随机森林在高光谱遥感数据中降维与分类的应用

高光谱数据的特征数目庞大,而且波段之间存在冗余信息,对高光谱数据进行分类的成本较高,因此需要提取合适的特征达到提高效率的目的.随机森林作为一种热门算法,广泛应用于各种分类、特征选择等问题中,均取得了良好的效果.本文选择北京小汤山农业试验区的OMIS高光谱影像作为研究数据,利用随机森林算法计算每个特征的重要性指标并对其排序,针对面向精度和效率的特征选择策略,使用RF-RFE波段选择方法去除价值低的特征分别得到最佳波段组合,实现高光谱数据降维,进行随机森林、支持向量机分类.实验结果表明随机森林分类精度为72.82%,SVM分类精度为65.21%,随机森林分类器优于SVM,是一种较好的高光谱数据分类器.     

基于小波分析的Hyperion影像地物分类波段宽度

【目的】高光谱遥感为地物的精细识别提供优势的同时,也带来了数据量多、波段间相关性大、处理精度和效率下降等问题,而且在遥感分类中并不是使用的通道越多、波段越窄效果越好。因此笔者从光谱角度出发探讨降低高光谱数据量,以寻求适宜遥感分类波段宽度的方法。【方法】首先对Hyperion影像进行处理,主要包括去除未定标和受水汽影像波段、坏线、条纹和Smile效应,辐射定标和大气校正处理后得到161个波段,对选用的LIR级数据进行几何校正。根据样地调查情况确定试验区待分类别,对提取的14类地物样本平均光谱进行7次Sym3小波分解,由得到的小波细节系数方差和小波细节系数熵分析适宜各类型识别的光谱区间,然后将不同光谱区间内窄波段进行小波融合,最后选取支持向量机方法进行分类识别。【结果】美人松林、落叶松林、樟子松林、针叶混交林、阔叶混交林、火烧迹地、水体、耕地和未利用地9类地物识别的适宜光谱分辨率为40 nm,剩余5种地物识别的适宜光谱分辨率为80 nm,不同光谱区间对应的波段数大大降低,且最终分类精度总体都达到81%以上。【结论】将小波分析与支持向量机方法(SVM)结合,解决了高光谱存在的“维数灾难”问题,提高了高光谱数据的利用率,遥感分类中并不是使用的通道越多、波段越窄效果越好。     

结合波段选择的差分进化高光谱图像分类

高光谱图像具有数据维数高、有标签样本少的特点,影响了现有分类方法的效果。针对这一情况,提出一种结合波段选择的半监督分类算法。该算法首先通过波段选择方法,去除高光谱图像中的冗余信息,进而降低复杂度和提高泛化能力;然后通过差分进化算法交叉变异无标记样本,选取置信度高的样本扩充入标记样本群以提高分类精度。实验结果表明,该算法能够有效地提升在标记样本有限的情况下分类器的分类精度与分类速度。     

基于k-means++的多分类器选择分类研究

【目的】机器学习中不同算法适用于具有不同分布特征的数据集。在用整个训练集上训练得到的单个分类器预测新样本类别时,由于缺少对局部区域样本的针对性,可能导致分类器对某一区域数据的预测能力较差而产生错误分类。为了解决这个问题,提出基于k-means+ +的多分类器选择算法。【方法】首先用3种分类综合性能较好的算法———Ada-Boost、SVM、随机森林(RF)在训练集上分别训练得到3个分类器作为候选基分类器,然后利用k-means++算法将训练数据集分为k个簇,用3个候选分类器分别对每个簇进行分类测试,选择对这一簇中数据分类精度最高的分类器作为与它的数据相似数据的分类器。在对新样本进行类别预测时,首先判定样本属于哪个簇,然后用它的分类器进行分类预测。【结果】实验结果表明,新算法在9个UCI数据集上优于单个分类算法。【结论】基于局部区域动态选择最优分类器可以提高模型分类准确性。
     

