一種基于理想正則化組合核的高光譜圖像分類方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高光譜圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于理想正則化組合核的高 光譜圖像分類方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高光譜圖像分類一直是遙感圖像處理領(lǐng)域的研究熱點，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物分 析、軍事目標識別和地理地質(zhì)等領(lǐng)域。分類的關(guān)鍵在于確定樣本之間的相似性。核函數(shù)常 用于度量樣本之間的相似性，相應(yīng)的核分類器在遙感圖像分類中得到了成功的應(yīng)用。
[0003] 2004年F.Melgani等人直接基于光譜特征，建立光譜核，并利用支持向量機進行 高光譜圖像分類，取得了較好的效果。核函數(shù)用于度量樣本之間的相似性具有很好的靈活 性，當(dāng)選擇不同的核函數(shù)時，可以得到不同的度量關(guān)系。例如，線性核和高斯核分別可以度 量樣本之間的線性和非線性相似關(guān)系。2005年，G.Camps-Valls等人對不同核函數(shù)進行了 全面的比較分析，結(jié)論表明核分類器在小樣本、高維數(shù)、噪聲數(shù)據(jù)條件下仍具有優(yōu)越性能； 進一步，該團隊在2006年提出了光譜一空域組合核分類方法，該方法基于光譜特征和空域 特征建立光譜核和空域核，然后將光譜核和空域核進行組合得到光譜一空域組合核，輸入 支持向量機進行分類。由于聯(lián)合利用了光譜信息和空域信息，該方法取得了很好的效果。
[0004] 但是，上述的這些核均只是描述樣本或特征向量之間的相似性，并沒有考慮樣本 對應(yīng)的標記之間的相似性。而事實上，當(dāng)兩個樣本屬于同一類，即有相同類別標記時，它們 之間應(yīng)該是相似的；也就是說，同類樣本本質(zhì)上應(yīng)該是相似的。因此，在描述數(shù)據(jù)相似性時， 不僅要考慮樣本之間的相似性，還要考慮樣本對應(yīng)的標記之間的相似性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是提供一種基于理想正則化組合核的高光譜圖像分類方法及系統(tǒng)，解 決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于理想正則化組合核的高光譜圖像分類方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，輸入待分類的高光譜圖像，劃分訓(xùn)練樣本和測試樣本；
[0009] 步驟2,提取各訓(xùn)練樣本的光譜特征向量，構(gòu)建訓(xùn)練樣本的光譜特征向量集；根據(jù) 各訓(xùn)練樣本的鄰域像素，求解各訓(xùn)練樣本的空域特征向量，構(gòu)建訓(xùn)練樣本的空域特征向量 集；
[0010] 步驟3,根據(jù)訓(xùn)練樣本的光譜特征向量集和空域特征向量集，分別構(gòu)建原始光譜核 和原始空域核；
[0011] 步驟4,根據(jù)原始光譜核、原始空域核和訓(xùn)練樣本對應(yīng)的標記，構(gòu)建理想正則化光 譜一空域組合核優(yōu)化模型；
[0012] 步驟5,基于理想正則化光譜一空域組合核優(yōu)化模型，求解最優(yōu)正則化光譜一空 域組合核；
[0013] 步驟6,將最優(yōu)正則化光譜一空域組合核代入核分類器，對各測試樣本進行分類。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：根據(jù)訓(xùn)練樣本的光譜特征向量集和空域特征向量集，分別 構(gòu)建原始光譜核和原始空域核；根據(jù)原始光譜核、原始空域核和訓(xùn)練樣本對應(yīng)的標記，構(gòu) 建理想正則化光譜一空域組合核優(yōu)化模型，求解最優(yōu)正則化光譜一空域組合核；將最優(yōu)正 則化光譜一空域組合核代入核分類器，實現(xiàn)對測試樣本的分類；在理想正則化光譜一空域 組合核優(yōu)化模型的構(gòu)建中，同時考慮樣本之間的相似性和樣本對應(yīng)的標記之間的相似性， 使求解得的最優(yōu)正則化光譜一空域組合核同時描述樣本之間的相似性和樣本對應(yīng)的標記 之間的相似性，提高核相似性度量的準確性及分類結(jié)果的準確性。
[0015] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0016] 進一步，所述訓(xùn)練樣本的光譜特征向量集為{xdX2,…x，·，XN};
[0017] 其中，xn為任一訓(xùn)練樣本的光譜特征向量，ne{1，2, 3……N};所述N為訓(xùn)練樣本 的個數(shù)；
[0018] 所述根據(jù)各訓(xùn)練樣本的鄰域像素，求解各訓(xùn)練樣本的空域特征向量，構(gòu)建訓(xùn)練樣 本的空域特征向量集的具體實現(xiàn)為：
[0019] 按如下第一公式計算各訓(xùn)練樣本的空域特征向量；
