CN116229174A - 一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,首先提取两幅同一区域不同时间的高光谱图像样本,接着将高光谱图像样本进行差分以获得高光谱变化图像,并选取训练样本构建张量块,随后从多个不同的方向对每个变化张量进行提取光谱以及提取空间特征操作,再将提取到的光谱以及空间特征进行融合,并训练空谱联合注意力网络,获得对应的网络模型参数;本发明采用空间模块中二维卷积、三维卷积和注意力机制相结合的方式,高效地完成了高光谱图像的特征提取,并引入了多尺度结构以及密集连接,在较好地运用高光谱图像上下文信息的同时还能光谱降低网路运算的复杂度,有效地提升了变化检测结果的精度,适合被广泛推广和使用。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域,具体涉及一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法。
背景技术
随着深度学习的不断发展,人们越来越多的将其运用到了高光谱图像任务中,变化检测技术随着高光谱图像的发展也得到了很大的推动。变化检测是通过对同一地理区域不同时间的观测来确定其是否发生变化的处理技术。变化检测技术在遥感方面有着非常广泛的应用,比如生态环境、农业调查和城市规划等领域。
目前,高光谱图像具有丰富的光谱信息和空间信息,现有的适用于低光谱分辨率的变化检测方法并不能很好的应用于高光谱图像,存在网络运算较为复杂和精度较差的情况;因此,需要设计一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,为更好的有效解决现有的适用于低光谱分辨率的变化检测方法并不能很好的应用于高光谱图像,存在网络运算较为复杂和精度较差情况的问题,提供了一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其具有高效地完成了高光谱图像的特征提取,并引入了多尺度结构以及密集连接,在较好地运用高光谱图像上下文信息的同时还能光谱降低网路运算的复杂度的优点。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,包括以下步骤,
步骤(A),提取两幅同一区域不同时间的高光谱图像样本;
步骤(B),将高光谱图像样本进行差分以获得高光谱变化图像,并选取训练样本构建张量块;
步骤(C),从多个不同的方向对每个变化张量进行提取光谱以及提取空间特征操作;
步骤(D),将提取到的光谱以及空间特征进行融合,并训练空谱联合注意力网络,获得对应的网络模型参数;
步骤(E),使用训练好的空谱联合注意力网络模型将高光谱变化图像中的所有像素进行检测分类,完成高光谱多类变化检测作业。
前述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,步骤(B),将高光谱图像样本进行差分以获得高光谱变化图像,并选取训练样本构建张量块,其中张量块为从高光谱变化图像中选取大小为5*5*t的立方体张量,且t为光谱维数。
前述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,步骤(C),从多个不同的方向对每个变化张量进行提取光谱以及提取空间特征操作,具体步骤如下,
步骤(C1),在光谱模块中,使用大小为1*1*3的卷积核,将输入的5*5*t的变化张量进行降维操作,得到1个大小为5*5*35的特征张量;
步骤(C2),在空间模块中,将5*5*35的张量变形,得到大小分别为5*35*5和35*5*5的张量,再将5*5*35、5*35*5和35*5*5这三个张量分别沿三个不同的方向输入进空间方向卷积神经网络中,且其中一个方向上使用密集多尺度结构。
前述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,步骤(D),将提取到的光谱以及空间特征进行融合,并训练空谱联合注意力网络,获得对应的网络模型参数,具体是将在光谱模块提取到的5*5*35张量与张量输入的每个方向所得到的结果进行拼接,并使用2D和3D卷积相结合的方法,再添加注意力模块,得到张量群。
前述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,步骤(E),使用训练好的空谱联合注意力网络模型将高光谱变化图像中的所有像素进行检测分类,完成高光谱多类变化检测作业,具体步骤如下,
步骤(E1),将张量群经过pooling、flatten、dropout和dense操作,并得到分类结果;
步骤(E2),将分类结果信息及其对应的标签信息输入到损失函数中获得损失值,并根据损失值对网络进行反向传播,再对权重参数进行更新;
步骤(E3),在网络的输出层中使用softmax函数。
前述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,步骤(C2)中的密集多尺度结构具体步骤如下,
