中文题名: | 基于空谱联合注意力的高光谱遥感图像分类研究 |
姓名: | |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | 中文 |
学科代码: | 081203 |
学科专业: | |
学生类型: | 博士 |
学位: | 工学博士 |
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学位年度: | 2022 |
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研究方向: | 高光谱遥感图像分析与处理 |
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提交日期: | 2022-06-15 |
答辩日期: | 2022-06-15 |
外文题名: | Hyperspectral Remote Sensing Image Classification |
中文关键词: | |
外文关键词: | Hyperspectral image classification ; Deep learning ; Spatial-spectral features ; Attention mechanism ; Lithologic classification |
中文摘要: |
高光谱遥感图像是典型的三维立方体数据,其包含数十甚至上千个光谱波段,不仅可以反映地物的空间特征,而且丰富的光谱信息可以反映地物内在的属性特征,在农业、环境、海洋、气象、地质、军事等多个领域得到了广泛的应用。高光谱遥感图像分类是高光谱图像进行分析和研究的基础,一直以来是遥感领域的研究热点。尽管基于深度学习的方法在此领域取得了突破性进展,但是由于高光谱遥感图像数据量大、波段冗余、特征维度高、标记样本难以获取等原因,分类中存在边界像素易分错、模型训练耗时、标记样本不足等问题,高光谱遥感图像分类仍然面临着严峻的挑战。
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近年来,注意力机制作为深度学习的重要技术之一,可以自动筛选输入数据的关键特征,抑制不重要的特征,得到越来越多国内外研究者的关注。因此,本文根据高光谱遥感数据图谱合一的特点,结合深度学习中的注意力机制,针对高光谱遥感图像分类中边界像素易分错、模型训练耗时、标记样本不足等问题展开研究。本文的主要研究内容、成果和创新如下: (1) 针对高光谱遥感图像中边界像素干扰信息多、易分错的问题,提出了一种基于空谱联合中心注意力网络的高光谱遥感图像分类方法。首先,设计了一个自动打分函数,该函数基于输入特征和目标特征之间的差异,计算所有空谱联合特征与目标特征之间的相关性得分,得分结果与相关性大小成正比;其次,提出了中心注意力模块,该模块基于输入特征的相关性得分,生成对应特征的注意力系数,得分越高系数越大,得分越低系数越小,并将输入特征与对应的注意力系数加权求和,生成新的空谱联合特征。由于新生成的空谱联合特征与目标更相关,这些特征更具区分性和判别性。实验结果表明,提出的空谱联合中心注意力网络能够提取与目标更相关的空谱联合特征,能有效减少边界像素的错分,提升了高光谱遥感图像分类算法的性能。 (2) 针对高光谱遥感图像特征维度高、模型训练耗时的问题,提出了一种基于快速空谱联合中心注意力网络的高光谱遥感图像分类方法。首先,设计了一种光谱联合降维的方法,该方法有效结合主成分分析和线性判别分析,综合利用所有数据的主成分信息和已知样本的标签信息,实现高光谱遥感数据的特征降维;其次,提出了卷积前馈模块,通过采用二维卷积和特征前馈层替代三维卷积,分离提取样本的空间特征和光谱特征,降低特征图的维度。由于输入数据维度的降低和特征图计算量的减少,模型的训练效率得到提升。实验结果表明,基于快速空谱联合中心注意力网络的分类方法不仅可以提升模型的训练效率,而且可以兼顾模型的分类性能。 (3) 针对高光谱遥感图像分类中标记样本难以获取、标记样本不足的问题,提出了一种基于半监督空谱联合图注意力网络的高光谱遥感图像分类方法。首先,设计了一种高光谱遥感图像超像素分割的方法,本文选取图像的前三个主成分数据进行局部区域聚类,将特征相似且距离相近的多个像素分割成超像素块;其次,基于超像素块和空间邻域关系构建节点(样本)的邻接矩阵,采用图注意力网络自动学习节点间的连接权重,进行特征提取和特征聚合。实验结果表明,在标记样本有限的情况下,半监督的空谱联合图注意力网络能够有效利用标记样本和未标记样本的空间信息和光谱信息,提高分类性能。 (4) 为验证本文提出的三种高光谱遥感图像分类方法在实际场景中的有效性,本文选择新疆某地高光谱遥感数据作为研究对象,针对区域内十三类岩性进行分类。实验结果表明,相比现有的基于深度学习的分类算法,本文提出的方法具有明显的优势,可以高效快速地完成不同岩性的分类,为矿产勘查和地质填图提供了强有力的技术支持。 综上,本文针对高光谱遥感图像分类,结合深度学习中的注意力机制,提出了空谱联合中心注意力网络、快速的空谱联合中心注意力网络和半监督的空谱联合图注意力网络等多种分类方法,并在新疆某地的实际场景中进行了不同岩性分类的验证。本文的研究一方面将为高光谱遥感图像的分类提供新思路和新方法,满足高光谱遥感图像数据分析和处理的现实需求;另一方面也将丰富深度学习领域的相关理论。 |
外文摘要: |
Hyperspectral remote sensing images are typical three-dimensional (3D) cube data, containing dozens or thousands of spectral bands, which can reflect the spatial characteristics and the internal attribute characteristics of objects. They are used in many fields such as meteorology, agriculture, geology, environment and military. The classification of hyperspectral remote sensing images is the basis for the analysis and research of hyperspectral data, and is a research hotspot all along in the remote sensing field. Although the methods based on deep learning have made a breakthrough in the remote sensing field, there are still some problems in the classification such as boundary pixels being easily misclassified, time-consuming on model training and insufficient labeled samples, due to the large amount of hyperspectral data, redundant bands, high feature dimension, and difficulty in collecting labeled samples. Therefore, the classification of hyperspectral remote sensing images still faces severe challenges. |
参考文献总数: | 210 |
作者简介: | 赵振刚,博士研究生,主要研究高光谱遥感图像的分析与处理。 |
馆藏地: | 图书馆学位论文阅览区(主馆南区三层BC区) |
馆藏号: | 博081203/22008 |
开放日期: | 2023-06-15 |