波段选择协同表达高光谱异常探测算法

高光谱遥感影像具有光谱分辨率极高的特点,承载了大量可区分不同类型地物的诊断性光谱信息以及区分亚类相似地物之间细微差别的光谱信息,在目标探测领域具有独特的优势。与此同时,高光谱遥感影像也带来了数据维数高、邻近波段之间存在大量冗余信息的问题,高维度的数据结构往往使得高光谱影像异常目标类和背景类之间的可分性降低。为了缓解上述问题,本文提出了一种基于波段选择的协同表达高光谱异常探测算法。首先,使用最优聚类框架对高光谱波段进行选择,获得一组波段子集来表示原有的全部波段,使得高光谱影像异常目标类与背景类之间的可分性增强。然后使用协同表达对影像上的像元进行重建,由于异常目标类和背景类之间的可分性增强,对异常目标像元进行协同表达时将会得到更大的残差,异常目标像元的输出值增大,可以更好地实现异常目标和背景类的分离。本文使用了3组高光谱影像数据进行异常目标探测实验,实验结果表明,该方法与其他现有高光谱异常目标探测算法对比,曲线下面积AUC(Area Under Curve)值更高,可以更好地实现异常目标与背景分离,能够更有效地对高光谱影像进行异常目标探测。     

列式鲁棒主成分分析的高光谱遥感异常探测

传统的基于鲁棒主成分分析的高光谱异常探测模型中,稀疏异常矩阵假设为非低秩且其非零元素满足随机分布条件。这导致稀疏矩阵的非零元素影响低秩背景矩阵的估计,进而制约背景信息和异常信息的有效分离。提出列式鲁棒主成分分析的异常探测方法,改进异常矩阵为列稀疏条件来解决上述问题。该方法分解高光谱影像2维矩阵为低秩背景矩阵,列稀疏异常矩阵和噪声矩阵,松弛目标方程为凸优化问题,并采用非精确增强拉格朗日乘子算法来求解得到列稀疏异常矩阵的最优估计。最后,对稀疏异常矩阵中所有列的L2范数值进行阈值分割来探测得到异常像元。利用两个高光谱影像数据集,对比5种主流的异常探测方法来验证提出方法的有效性。实验结果表明,列式鲁棒主成分分析方法优于包括传统鲁棒主成分分析模型在内的5种异常探测方法,且计算效率适中。     

高光谱遥感异常目标探测方法性能对比分析

本文利用高光谱遥感异常目标探测理论,探讨了目前已有的几种异常目标探测方法;通过对3组数据进行试验,并从探测率和虚警率、ROC曲线及其下的面积及算法的运行时间,对几种异常检测算法的检测性能进行对比分析;最后基于统计模型和基于表示模型对3组数据的检测效果进行对比分析,从而得出适合于不同数据的检测方法,为高光谱遥感异常目标探测提供更多的支持。     

基于波段选择与学习字典的高光谱图像异常探测

针对高光谱影像数据中存在大量冗余,传统异常探测算法应用高光谱所有波段进行探测计算量巨大的问题,提出一种基于波段相似性线性预测与学习字典的异常探测算法。该算法首先通过对波段的相似性进行线性预测,找到最不相似的波段子集;然后,利用学习字典算法获得能够表征图像背景信息的背景字典,并通过低秩分解的算法将影像分解为低秩矩阵与稀疏矩阵;最后,使用经典RXD(Reed-X detector)探测算法对稀疏影像进行异常探测。实验结果表明,该算法可以在减少计算代价、保持波段原始信息不被破坏的同时,能够较好地实现了高光谱影像的异常探测。     

Cholesky分解的逐像元实时高光谱异常探测

传统的实时异常探测算法需对高维的背景样本统计矩阵进行求逆运算,数值稳定性差、时间复杂度高。而基于Cholesky分解,将高维矩阵的求逆运算转换为求解下三角线性系统,采用Cholesky分解因子的一阶修正方法快速更新背景统计信息,降低逐像元实时处理的时间复杂度并且保持数值稳定性。由于算法仅涉及下三角矩阵的更新过程,压缩了数据存储空间,适用于机载或星上实时处理。采用3维接收器曲线(3D-ROC)以及计算机实际处理时间对实验结果进行定量化分析,结果表明,该算法在不降低异常探测精度的同时,对当前时刻像元的实时处理时间约缩短为基于QR分解算法的0.4%—0.65%,或减少至基于Woodbury矩阵引理算法的27%—33%,有效提高实时高光谱异常探测器的计算性能,并且保持处理过程中的数值稳定性。     

