閻繼寧,周可法,王金林,王珊珊,汪瑋,李東
1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所新疆礦產(chǎn)資源研究中心,烏魯木齊 830011
2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室,烏魯木齊 830011
3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049
基于SAM與SVM的高光譜遙感蝕變信息提取
閻繼寧1,2,3,周可法1,2,王金林1,王珊珊1,汪瑋1,李東1,2,3
1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所新疆礦產(chǎn)資源研究中心,烏魯木齊 830011
2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室,烏魯木齊 830011
3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049
高光譜遙感技術(shù)是20世紀(jì)80年代遙感領(lǐng)域的最大成就之一,它在空間對地觀測的同時獲取眾多連續(xù)波段的地物光譜圖像,達(dá)到從空間直接識別地球表面物體的目的,因此高光譜遙感器一般又被稱為成像光譜儀。與傳統(tǒng)的多光譜掃描儀相比,成像光譜儀能夠得到上百個波段的連續(xù)圖像,且每個圖像像元都可以提取一條光譜曲線[1]。這種“圖譜合一”的特點,要求人們從光譜維去理解地物在空間維的變換,對二維空間圖像的處理與分析需要轉(zhuǎn)化成對每個像元所提取出的光譜曲線的處理與分析[2]。
蝕變礦物是圍巖蝕變的產(chǎn)物,而圍巖蝕變是熱液礦床成礦作用發(fā)生的重要標(biāo)志之一。圍巖蝕變范圍比礦體的范圍大一至幾十倍,近礦圍巖蝕變形成的蝕變巖石與圍巖的種類、結(jié)構(gòu)、顏色等方面都有明顯差異,這些差異決定了巖石反射光譜特征的差異,并在特定的光譜波段形成了蝕變巖石的特征光譜。應(yīng)用遙感技術(shù)通過在衛(wèi)星圖像上識別特征光譜,提取圍巖蝕變特征,是找礦的有效方法。
目前,常用的高光譜遙感礦化蝕變信息提取方法主要有光譜吸收指數(shù)(Spectral Absorption Index,SAI)、光譜特征擬合(Spectral Feature Fitting,SFF)、光譜角匹配技術(shù)(Spectral Angle Mapper,SAM)等[3-5]。其中,光譜角匹配技術(shù)是基于光譜維曲線相似性的一種度量方法,它通過計算波譜矢量之間的夾角來判斷它們之間的相似性。夾角越小,說明兩者的相似性越大。光譜角匹配技術(shù)識別能力強(qiáng),并可以減弱光照和地形的影響,在地質(zhì)填圖中應(yīng)用廣泛[6]。但是,光譜角的大小只跟兩個比較的光譜矢量方向有關(guān),與其輻射亮度無關(guān),當(dāng)兩種物質(zhì)的波譜矢量方向相似而輻射亮度大小有差別時,區(qū)分效果較差。因此,本文提出SAM和SVM相結(jié)合的綜合分類方法,使用美國內(nèi)華達(dá)州Cuprite銅礦區(qū)的AVIRIS高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合美國地質(zhì)勘查波譜庫(usgs_min.sli)進(jìn)行實驗,結(jié)果表明,該綜合方法可以有效區(qū)分波譜矢量方向相似而大小差別的兩種物質(zhì),有效避免信息的誤提取。
SAM是一個基于自身的波譜分類方法,它是用n維角度將像元與參照波譜匹配,當(dāng)模式類的分布呈扇狀分布時,定義兩矢量之間的廣義夾角余弦為相似函數(shù),即為應(yīng)用較為廣泛的廣義夾角匹配模型。將像元n個波段的光譜響應(yīng)作為n維空間中的矢量,則可以通過計算它與最終光譜單元之間的夾角來表征其匹配程度:夾角越小,表明其越相似(圖1)。兩矢量廣義夾角余弦為:
圖1 光譜角匹配技術(shù)二維示意圖
則:
式中,n為波段數(shù),X=(x1,x2,…,xn),Y=(y1,y2,…,yn)分別表示兩個光譜向量在n波段上的響應(yīng)值,α為光譜角。