基于Sentinel-2光谱与地形特征的山区森林分类——以武夷山国家公园为例

为了提高山区复杂地形条件下的森林分类精度，以武夷山国家公园为研究区开展山区森林分类研究.以Sentinel-2遥感影像作为数据源，采用多尺度分割方法进行影像分割，并通过ESP2算法选取影像的最优分割尺度.首先构造了Sentinel-2光学影像的初始27维光谱特征，通过计算随机森林Gini指标对分类特征变量进行优化，最终确定17维最优特征变量，然后将提取的研究区地形特征与最优特征变量相结合，应用随机森林算法进行森林分类.结果表明：在27维光谱特征中选取重要性排名前17的特征参与分类时，精度最高值为0.911 0，其中，Sentinel-2影像的红、红边和近红外波段及其相应的光谱指数在森林分类中有较高重要性；在不同的特征参与分类时，在参考光谱特征中依次加入红边指数和地形因子，分类的总体精度分别为88.13%、89.50%、90.87%,Kappa系数分别为0.854 6、0.871 0、0.887 8.研究证明将Sentinel-2丰富的光谱特征与地形因子相结合，可有效获取各森林地物类型在不同地形特征下的不同光谱特征，此方法在森林地物信息提取中具有较高的应用价值，为今后地形复杂的山区森林进...     

遗传关联向量机高光谱影像分类

基于高光谱影像临近波段相关性高, 直接在高维空间分类并非最优,并且使用交叉验证进行分类器参数寻优过程繁琐,提出了遗传关联向量机（GA RVM）高光谱影像分类算法,使用遗传算法搜索面向关联向量机（RVM）的最优参数和特征子空间, 消除冗余信息, 简化参数优化过程.实验环节验证了GA RVM算法的有效性,剔除约50%冗余波段后,总体分类精度提高3%, 对难分地物改进尤为明显, 其中混分最严重的2种大豆精度提高了8%.     

基于非参数分类算法和多源遥感数据的单木树种分类

【目的】通过研究随机森林(random forest, RF)特征筛选对单木树种分类精度的影响,以及多源遥感数据协同下单木树种分类的有效性,分析不同特征对单木树种分类的影响程度。【方法】以东北林业大学帽儿山实验林场中林施业区的两块100 m×100 m样地为研究对象,首先,以机载激光雷达(LiDAR,light detection and ranging)和多光谱遥感CCD(charge coupled device)影像为数据源,分别基于机载LiDAR数据提取高度、强度和树冠大小等共37个特征,基于CCD影像提取光谱和纹理共21个特征;其次,以随机森林方法进行特征筛选,之后以随机森林和支持向量机(support vector machine, SVM)两种非参数分类器,结合不同数据源和特征,采用12种分类方案,利用总体精度(overall accuracy, OA)、用户精度(user’s accuracy, UA)和生产者精度(producer’s accuracy, PA)对分类结果进行对比与精度评价。【结果】经随机森林特征筛选后,分类结果优于未进行特征筛选的结果,总体精度可以平均提高3.47%,使用机载LiDAR和CCD影像协同分类相较于仅使用CCD影像总体精度平均提高6.07%。【结论】随机森林特征筛选可以优化特征,减少特征冗余,提高分类精度;多源数据结合也可以提高分类精度;在多源数据结合时,光谱特征最重要,LiDAR提取的强度特征相较于高度特征更稳定。     

基于随机森林算法的城区土地覆盖分类研究

随机森林算法是一种高度灵活且易于使用的机器学习算法,目前在遥感影像分类中应用广泛。为了验证其在城市土地覆盖分类中的效果,本文对河南省洛阳市局部城区进行了土地覆盖分类实验,将Landsat 8(OLI)遥感影像的光谱波段、光谱指数和纹理特征相结合,构成多种特征组合进行随机森林算法分类比较,选择分类效果最佳方案,并与支持向量机方法进行比较。后利用随机森林算法对该组合特征变量高维数据进行降维处理,得到优化特征方案。实验结果表明:采用多源特征组合的随机森林算法的土地利用分类效果最佳,总体精度为90.54%,Kappa系数为0.890,比支持向量机方法的分类精度提高了3.1%;降维处理后的特征方案与随机森林结合在保证分类结果拥有高准确度的同时,减少了运算时间,实现了土地覆被类型信息的高效获取。表明随机森林算法在城区土地覆盖分类上有很好的适用性与稳定性。     

混合光谱分解实验研究

混合光谱分解研究对提高遥感识别地物信息精度具有重要意义.实验室模拟混合光谱分解模型可以作为遥感影像混合像元分解的基础,为地物分类提供经验模型和理论依据.对土壤-植被混合模型进行实验室模拟,对原始光谱反射率进行一阶微分、对数、去连续统变换,运用特征波段法和相似系数法拟合回归方程,并对比模型精度.结果表明基于对数变换数据的...     