基于Quick Shift算法的高光谱影像分类

论述了面向对象分类方法处理高光谱高空间分辨率影像的优势与流程;分析了快速漂移(Quick Shift)算法的原理,该算法在进行模式搜索时具有可控制模态选择和平衡过分割与欠分割的特点。将该算法应用于高光谱影像分割,可得到面向对象分类所需的较理想的同质影像对象。为提高影像分割的效率,提出了一种基于灰度共生矩阵的自适应核带宽确定方法,能够兼顾影像空间特征和光谱特征。最后采用最小距离分类法、支持向量机分类法与提出的分类方法进行了对比试验,实验结果表明了该方法的有效性。     

高光谱图像稀疏约束与自编码器特征提取相结合的异常检测方法

高光谱图像的异常检测在军事、农业、勘探、防火等领域具有重要的应用价值。传统的高光谱图像异常检测算法未能有效地挖掘图像光谱的深层特征,而深度学习方法具有良好的提取深层特征信息的能力。由于异常检测问题一般无法获取地物先验信息,因此无监督网络相比于监督网络要更为适用。而现有的基于自编码器的异常检测算法没有对局部信息进行有效利用,导致检测效果受限。针对这一问题,本文提出一种基于稀疏表示约束的自编码器深度特征提取方法。首先通过栈式自编码器得到深层次语义信息;然后利用稀疏表示作为约束与编码器进行有效结合,挖掘了潜在隐藏空间中的特征元素的局部表示特性;最后采用分数傅里叶变换,通过空间-频率表示获得原始光谱与其傅里叶变换的中间域中的特征,进一步增强了背景和异常的光谱区分度,且能有效去除噪声的影响。在Hymap、AVIRIS、ROSIS、HYDICE这4种光谱仪采集的5幅高光谱遥感影像上进行了性能验证,得到的曲线下覆盖面积(area under curve, AUC)分别为0.990 5、0.998 3、0.999 0、0.992 8和0.911 0,相比于对比算法都有了不同程度的效果提升。结果表明本文...     

一种面向异常检测的高光谱图像降维算法

针对高光谱数据预处理中传统降维算法的不足,文章提出采用线性局部切空间排列(LLTSA)算法进行降维,并在低维空间中,以数据点到背景流形的最小距离为度量进行异常目标检测。面向异常目标检测问题的降维算法,需要考虑计算量和异常污染两个问题:为减少计算量,选择图像中一部分具有代表性的训练数据进行LLTSA降维并求取用于泛化的投影矩阵;为避免异常信息对背景特性的影响,应该选择不含异常的背景训练数据建立背景流形。背景训练点的选择基于递归多层分割算法,结合分割块的大小和分割块被近邻点重构的误差,去除分割结果中可能包含异常的区域并尽可能多地保留背景信息。实验结果表明LLTSA可以利用少数特征有效区分背景和异常,基于LLTSA的检测算法比经典RX和核RX算法具有更好的异常检测性能。     

一种基于非线性主成分分析的高光谱图像目标检测方法

目标探测是高光谱图像的重要应用之一.目前已经有了很多的目标探测算法,然而这些算法要求目标与背景是线性可分的.在实际的高光谱数据中,这一要求往往难以满足.本文提出了一种基于非线性主成分分析的高光谱图像目标探测算法.该方法先利用神经网络将高光谱图像进行非线性降维,从而使得在降维后的数据中目标与背景线性可分;然后使用约束能量最小化算法进行目标探测,为了取得较好的目标探测效果,保留了图像原始的特征.针对模拟数据和真实高光谱图像数据的试验表明,基于神经网络的非线性主成分分析可以将线性不可分的目标与背景分离.使用非线性特征和原始特征的组合可以获得更好的目标探测效果.     