步骤(C21),使用40个大小为D*D*1的卷积核对输入张量进行卷积,并得到初次卷积结果;
步骤(C22),将初次卷积结果分别通过20个大小为U*U*1的卷积核和20个大小为D*D*1的卷积核进行卷积,得到二次卷积结果并进行拼接,产生拼接结果;
步骤(C23),将初次卷积结果与拼接结果进行连接,得到初次连接结果;
步骤(C24),将初次连接结果再依次进行步骤(C21)、步骤(C22)和步骤(C23)操作,产生二次连接结果;
步骤(C25),将初次卷积结果与二次连接结果进行连接,再通过10个大小为D*D*1的卷积核进行卷积。
前述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,步骤(D)中使用2D和3D卷积相结合的方法,再添加注意力模块,具体为对张量输入的每个方向所得到的结果进行reshape操作,接着使用2D卷积,再添加注意力机制。
本发明的有益效果是:本发明的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,充分运用了高光谱图像丰富的光谱信息和空间信息,并采用空间模块中二维卷积、三维卷积和注意力机制相结合的方式,高效地完成了高光谱图像的特征提取,并引入了多尺度结构以及密集连接,在较好地运用高光谱图像上下文信息的同时还能光谱降低网路运算的复杂度,有效地提升了变化检测结果的精度。
附图说明
图1是本发明的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法的流程图;
图2是本发明的一个区域第一个时间点高光谱图像;
图3是本发明的一个区域第二个时间点高光谱图像;
图4是本发明的高光谱变化检测结果图;
图5是本发明的人工标记实际变化区域地面真值示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图,对本发明作进一步的说明。
如图1所示,本发明的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,包括以下步骤,
步骤(A),提取两幅同一区域不同时间的高光谱图像样本;
步骤(B),将高光谱图像样本进行差分以获得高光谱变化图像,并选取训练样本构建张量块,其中张量块为从高光谱变化图像中选取大小为5*5*t的立方体张量,且t为光谱维数。
步骤(C),从多个不同的方向对每个变化张量进行提取光谱以及提取空间特征操作,具体步骤如下,
步骤(C1),在光谱模块中,使用大小为1*1*3的卷积核,将输入的5*5*t的变化张量进行降维操作,得到1个大小为5*5*35的特征张量;
步骤(C2),在空间模块中,将5*5*35的张量变形,得到大小分别为5*35*5和35*5*5的张量,再将5*5*35、5*35*5和35*5*5这三个张量分别沿三个不同的方向输入进空间方向卷积神经网络中,且其中一个方向上使用密集多尺度结构。
步骤(C2)中的密集多尺度结构具体步骤如下,
步骤(C21),使用40个大小为D*D*1的卷积核对输入张量进行卷积,并得到初次卷积结果;
步骤(C22),将初次卷积结果分别通过20个大小为U*U*1的卷积核和20个大小为D*D*1的卷积核进行卷积,得到二次卷积结果并进行拼接,产生拼接结果;
步骤(C23),将初次卷积结果与拼接结果进行连接,得到初次连接结果;
步骤(C24),将初次连接结果再依次进行步骤(C21)、步骤(C22)和步骤(C23)操作,产生二次连接结果;
步骤(C25),将初次卷积结果与二次连接结果进行连接,再通过10个大小为D*D*1的卷积核进行卷积。
步骤(D),将提取到的光谱以及空间特征进行融合,并训练空谱联合注意力网络,获得对应的网络模型参数,具体是将在光谱模块提取到的5*5*35张量与张量输入的每个方向所得到的结果进行拼接,并使用2D和3D卷积相结合的方法,再添加注意力模块,得到张量群。
步骤(D)中使用2D和3D卷积相结合的方法,再添加注意力模块,具体为对张量输入的每个方向所得到的结果进行reshape操作,接着使用2D卷积,再添加注意力机制。
步骤(E),使用训练好的空谱联合注意力网络模型将高光谱变化图像中的所有像素进行检测分类,完成高光谱多类变化检测作业,具体步骤如下,
步骤(E1),将张量群经过pooling、flatten、dropout和dense操作,并得到分类结果;
步骤(E2),将分类结果信息及其对应的标签信息输入到损失函数中获得损失值,并根据损失值对网络进行反向传播,再对权重参数进行更新;
步骤(E3),在网络的输出层中使用softmax函数。
为更好的阐述本发明的使用效果,下面介绍本发明的一个具体实施例;
如图2-4所示的高光谱变化检测结果图,其中图2和图3是不同时间,同一个地理区域的高光谱图像;图4是本方法的变化检测结果图,图5是人工标记的实际变化地面真值图;从高光谱变化检测结果和实际的地面真值图可以发现,该方法可以精准的对变化区域进行识别。