最終光譜單元可從光譜庫中得到,也可以直接從圖像中通過選擇訓(xùn)練區(qū)抽取出來。光譜夾角填圖技術(shù)是把實測的(或收集的)端元曲線與影像的各個像元曲線進(jìn)行對比,通過誤差大小得到每個像元與純凈端元的距離,進(jìn)行目標(biāo)地物識別。其中,光譜單元之間的廣義夾角閾值的選擇要靠人為確定,閾值取得過大或過小,都會錯分或漏分目標(biāo)地物[7]。
支持向量機(jī)是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,在解決有限樣本、非線性及高維模式識別問題中表現(xiàn)出許多特有的性能,并且具有強(qiáng)大的泛化能力[8]。其核心思想是以結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化為歸納原則,將數(shù)據(jù)映射到高維特征空間,在高維特征空間中構(gòu)造具有低VC維的最優(yōu)分類超平面作為判決面,使得線性可分的兩類數(shù)據(jù)的間隔最大。對于特征空間非線性可分的情況,則通過核函數(shù)映射把數(shù)據(jù)非線性映射到高維特征空間,在高維特征空間中構(gòu)造最優(yōu)分類超平面[9]。
3.1 線性支持向量機(jī)
設(shè)線性可分樣本集為(xi,yi),i=1,2,…,n,x∈Rd,y∈{+1,-1}是類別標(biāo)號。d維空間中的線性判別函數(shù):g(x)=wx+b,分類面方程可表示為:wx+b=0。
可以對它進(jìn)行歸一化,使得所有樣本都滿足|g(x)|≥1,即離分類面最近的樣本滿足|g(x)|=1,這樣分類間隔就等于。因此,要求分類間隔最大,就是要求|w|(或|w|2)最小;而要求分類面對所有樣本正確分類,就是要求滿足:
因此,滿足上述條件且使|w|(或|w|2)最小的分類面就是最優(yōu)分類面(圖2)。過兩類樣本中離分類面最近的點,且平行于最優(yōu)分類面的超平面H1、H2上的訓(xùn)練樣本,就是使上式等號成立的樣本,稱做支持向量。
圖2 線性可分情況下的最優(yōu)分類面
于是,求最優(yōu)分類面問題可以轉(zhuǎn)化為如下的約束優(yōu)化問題:
這是一個二次凸規(guī)劃問題,由于目標(biāo)函數(shù)和約束條件都是凸的,根據(jù)最優(yōu)化理論,這一問題存在唯一全局最小解。
應(yīng)用Lagrange乘子法并滿足KKT(Karush-Kuhn-Tucher)條件:
最后可得到解上述問題的最優(yōu)分類函數(shù)為:
其中,sgn()為符號函數(shù),a*、b*為確定最優(yōu)劃分超平面的參數(shù),(xi·x)為兩個向量的點積。由式(5)可知,非支持向量對應(yīng)的ai都為0,因此式(6)求和實際只對少數(shù)支持向量進(jìn)行。
3.2 非線性支持向量機(jī)
在線性不可分的情況下,可以在條件yi[wxi+b]-1≥0中增加一個松弛項ξi≥0成為[10]:
圖3 線性不可分情況下的廣義最優(yōu)分類面
3.3 核函數(shù)
通過上面討論,可以得出:最優(yōu)分類函數(shù)(式(6))只包含待分類樣本與訓(xùn)練樣本中的支持向量的內(nèi)積運算??梢?,要解決一個特征空間中的最優(yōu)線性分類問題,只需知道這個空間中的內(nèi)積運算即可。對非線性問題,可以通過非線性變換轉(zhuǎn)化為某個高維空間中的線性問題,在變換空間求最優(yōu)分類面。
根據(jù)泛函的有關(guān)理論,只要一種核函數(shù)K(xi,xj)滿足Mercer條件,它就對應(yīng)某一變換空間中的內(nèi)積。因此,在最優(yōu)分類面中采用適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)K(xi,xj)就可以實現(xiàn)某一非線性變換后非線性分類,而計算復(fù)雜度卻沒有增加。
常用的核函數(shù)有:
(1)線性核函數(shù)(linear kernel),k(x,xi)=(x·xi)。