[0020] 所述第一公式如下：
[0021 ]xn = (xn + +4：2 + · · ·+ * * ·+x"M) /(M+1)
[0022] 其中，所述七為光譜特征向量為\的訓(xùn)練樣本的空域特征向量；所述xnni是以光譜 特征向量為xn的訓(xùn)練樣本為中心的預(yù)設(shè)鄰域窗口內(nèi)的任一鄰域像素，me{1，2, 3......Μ}; 所述Μ為鄰域像素的個數(shù)；
[0023] 所述訓(xùn)練樣本的空域特征向量集為…元…石}。
[0024] 進一步，所述步驟3的具體實現(xiàn)為：
[0025]根據(jù)選定的核函數(shù)，按如下第二公式構(gòu)建原始光譜核，按如下第三公式構(gòu)建原始 空域核；
[0030] 其中，所述1("°為原始光譜核，Ks°為原始空域核，Kw° (Xl，X]) =F(Xl，Χ])，
.,X; e {xi，x2, ... xn...，XN}，Xj e {x D x2, ... Xn...，XN}， -?, .··，.〒、}，.〒，eI.Yp.l，.··.?', ···,.▽'j，ie{1，2, 3......N}，je{1，2, 3......N}； F(u,v)為所述選定的核函數(shù)，其中，所述u和v為所述選定的核函數(shù)的自變量。
[0031] 進一步，所述步驟4的具體實現(xiàn)包括如下步驟：
[0032] 步驟41，根據(jù)訓(xùn)練樣本對應(yīng)的標記，按如下第四公式構(gòu)建理想核；
[0033] 所述第四公式如下：
[0035]
，所述yi為光譜特征向量為Xi的訓(xùn)練樣本對應(yīng)的 標記，所述yj為光譜特征向量為X^的訓(xùn)練樣本對應(yīng)的標記；
[0036] 步驟42,根據(jù)理想核、原始光譜核和原始空域核，構(gòu)建理想正則化光譜一空域組 合核優(yōu)化模型；
[0037] 所述理想正則化光譜一空域組合核優(yōu)化模型如下：
[0039] 其中，所述Γ為優(yōu)化光譜核；所述Ks為優(yōu)化空域核；所述K為優(yōu)化正則化光譜一 空域組合核，且K多0,約束K為半正定矩陣；所述γ為正則化參數(shù)；D(LK2)為任意給定 兩個核1和1(2之間的核距離度量散度；tr(A)表示矩陣Α的跡。
[0040] 進一步，所述步驟5的具體實現(xiàn)包括如下步驟：
[0041] 步驟51，令所述核距離度量散度為馮諾依曼散度，則所述D(LK2)滿足如下第五 公式；
[0042] 所述第五公式如下：
[0043]Ddl) =trdlnKfK!InWIQ
[0044] 令所述優(yōu)化光譜核、優(yōu)化空域核和優(yōu)化正則化光譜一空域組合核之間的關(guān)系滿足 如下第六公式；
[0045] 所述第六公式如下：
[0046] K = μΓ+(1-μ)Γ
[0047] 其中，所述μ為組合系數(shù)，μ彡0;
[0048] 步驟52,將所述第五公式和第六公式代入理想正則化光譜一空域組合核優(yōu)化模 型，得更新理想正則化光譜一空域組合核優(yōu)化模型；
[0049] 所述更新理想正則化光譜一空域組合核優(yōu)化模型如下；
[0051] 步驟53,將所述更新理想正則化光譜一空域組合核優(yōu)化模型分別對所述優(yōu)化光譜 核和優(yōu)化空域核求偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)為零，得優(yōu)化光譜核表達式和優(yōu)化空域核表達式；
[0052] 所述優(yōu)化光譜核表達式如下：
[0053] Γ=exp(InKw〇+γ(1-μ)T)
[0054] 所述優(yōu)化空域核表達式如下：
[0055] Ks=exp(InKs0+γμΤ)
[0056] 步驟54,構(gòu)建組合系數(shù)優(yōu)化模型；
[0057] 所述組合系數(shù)優(yōu)化模型如下：
[0059] 步驟55,令所述優(yōu)化光譜核表達式和所述優(yōu)化空域核表達式中的組合系數(shù)為初始 值，并代入所述組合系數(shù)優(yōu)化模型中，采用線性規(guī)劃方法，優(yōu)化求解得優(yōu)化組合系數(shù)；
[0060] 步驟56,求優(yōu)化新組合系數(shù)與初始值的差值的絕對值；判斷所述絕對值是否小于 預(yù)設(shè)值，及步驟55執(zhí)行的次數(shù)是否達到預(yù)設(shè)次數(shù)；當(dāng)所述絕對值小于預(yù)設(shè)值，和/或步驟 55執(zhí)行的次數(shù)達到預(yù)設(shè)次數(shù)時，則將優(yōu)化組合系數(shù)作為最優(yōu)組合系數(shù)，執(zhí)行步驟57 ;否則， 將優(yōu)化組合系數(shù)作為初始值，返回執(zhí)行步驟55 ;
[0061] 步驟57,將最優(yōu)組合系數(shù)代入所述優(yōu)化光譜核表達式，得最優(yōu)光譜核，代入所述優(yōu) 化空域核表達式，得最優(yōu)空域核；并按如下第七公式求解最優(yōu)正則化光譜一空域組合核；
[0062] 所述第七公式如下：
[0063] Κ^μΚ' +(1-,11)1(-1
[0064] 其中，所述發(fā).為