
优选地，所述根据所述高光谱图像数据集得到线性空间相关性信息的步骤包括：根据所述高光谱图像数据集定义第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵，其中第一高光谱线性空间相关性信息矩阵为水平方向的线性空间相关性信息矩阵，第二高光谱线性空间相关性信息矩阵为竖直方向的线性空间相关性信息矩阵；将第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵相加，得到线性空间相关性信息。
优选地，所述根据所述高光谱图像数据集定义第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵的步骤包括：
所述高光谱图像的空间分辨率为M×N，则第一高光谱线性空间相关性信息矩阵Dl为：
第二高光谱线性空间相关性信息矩阵Dv为：
其中，(x,y)为像元在高光谱图像的位置，M/2为高光谱图像水平方向的中心位置，N/2为竖直方向的中心位置，Dl(x,y)为每个像元距离水平方向中心位置的距离大小的归一化，Dv(x,y)为每个像元在横坐标中距离水平方向中心位置的距离大小的归一化。
优选地，所述随机从所述新数据集以预设比例挑选出训练集，所述新数据集的其余部分作为测试集的步骤之后还包括：利用径向基函数支持的向量机方法交叉验证，寻找最优的参数组合。
优选地，所述预设比例为10％的比例。
优选地，所述将所述高光谱图像数据集、空间纹理信息和线性空间相关性信息线性融合，得到新数据集的步骤包括：将所述高光谱图像数据集、空间纹理信息和线性空间相关性信息三者相加，得到新数据集。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过提取高光谱图像的空间纹理信息和线性空间相关性信息对高光谱图像进行分类，能有效辅助光谱信息提高分类精度，弥补空间纹理信息中丢失的空间相关性。
附图说明
图1为一实施例的一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法的示意性流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
图1为一实施例的一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法的示意性流程图。如图1所示，一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，包括：
S1，接收高光谱图像数据集D；
S2，根据所述高光谱图像数据集得到空间纹理信息Ds；
在本实施例，根据所述高光谱图像数据集得到空间纹理信息Ds的步骤包括：通过PCA降维对高光谱数据集D进行处理，得到信息量重新分布的高光谱图像数据集DPCA；利用引导滤波对DPCA前面20个成分进行滤波，得到空间纹理信息Ds。
S3，根据所述高光谱图像数据集得到线性空间相关性信息DG；
在本实施例，所述根据所述高光谱图像数据集得到线性空间相关性信息的步骤包括：
根据所述高光谱图像数据集定义第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵，其中第一高光谱线性空间相关性信息矩阵为水平方向的线性空间相关性信息矩阵，第二高光谱线性空间相关性信息矩阵为竖直方向的线性空间相关性信息矩阵；将第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵相加，得到线性空间相关性信息，即：
所述高光谱图像的空间分辨率为M×N，则第一高光谱线性空间相关性信息矩阵Dl为：
第二高光谱线性空间相关性信息矩阵Dv为：
高光谱图像的线性空间相关性信息DG为：
DG＝Dl+DV
其中，(x,y)为像元在高光谱图像的位置，M/2为高光谱图像水平方向的中心位置，N/2为竖直方向的中心位置，Dl(x,y)为每个像元距离水平方向中心位置的距离大小的归一化，Dv(x,y)为每个像元在横坐标中距离水平方向中心位置的距离大小的归一化。
S4，将所述高光谱图像数据集D、空间纹理信息Ds和线性空间相关性信息DG线性融合，得到新数据集R；
在本实施例，所述将所述高光谱图像数据集D、空间纹理信息Ds和线性空间相关性信息DG线性融合，得到新数据集的步骤包括：将所述高光谱图像数据集D、空间纹理信息Ds和线性空间相关性信息DG三者相加，得到新数据集，即：
R＝D+DS+DG。
S5，随机从所述新数据集R以预设比例挑选出训练集Rs，所述新数据集的其余部分作为测试集Rt；
在本实施例，所述预设比例为10％的比例，即随机从高光谱数据集R以10％比例挑选训练集Rs，其余部分作为测试集Rt。
S6，利用径向基函数支持的向量机(SVM)对所述训练集Rs进行训练，获取训练模型；
在S6步骤之前还包括：用径向基函数支持的SVM方法交叉验证，寻找最优的参数组合。
S7，利用径向基函数支持的向量机对所述测试集Rt进行分类，获取所述高光谱图像的分类结果。
本方案通过提取高光谱图像的空间纹理信息和线性空间相关性信息对高光谱图像进行分类，能有效辅助光谱信息提高分类精度，弥补空间纹理信息中丢失的空间相关性。
实施例2
采用印第安农林高光谱数据集进行测试。其中，印第安农林来自光谱仪(AirborneVisible Infrared Imaging Spectrometer)，是1992年在印第安纳州西北部印第安农林收集到的高光谱遥感图像，具有20米的空间分辨率，其包含144×144个像元，220个波段，由于噪声和水吸收等因素除去其中的20个波段，剩余200个波段，包含16种植被，选取全部16个类别中，每类随机选取10％样本组成有标签训练集，其余90％作为测试集,具体地物类别和样本个数参见表1；
表1 印第安农林数据集图像分类数据统计
采用整体分类精度(Overall accuracy,OA)、平均分类精度(Average accuracy,AA)以及Kappa统计系数(Kappa statistic,Kappa)来衡量分类算法的精度，为了避免随机偏差的产生，每个实验重复10次且记录平均结果，验证平台采用Matlab R2012b，E5800，6GBRAM的实验平台。为了验证SGDS-SVM算法在高光谱分类的优越性，使用了3种方法进行比较。方法1：利用SVM，并融合径向基核函数形成RSVM；方法2：EPF算法对高光谱图像进行分类，有EPF-B-c和EPF-G-c；方法3：SGDS-SVM。