高光谱影像小目标谐波分析探测模型

针对高光谱影像小目标探测问题,结合白化处理(WP)与约束能量最小化(CEM)算法,提出一种基于谐波分析(HA)的小目标探测新模型,即HA-WP-CEM模型.该模型首先对原始影像进行3次谐波分析,提取出最适合小目标探测的高光谱影像谐波分析余项、振幅和相位等7个能量谱特征成分.其次通过对谐波分析特征成分的白化处理,实现各特征成分的背景抑制,突出低概率的小目标信息.在采集白化数据的探测目标参考像元光谱之后,将参考光谱矢量和白化数据协方差矩阵输入CEM算子,得到小目标的探测结果.最后利用高分辨率影像进行定性评价,并选取3个重点区域,通过计算模型探测结果的信噪比、探测率、漏检率和虚警率进行定量评价.研究结果表明,HA-WP-CEM探测模型在运行简易性、可靠性、实用性和准确性等方面均明显优于直接采用CEM、WP-CEM等方法.同时该模型在数据变换、抑制背景、降噪等方面也达到了很好的效果.     

一种切空间协同表示的高光谱遥感影像分类方法

协同表示分类（collaborative representation classification,CRC）算法近年来成为高光谱遥感分类的研究热点。地物类别间区分性不高会严重影响现有CRC算法的性能。流形结构可有效地解决非线性问题,并解决高光谱遥感影像因数据冗余导致的类别间区分性低的问题。提出了一种基于切空间的高光谱遥感影像协同表示分类算法（tangent space collaborative representation classification,TCRC）和一种基于欧氏距离的自适应加权的切空间协同表示分类算法（weighted tangent space collaborative representation classification,WTCRC）。TCRC算法利用测试样本的切平面来估计区域流形,在测试样本的切空间中使用协同表示算法,寻找测试样本在各类训练样本中的最优线性表示估计,并用其最小误差来对测试样本进行分类。在此基础上,利用测试样本邻域像元、训练样本与测试样本的欧氏距离作为权矩阵来自适应调整各样本对测试样本的影响。实验采用ROSIS（reflective optics system image spectro-meter）和AVIRIS（airbone visible infrared imaging spectrometer）高光谱遥感影像对所提出算法的性能进行了评价,结果表明TCRC和WTCRC在分类效果上比CRC有明显的提升,WTCRC相较于TCRC具有更好的分类效果,具有更强鲁棒性。     

显著性权重RX高光谱异常点检测

高光谱图像异常点检测中,传统RX异常点检测算法忽略了空间相关性,背景估计不准确。本文提出了一种基于图像局部邻域光谱显著性分析的加权RX算法。该算法通过引入图像显著性分析,对基于概率密度为权重的图像背景建模进行改进,建立光谱显著性权重图,重新定义RX算法中的均值向量和协方差矩阵,并给不同的目标赋予不同的权值,达到优化背景估计的目的。利用合成高光谱数据和真实高光谱数据进行异常点检测实验,结果表明,对于同一组数据,本文算法检测到的异常点数比传统算法多,虚警率较低,有效地提高了检测率。     

独立成分分析的高光谱异常变化检测

遥感探测到的小目标信号一般是弱信号,利用传统的高光谱异常变化检测方法直接抑制背景来突出异常变化目标,往往导致小目标弱信号同时被抑制,造成目标探测率低、虚警率高。基于独立成分分析方法,研究了弱信号小目标的高光谱变化检测模型,该模型首先通过投影寻踪将异常变化影像投影到独立成分,突出异常变化目标,然后再抑制背景,从而达到异常变化目标和背景的有效分离。该模型可以有效降低虚警率,提高探测率。利用模拟数据和真实数据进行了精度验证,结果表明,利用模拟数据得到的探测精度为99%,利用真实数据得到的检测精度为86%,与传统异常变化检测算法相比,精度最高提高了9%。本文研究方法适用于弱信号小目标的高光谱异常变化检测。     

高光谱影像子空间分析孤立森林异常目标探测方法

复杂的背景信息和高维冗余波段是影响高光谱遥感影像异常目标检测精度的重要因素.本文针对高光谱影像异常目标提取提出了一种子空间分析孤立森林探测方法.该方法不对背景做高斯分布假设,通过正交子空间分析增强输入特征影像中潜在异常目标与背景之间的对比度,通过主成分分析法降维来降低孤立森林算法带来的不确定性,运用了全局和局部结合的思...     