结合局部全局一致性和支持向量机的半监督分类方法

半监督分类方法通过提取无标签样本的信息,结合有限的有标签样本,克服了高光谱图像准确地物标签样本不足的问题,有效提高了图像的分类精度。局部全局一致性算法是一种基于图的标签传递半监督分类方法,具有性能良好,易于求解以及能够有效反映所有样本间关系的优点,但是其分类结果极不稳定,不利于实际应用。支持向量机是高光谱图像的分类领域应用最广的监督分类方法,拥有较强的鲁棒性,但是由于高光谱图像中有标签的样本不一定能够代表该类地物的全部特征,其分类结果也有可能出现波动性较大的问题,分类精度不理想。因此本文提出了一种结合局部全局一致性和支持向量机的半监督分类算法,通过迭代不断提取两种算法中分类结果相同的部分扩充有标签样本集,然后通过支持向量机进行分类,大幅度提高了分类精度和稳定度。     

联合空谱信息和Gabor特征的高光谱人脸识别算法

提出一种采用高光谱图像的人脸识别算法.根据人脸肤色在可见光范围内的光谱特征进行波段选择并依据人脸结构特征,对选定波段的灰度图像进行Gabor特征提取.最后分别进行特征层上的融合识别和决策层上的融合识别.特征层融合的权重系数由反射率和正确识别率共同决定,决策层融合算法采用"最高票当选制"原则.利用香港理工大学的高光谱人脸数据库对进行验证.结果证明,本文算法在识别速度和正确识别率方面都得到了显著改善,在3幅训练样本情况下,正确识别率达到96.5%.相对于全波段参与识别,识别速度提高了约3倍.      

基于光谱特征的玉米品种高光谱图像识别

为了对玉米种子进行无损识别分类,对玉米种子的高光谱图像的光谱信息进行分析,探索高光谱图像技术在玉米种子识别分类上的可行性。利用波长范围为400～1 000 nm的高光谱图像采集系统采集11类共528粒玉米样本的高光谱图像;在每个玉米样本上提取感兴趣区域并获取此区域的平均光谱信息,对光谱曲线进行分析,去除12个奇异样本;结合偏最小二乘判别分析法对所选玉米种子样本识别分类。实验结果表明,在所选玉米样本的识别中训练集样本的识别精度可以达到99.22%,测试集样本的识别精度也达到了94.66%。研究结果表明,不同种类的玉米种子的光谱信息具有一定的差异性,利用高光谱图像技术提取其光谱信息对玉米种子品种进行无损识别分类是可行的。     

基于多任务学习及Faster R-CNN的SAR目标图像识别分类

针对合成孔径雷达(SAR)目标图像识别分类中分类特征利用率低、精度差及图像特征提取时运算复杂、效率差的问题,利用非下采样剪切波变换(NSST)方向敏感性和平移不变性提取SAR目标图像的光谱纹理特征,构建基于Faster R-CNN(region-based convolutional neural network)的可同时完成目标图像识别、鉴别及分类的多任务网络模型。实验结果表明,该方法在有限的SAR图像数据支持下仍有较好的识别率,且算法优于传统的神经网络(NN)、支持向量机(SVM)及基于稀疏表示(Sc SPM)等分类方法。在MSTAR公开数据库上,平均识别率达到98.13%。     

基于小波变换和改进PCA的人脸特征提取算法

针对在人脸图像高维数据降维时单纯使用主成分分析(PCA)算法的提取精度和速度受限问题,  提出一种基于小波变换和改进PCA的混合特征提取算法. 该方法首先对人脸图像进行小波分解, 选取低频分量对人脸图像进行特征提取;然后利用改进的PCA算法进行主成分提取, 获得代表人脸特征的特征向量; 最后将该算法应用于Olivetti Faces人脸库数据集的图像分类. 实验结果表明, 经过该混合算法处理后的图像特征数据, 由卷积神经网络(CNN)算法分类识别时准确率提升10%, 识别速度提高约37%.     

