高光譜圖像波段選擇方法的研究.pdf

1、隨著遙感技術(shù)和成像光譜儀的發(fā)展,高光譜遙感圖像的應(yīng)用越來越廣泛,但其具有波段數(shù)多、數(shù)據(jù)量龐大等特點(diǎn)給高光譜圖像的分類、識(shí)別等帶來了很大的困難。例如,信息冗余度高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需空間大、處理時(shí)間長(zhǎng),且由于高光譜圖像的波段數(shù)多,容易出現(xiàn)維數(shù)災(zāi)難現(xiàn)象,即分類精度下降。因此,在保證地物分類識(shí)別率的情況下,減少數(shù)據(jù)量、節(jié)省資源的降維處理是非常有必要的。特征提取和波段選擇是高光譜圖像的兩種主要降維方法。利用特征提取進(jìn)行降維,算法復(fù)雜、計(jì)算量較大,且是

2、通過某種變換來實(shí)現(xiàn)降維目的,因其改變了原始數(shù)據(jù)的物理意義而不利于數(shù)據(jù)的解譯。相比之下,波段選擇是從高光譜圖像所有波段中選擇起主要作用的波段子集,不僅能大大降低高光譜圖像的數(shù)據(jù)維數(shù),而且能比較完整地保留有用的信息,更具特殊意義。
　　高光譜圖像的波段選擇是一種很復(fù)雜的波段組合優(yōu)化問題,它要求所選的波段組合有較好的性能,即選擇出信息量較大、相關(guān)性較小、類別可分性較好的波段組合。波段選擇技術(shù)包括兩方面:一方面是準(zhǔn)則函數(shù),另一方面是搜索方

3、法?，F(xiàn)有的波段選擇方法大多不能兼顧時(shí)間效率和精解效率兩個(gè)方面,研究一種兼顧時(shí)間效率和精解效率的波段選擇方法是急需解決的問題?；诖?本文在悉心總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)高光譜圖像波段選擇做了深入的研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1、結(jié)合遺傳算法和蟻群算法的高光譜圖像波段選擇。通過對(duì)遺傳算法和蟻群算法的深入研究,得知遺傳算法具有快速性、隨機(jī)性和全局收斂性而蟻群算法具有正反饋性和求解效率高的特點(diǎn)。該算法首先利用遺傳算法以較快的尋優(yōu)能力獲

4、得幾組較優(yōu)解,以此來初始化蟻群算法的初始信息素列表,然后用蟻群算法以較高的求精解能力獲得最優(yōu)解,并且在遺傳算法部分中采用四進(jìn)制的編碼方式,使得算法編/譯碼簡(jiǎn)單、遺傳算子操作簡(jiǎn)捷、處理時(shí)所占空間小,同時(shí)在蟻群算法部分中巧妙地對(duì)預(yù)處理圖像進(jìn)行子空間劃分來縮小螞蟻搜索的范圍,提高了算法的搜索效率,減小了輸出波段組合的相關(guān)性和冗余度。由于該算法充分地吸取遺傳算法和蟻群算法的優(yōu)點(diǎn),并且克服各自的缺陷,是一種計(jì)算耗時(shí)少、收斂性能好的波段選擇方法。利

5、用AVIRIS圖像對(duì)提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該算法在精解效率和時(shí)間效率方面都獲得較好的效果。
　　2、結(jié)合擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法的高光譜圖像波段選擇。擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法是一種新的群體隨機(jī)搜索算法,具有較好的全局搜索能力,不易陷入局部最優(yōu),且具有穩(wěn)定和快速收斂的特點(diǎn)以及較好的魯棒性。該算法已經(jīng)在單、多目標(biāo)優(yōu)化問題中得到了很好的應(yīng)用?；诖?文中將擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法應(yīng)用于高光譜圖像的波段選擇。由于擬態(tài)物理學(xué)優(yōu)化算法是一種較新的算

6、法,算法中的質(zhì)量函數(shù)和引力參量對(duì)算法性能有著至關(guān)重要的影響,因此本文分別對(duì)這兩個(gè)重要因素做了深入研究。在本文的算法中,采用了類間可分性和波段組合的信息量?jī)蓚€(gè)主要性能指標(biāo)的權(quán)重組合作為適應(yīng)度函數(shù),此外,在算法開始時(shí)先對(duì)高光譜圖像進(jìn)行了子空間劃分,使得最優(yōu)解中的波段間相關(guān)性較小,冗余度低。本文算法與基于蟻群、遺傳和粒子群算法的波段選擇方法相比,由實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文方法是一種搜索效率和精解效率都比較好的波段選擇方法。
　　3、快速SGA

7、算法的構(gòu)建及在波段選擇中的應(yīng)用。原始SGA算法是一種光譜端元選擇方法,主要是通過計(jì)算端元組合形成單型體的體積來選擇端元,其最終選擇的端元組合較穩(wěn)定,解決了N-FINDR算法解的不穩(wěn)定,但其計(jì)算量相當(dāng)大。而本文提出的快速SGA算法是利用距離計(jì)算取代體積計(jì)算,使得在選擇端元效果相當(dāng)?shù)那闆r下提高了算法的時(shí)間效率。另外,由于端元選擇可以很好地移植于波段選擇中,文章提出了利用快速SGA算法進(jìn)行波段選擇的思想。
　　本文提出的三種算法各有優(yōu)點(diǎn)