本实施例的高光谱图像的分类效果：
(1)印第安农林数据集的OA为96.95％，比RSVM整体分类精度高出12-13个百分点，比EPF算法高出2-8个百分点，另外Kappa系数和AA也有大幅度的提高，充分验证了SGDS-SVM算法的有效性，发明方法明显优于其他两种方法。
(2)为了验证监督数据对发明方法的影响，选择不同的训练样本测试算法的分类精度。印第安林数据集总体分类精度OA在训练样本为3％时就能达到90％；说明SGDS-SVM算法在少量监督样本的情况下也可以获得较好的分类精度。
实施例3
采用萨利纳斯山谷高光谱数据集进行测试，其中萨利纳斯山谷：来自光谱仪(Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer)，是1992年在美国加利福利亚州萨利纳斯山谷收集到的图像，具有3.7米的空间分辨率，其包含512×217个像元，224个波段，由于噪声和水吸收等因素除去其中的20个波段，剩余204个波段，包含16种植被，选取全部16个类别中，每类随机选取1％样本组成有标签训练集，其余99％作为测试集,具体地物类别和样本个数参见表2；
表2 萨利纳斯山谷数据集图像分类数据统计
本实施例采用整体分类精度(Overall accuracy,OA)、平均分类精度(Averageaccuracy,AA)以及Kappa统计系数(Kappa statistic,Kappa)来衡量分类算法的精度，为了避免随机偏差的产生，每个实验重复10次且记录平均结果，验证平台采用Matlab R2012b，E5800，6GBRAM的实验平台。为了验证结合导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类算法(SGDS-SVM算法)在高光谱分类的优越性，使用了3种方法进行比较。方法1：利用SVM，并融合径向基核函数形成RSVM；方法2：EPF算法对高光谱图像进行分类，有EPF-B-c和EPF-G-c；方法3：SGDS-SVM。
本实施例的高光谱图像的分类效果：
(1)萨利纳斯山谷数据集的OA为98.69％，比RSVM整体分类精度高出12-13个百分点，比EPF算法高出2-8个百分点，另外Kappa系数和AA也有大幅度的提高，充分验证了SGDS-SVM算法的有效性，发明方法明显优于其他两种方法。
(2)为了验证监督数据对发明方法的影响，选择不同的训练样本测试算法的分类精度，萨利纳斯山谷数据集总体分类精度OA在训练样本为2％时就超过了99％，说明SGDS-SVM算法在少量监督样本的情况下也可以获得较好的分类精度。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，其特征在于，包括：
接收高光谱图像数据集；
根据所述高光谱图像数据集得到空间纹理信息；
根据所述高光谱图像数据集得到线性空间相关性信息；
将所述高光谱图像数据集、空间纹理信息和线性空间相关性信息线性融合，得到新数据集；
随机从所述新数据集以预设比例挑选出训练集，所述新数据集的其余部分作为测试集；
利用径向基函数支持的向量机对所述训练集进行训练，获取训练模型；
利用径向基函数支持的向量机对所述测试集进行分类，获取所述高光谱图像的分类结果。
2.根据权利要求1所述的基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，其特征在于，所述根据所述高光谱图像数据集得到空间纹理信息的步骤包括：
通过特征降维对高光谱数据集进行处理，得到信息量重新分布的高光谱图像数据集，并利用引导滤波对信息量重新分布的高光谱图像数据集前面20个成分进行滤波，得到空间纹理信息。
3.根据权利要求1所述的基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，其特征在于，所述根据所述高光谱图像数据集得到线性空间相关性信息的步骤包括：
根据所述高光谱图像数据集定义第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵，其中第一高光谱线性空间相关性信息矩阵为水平方向的线性空间相关性信息矩阵，第二高光谱线性空间相关性信息矩阵为竖直方向的线性空间相关性信息矩阵；
将第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵相加，得到线性空间相关性信息。
4.根据权利要求3所述的基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，其特征在于，所述根据所述高光谱图像数据集定义第一高光谱线性空间相关性信息矩阵和第二高光谱线性空间相关性信息矩阵的步骤包括：
所述高光谱图像的空间分辨率为M×N，则第一高光谱线性空间相关性信息矩阵Dl为：
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第二高光谱线性空间相关性信息矩阵Dv为：
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其中，(x,y)为像元在高光谱图像的位置，M/2为高光谱图像水平方向的中心位置，N/2为竖直方向的中心位置，Dl(x,y)为每个像元距离水平方向中心位置的距离大小的归一化，Dv(x,y)为每个像元在横坐标中距离水平方向中心位置的距离大小的归一化。
5.根据权利要求1所述的基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，其特征在于，所述随机从所述新数据集以预设比例挑选出训练集，所述新数据集的其余部分作为测试集的步骤之后还包括：
利用径向基函数支持的向量机方法交叉验证，寻找最优的参数组合。
6.根据权利要求1所述的基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，其特征在于，所述预设比例为10％的比例。
7.根据权利要求1所述的基于导向滤波和线性空间相关性信息的高光谱图像分类方法，其特征在于，所述将所述高光谱图像数据集、空间纹理信息和线性空间相关性信息线性融合，得到新数据集的步骤包括：
将所述高光谱图像数据集、空间纹理信息和线性空间相关性信息三者相加，得到新数据集。
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