结合Gabor滤波和同质性判定的高光谱图像分类

针对传统高光谱图像分类算法多利用目标类别光谱信息而忽略空间信息的问题,提出了一种综合利用空间信息与光谱信息的分类算法．首先,利用主成分分析（PCA）和无参数加权特征提取（NWFE）分别对高光谱数据进行特征提取;然后,在PCA第一主成分的基础上进行二维Gabor滤波得到像元纹理特征,结合纹理信息与光谱信息利用支持向量机对图像分类;最后利用多尺度区域同质性判定进一步改进图像分类精度．实验表明,该算法能够消除“噪声”像元,有效地提高图像分类精度．     

基于光谱主次吸收谱带组合特征相似性测度的高光谱遥感矿物信息提取

吸收谱带组合特征是识别和区分具体矿物类型的重要参量。研究表明,地物单一光谱特征不稳定性无法全面反映地物光谱间的相似性,直接影响识别效果。提出一种基于矿物光谱的主次吸收谱带组合特征的相似性测度方法;该方法基于光谱主次吸收特征的最小二乘相似性拟合法,对光谱特征较稳定的主、次吸收特征参量赋以不同的权重系数,将图像光谱与标准光谱库中各个参考光谱分别在主吸收特征与次级吸收特征波段进行加权比较,从而得到识别结果。基于CAIS/SASI机载高光谱数据,IDL编程实现光谱主次吸收特征最小二乘相似性拟合算法对实验区的绢云母、绿泥石蚀变矿物信息提取,并与常规光谱角制图处理结果的比较分析,发现新算法能更细致地进行高光谱遥感地物信息提取,有较强的实用性。     

基于可见光-近红外光谱的煤种分类方法

利用便携式地物光谱仪SVC HR-1024对92个烟煤和58个褐煤样本进行光谱测试,烟煤和褐煤在可见光-近红外波段光谱特征差异明显,褐煤的光谱反射率及其斜率均明显高于烟煤.在光谱特征分析的基础上,利用MAO模型法、随机森林法、BP神经网络法和ELM算法进行煤种分类.结果表明:MAO模型法和随机森林法的分类结果较优.若进行大面积、快速遥感识别时,对分类时间要求较高,应选择MAO模型法;若是小面积单一矿区分类,对分类准确率要求较高,选择随机森林法较为恰当.     

基于高光谱成像技术的水果品质无损检测

高光谱图像技术结合光谱技术与计算机图像技术两者的优点,可获得大量包含连续波长光谱信息的图像块,其图像信息可检测水果的外部品质,光谱信息则可用于水果内部品质的检测,达到根据水果内、外部综合品质进行分类的目的.综述了国内外将该技术应用于水果品质检测方面的研究进展,提出了利用高光谱图像技术检测苹果轻微损伤的方法,利用500～900 nm的高光谱图像数据,通过主成分分析提取547 nm波长下的特征图像.     

基于最优特征空间构建的随机森林算法在WorldView-2影像分类中的适用性研究

目前面向对象的分类研究中,对于研究区影像的分割尺度问题多以试验者的多次试验以及主观推断为主,缺乏定量化的评价标准。同时,在对遥感影像分类的算法选择以及在分类过程中,有效特征空间的选取均存在一定程度的主观性。针对遥感影像面向对象分类过程中分割尺度选择盲目及分类空间构造主观性较强的问题,以World View-2遥感影像数据为例,首先利用改进的全局最优分割尺度的方法获取研究区影像的最优分割尺度,在此基础上选取了研究区分割对象的48个特征,利用OOB误分率对各个特征的重要性排序;然后按重要性顺序以5为步长讨论特征数量对分类精度的影响,构建了用于分类的最优特征空间;最后将采用最优特征空间的随机森林算法获得的最佳分类结果,与面向对象的最邻近像元、决策树以及支持向量机分类算法进行了比较。结果表明,用于分类的特征数量与分类精度之间,并不是简单的正相关关系;与面向对象的最邻近像元、决策树以及支持向量机分类算法相比,利用最优特征空间进行随机森林分类的分类精度最高,表明该方法更适合于高分辨率World View-2数据的分类。