富二价铁岩石信息提取及在铀矿勘查中的应用

本文利用航空高光谱CASI数据和岩石的光谱特征,提出一种快速提取富含Fe2+岩石信息的算法,并由此获取辉绿岩脉信息。经过实地验证,数据处理结果的精度较高,处理结果中辉绿岩脉规模及其走向等特征清晰。将提取的结果与铀矿异常信息对比分析,发现富含Fe2+的辉绿岩脉与铀异常具有很强的相关性。通过利用这种方法,在研究区南部又新发现了两条辉绿岩脉构造。     

应用稀疏非负矩阵分解聚类实现高光谱影像波段的优化选择

针对高光谱影像数据高维性、高度相关性和冗余性等特点,提出应用稀疏非负矩阵分解聚类实现高光谱影像波段的优化选择。通过稀疏非负矩阵分解方法对高光谱影像进行稀疏化表示,同时顾及其可聚类的特性,在保留所选波段物理意义的基础上,得到波段选择后的高光谱影像降维数据。通过该方法对PHI-3高光谱影像进行波段选择的试验分析,应用聚类特征有效性分析波段聚类结果,并采用波段子集的信息量、相关性和可分性3类评价指标来验证方法的效果。最终,从运行效率和分类精度两方面证明了基于无监督聚类的稀疏非负矩阵分解对高光谱影像的波段选择的实用性。     

一种基于高斯马尔可夫随机场的异常目标探测方法

利用高斯马尔可夫随机场模型描述像元的邻域相关性信息,并将这种邻域信息引入到局域异常探测器中,提出了一种顾及邻域信息的高光谱遥感影像局域异常目标探测算法。实验证明,该方法克服了传统异常探测方法仅仅利用光谱信息的不足,比经典的RX算法的探测效果更好,并且可以更有效地探测出大于一个像元的异常目标。     

基于多尺度超像素的高光谱图像分类研究

随着遥感技术的快速发展,高光谱遥感影像的分类方法研究受到普遍关注.现有高光谱遥感影像分类研究采用单一尺度下的超像素方法进行图像分割处理,无法确定最佳超像素个数,较易忽视图像细节信息,且单一核矩阵无法表征多特征信息导致分类精度降低.因此,本研究拟在多尺度下采用超像素分割方法对高光谱影像的第一主成分分量进行多尺度超像素分割...     

天宫一号高光谱数据相关检测法蚀变信息提取

天宫一号高光谱成像仪是目前中国空间分辨率和光谱综合指标最高的星载光谱成像仪.针对天宫一号高光谱数据,提出了一种基于波段相关检测的蚀变信息提取方法.该方法在对天宫一号高光谱数据进行波段相关检测提取蚀变异常特征波段的基础上,结合异常探测、端元提取和光谱匹配等方法的各自优势进行天高一号高光谱数据的蚀变信息提取.利用该法成功提取了天宫一号高光谱数据中的Al-OH矿物蚀变异常及4种蚀变矿物,结果表明该方法可以有效提取天宫一号高光谱数据中的蚀变信息,有助于天宫一号高光谱数据在地质矿产资源调查中发挥巨大的应用潜力.     

基于多孔径映射的高光谱异常检测算法

针对高光谱遥感异常检测中复杂背景与异常目标之间光谱特征相关性导致背景模型难以准确估计的问题,提出了一种基于多孔径映射的高光谱遥感异常检测算法。首先,不同于背景建模提取背景特征的方法,多孔径映射从不同角度提取数据特征,通过构建基集合表征高光谱数据的光谱特性,获得用于衡量统计差异的异常显著性指标。其次,为了实现对具有适中及低异常显著性像素的精细分析,本文基于模糊逻辑理论构建隶属度函数获得关于像素异常显著性的连续性属性标记,并将隶属度值作为权重,通过加权迭代过程实现多孔径映射的自适应收敛。最后,借鉴模糊逻辑理论中的去模糊机制,对多孔径检测结果进行融合,获得最终的检测结果。本文仿真试验采用高光谱遥感数据,从稳健性及对低显著度目标敏感性方面对算法进行验证。