3D卷积自编码器高光谱图像分类模型

作者：石延新; 何进荣^*; 李照奎; 曾志高

来源：中国图象图形学报, 2021, 26(08): 2021-2036.

• 遥感图像分类
• 空谱特征融合
• 3D-CNN
• 自编码器
• 卷积神经网络(CNN)
• 深度学习

目的高光谱图像分类是遥感领域的基础问题,高光谱图像同时包含丰富的光谱信息和空间信息,传统模型难以充分利用两种信息之间的关联性,而以卷积神经网络为主的有监督深度学习模型需要大量标注数据,但标注数据难度大且成本高。针对现有模型的不足,本文提出了一种无监督范式下的高光谱图像空谱融合方法,建立了3D卷积自编码器(3D convolutional auto-encoder, 3D-CAE)高光谱图像分类模型。方法 3D卷积自编码器由编码器、解码器和分类器构成。将高光谱数据预处理后,输入到编码器中进行无监督特征提取,得到一组特征图。编码器的网络结构为3个卷积块构成的3D卷积神经网络,卷积块中加入批归一化技术防止过拟合。解码器为逆向的编码器,将提取到的特征图重构为原始数据,用均方误差函数作为损失函数判断重构误差并使用Adam算法进行参数优化。分类器由3层全连接层组成,用于判别编码器提取到的特征。以3D-CNN(three dimensional convolutional neural network)为自编码器的主干网络可以充分利用高光谱图像的空间信息和光谱信息,做到空谱融合。以端到端的方式对模型进行训练可以省去复杂的特征工程和数据预处理,模型的鲁棒性和稳定性更强。结果在Indian Pines、Salinas、Pavia University和Botswana等4个数据集上与7种传统单特征方法及深度学习方法进行了比较,本文方法均取得最优结果,总体分类精度分别为0.948 7、0.986 6、0.986 2和0.964 9。对比实验结果表明了空谱融合和无监督学习对于高光谱遥感图像分类的有效性。结论本文模型充分利用了高光谱图像的光谱特征和空间特征,可以做到无监督特征提取,无需大量标注数据的同时分类精度高,是一种有效的高光谱图像分类方法。

• 单位
  湖南工业大学; 沈阳航空航天大学