综上所述,本发明的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,首先提取两幅同一区域不同时间的高光谱图像样本,接着将高光谱图像样本进行差分以获得高光谱变化图像,并选取训练样本构建张量块,随后从多个不同的方向对每个变化张量进行提取光谱以及提取空间特征操作,然后将提取到的光谱以及空间特征进行融合,并训练空谱联合注意力网络,获得对应的网络模型参数,最后使用训练好的空谱联合注意力网络模型将高光谱变化图像中的所有像素进行检测分类,完成高光谱多类变化检测作业;本发明充分运用了高光谱图像丰富的光谱信息和空间信息,并采用空间模块中二维卷积、三维卷积和注意力机制相结合的方式,高效地完成了高光谱图像的特征提取,并引入了多尺度结构以及密集连接,在较好地运用高光谱图像上下文信息的同时还能光谱降低网路运算的复杂度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤(A),提取两幅同一区域不同时间的高光谱图像样本;
步骤(B),将高光谱图像样本进行差分以获得高光谱变化图像,并选取训练样本构建张量块;
步骤(C),从多个不同的方向对每个变化张量进行提取光谱以及提取空间特征操作;
步骤(D),将提取到的光谱以及空间特征进行融合,并训练空谱联合注意力网络,获得对应的网络模型参数;
步骤(E),使用训练好的空谱联合注意力网络模型将高光谱变化图像中的所有像素进行检测分类,完成高光谱多类变化检测作业。
2.根据权利要求1所述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其特征在于:步骤(B),将高光谱图像样本进行差分以获得高光谱变化图像,并选取训练样本构建张量块,其中张量块为从高光谱变化图像中选取大小为5*5*t的立方体张量,且t为光谱维数。
3.根据权利要求2所述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其特征在于:步骤(C),从多个不同的方向对每个变化张量进行提取光谱以及提取空间特征操作,具体步骤如下,
步骤(C1),在光谱模块中,使用大小为1*1*3的卷积核,将输入的5*5*t的变化张量进行降维操作,得到1个大小为5*5*35的特征张量;
步骤(C2),在空间模块中,将5*5*35的张量变形,得到大小分别为5*35*5和35*5*5的张量,再将5*5*35、5*35*5和35*5*5这三个张量分别沿三个不同的方向输入进空间方向卷积神经网络中,且其中一个方向上使用密集多尺度结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其特征在于:步骤(D),将提取到的光谱以及空间特征进行融合,并训练空谱联合注意力网络,获得对应的网络模型参数,具体是将在光谱模块提取到的5*5*35张量与张量输入的每个方向所得到的结果进行拼接,并使用2D和3D卷积相结合的方法,再添加注意力模块,得到张量群。
5.根据权利要求4所述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其特征在于:步骤(E),使用训练好的空谱联合注意力网络模型将高光谱变化图像中的所有像素进行检测分类,完成高光谱多类变化检测作业,具体步骤如下,
步骤(E1),将张量群经过pooling、flatten、dropout和dense操作,并得到分类结果;
步骤(E2),将分类结果信息及其对应的标签信息输入到损失函数中获得损失值,并根据损失值对网络进行反向传播,再对权重参数进行更新;
步骤(E3),在网络的输出层中使用softmax函数。
6.根据权利要求3所述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其特征在于:步骤(C2)中的密集多尺度结构具体步骤如下,
步骤(C21),使用40个大小为D*D*1的卷积核对输入张量进行卷积,并得到初次卷积结果;
步骤(C22),将初次卷积结果分别通过20个大小为U*U*1的卷积核和20个大小为D*D*1的卷积核进行卷积,得到二次卷积结果并进行拼接,产生拼接结果;
步骤(C23),将初次卷积结果与拼接结果进行连接,得到初次连接结果;
步骤(C24),将初次连接结果再依次进行步骤(C21)、步骤(C22)和步骤(C23)操作,产生二次连接结果;
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7.根据权利要求4所述的一种基于空谱联合注意力机制的高光谱多类变化检测方法,其特征在于:步骤(D)中使用2D和3D卷积相结合的方法,再添加注意力模块,具体为对张量输入的每个方向所得到的结果进行reshape操作,接着使用2D卷积,再添加注意力机制。。
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