(2)多項式核函數(shù)(polynomial kernel),k(x,xi)= (s(x·xi)+c)d,其中s、c、d為參數(shù)。顯然,線性核函數(shù)可以看做多項式核函數(shù)的一種特殊情況。
(3)徑向基核函數(shù)(Radical Basic Function,RBF),k(x,xi)=e-γ|x-xi|2,其中γ為參數(shù)。
(4)Sigmoid核函數(shù)(Sigmoid tanh),k(x,xi)=tanh(s(x·xi)+c),其中,s、c為參數(shù)。
4.1 實驗數(shù)據(jù)
使用美國內(nèi)華達(dá)州Cuprite銅礦區(qū)的AVIRIS(Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer,機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀)高光譜數(shù)據(jù)(圖4),結(jié)合美國地質(zhì)勘察波譜庫(usgs_min.sli)進(jìn)行實驗。AVIRIS可提供光譜分辨率10 nm,地面像元分辨率20 m,光譜范圍0.2~2.4μm的擺掃成像。
圖4 美國內(nèi)華達(dá)州Cuprite銅礦區(qū)的AVIRIS高光譜數(shù)據(jù)
Cuprite礦區(qū)被95號公路分成東西兩個南北向拉長的蝕變區(qū)。東邊區(qū)域主要出露巖層有第三系火山巖和第四系沖積巖,而西邊區(qū)域主要出露層有寒武紀(jì)變質(zhì)沉積巖、第三系火山巖和第四系沖積巖。經(jīng)過Ashley和Abrams等人的填圖結(jié)果可知此區(qū)域的蝕變主要可分為硅化帶、蛋白石化帶和泥化帶。硅化區(qū)主要蝕變礦物為大量的石英以及部分方解石,少量的明礬石和高嶺石;蛋白石化帶分布廣泛,主要是蛋白石和一定數(shù)量的明礬石和高嶺石;泥化帶主要有高嶺石、蒙脫石和少量蛋白石。除上面提到的礦物外,在蛋白石化帶和泥化帶中還有低于5%的赤鐵礦。實驗區(qū)巖石出露良好,礦種組合多樣,加上氣候干燥,交通便利,從20世紀(jì)70年代起就成為地質(zhì)研究的重要實驗區(qū)[6,11]。
Clark和Swayze開發(fā)了最為典型的高光譜信息提取軟件Tricorder,主要采用波形匹配和全波段譜形的最小二乘擬合方法進(jìn)行礦物識別。其結(jié)果都經(jīng)過了X-射線衍射分析等技術(shù)和野外檢查進(jìn)行了驗證,準(zhǔn)確性較高,可作為地面實況對比分析的基礎(chǔ)[6]。Clark和Swayze的填圖結(jié)果如圖5所示[11]。
4.2 實驗算法流程
基于SAM與SVM的高光譜遙感蝕變信息提取流程,如圖6所示,主要分為3個步驟:光譜端元鑒別;蝕變信息提??;整體分類精度評估。
圖5 Clark和Swayze對Cuprite礦區(qū)填圖結(jié)果
圖6 算法流程圖
光譜端元鑒別主要是通過最大噪聲分離變換,純凈像元指數(shù)等圖像增強(qiáng)處理提取光譜端元;蝕變信息提取包括SAM蝕變信息提取,SVM再分類以及相應(yīng)的精度評估;整體分類精度評估,即是對基于SAM與SVM高光譜遙感蝕變信息提取精度進(jìn)行整體評價與分析。
4.3 實驗結(jié)果
4.3.1 光譜端元鑒別
遙感器所獲得的地面輻照度信息是以像元為單位記錄,它是像元對應(yīng)的地表物質(zhì)光譜信號的綜合。圖像中的每個像元所對應(yīng)的地表,往往包含不同的地表覆蓋類型,它們有著不同的光譜響應(yīng)特征[12]。因此,在蝕變信息提取之前,本文使用波譜“沙漏”向?qū)旌舷裨M(jìn)行分解,在AVIRIS遙感數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)和繪制地物端元,分離出混合像元和極值像元,處理過程如下:
鑒于高光譜數(shù)據(jù)波段相關(guān)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)冗余的特點,首先進(jìn)行最大噪聲分離變換(Maximum Noise Fraction transformation,MNF),實現(xiàn)降維與去噪作用,尋找影像的本征維數(shù);其次,執(zhí)行純凈像元指數(shù)算法(Pixel Purity Index,PPI)。PPI算法的實質(zhì)是把端元往給定的投影線上投影,查看端元的投影次數(shù),端元一般位于影像云點比較遠(yuǎn)的位置,從而端元投影的次數(shù)就比較多,也即處于凸多面體頂點的投影次數(shù)最多,而處于凸面體內(nèi)部的端元投影次數(shù)較少[13]。最后,利用ENVI的N維可視化器(N-Dimensional Visualizer),在N維空間中選擇所需的端元或通過PPI設(shè)定閾值來選定極值像元,用其來代表端元波譜。利用ENVI的波譜分析工具,選擇SAM方法,對端元波譜與USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜庫進(jìn)行對比分析。參照Clark和Swayze在Cuprite礦區(qū)的填圖結(jié)果,同時考慮到USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜庫中缺少硅土(Silica)光譜曲線,且各類明礬石(Alunite)光譜差異性較小,因此最后確定的光譜端元鑒別結(jié)果為高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite)、明礬石(Alunite)、地開石(Dickite)、水銨長石(Buddingtonite)5類。蝕變信息的提取目標(biāo)也只針對這5類地物,如圖7所示。
圖7 SAM光譜端元鑒別結(jié)果
4.3.2 SAM蝕變信息提取
選擇USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜庫中的高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite)、明礬石(Alunite)、地開石(Dickite)、水銨長石(Buddingtonite)光譜曲線作為參考光譜,設(shè)定光譜夾角經(jīng)驗閾值0.10,選擇SAM算法對經(jīng)過混合像元分解后的影像進(jìn)行光譜角匹配。由圖7可以看出,Cuprite銅礦區(qū)相似礦物中比較典型的就是高嶺石和白云母。這兩種物質(zhì)在2.2μm附近都有較強(qiáng)的吸收峰,且波譜矢量方向相似,只是輻射亮度大小不同。因此,僅僅采用基于波譜矢量方向的SAM分類方法無法將兩種物質(zhì)精確區(qū)分開來,最終確定的分類結(jié)果如圖8所示。
選取高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite)、明礬石(Alunite)、水銨長石(Buddingtonite)、地開石(Dickite)5類感興趣區(qū)域作為SAM蝕變信息提取精度驗證樣本(表1),分別統(tǒng)計各類地物的像元數(shù)并計算用戶精度及漏分誤差(表2)。所謂用戶精度是指從分類結(jié)果(如分類產(chǎn)生的類型圖)中任取一個隨機(jī)樣本,其所具有的類型與地面實際類型相同的條件概率[14]。
圖8 SAM蝕變信息提取結(jié)果(α=0.10)
表1 蝕變信息提取精度驗證樣本
表2 SAM分類像元統(tǒng)計
通過對比觀察圖5、圖8及表2可以看出,僅僅依靠SAM光譜匹配方法,白云母僅有6個像素被提取出來,大部分被錯分為高嶺石,漏分誤差高達(dá)99.50%,部分非高嶺石物質(zhì)也被錯分為高嶺石,這與Clark和Swayze在此地區(qū)的填圖結(jié)果存在較大差別。因此,本文通過構(gòu)建掩膜,分離出SAM光譜匹配結(jié)果的高嶺石、白云母信息,采用SVM方法對其進(jìn)行二次分類。
4.3.3 SVM再分類
參照Clark和Swayze在Cuprite礦區(qū)的填圖結(jié)果,在掩膜之后的影像上選取高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite),以及其他3類感興趣區(qū)域,作為訓(xùn)練樣本構(gòu)建SVM分類器進(jìn)行有監(jiān)督的分類(表3)。
構(gòu)建SVM分類器過程中,核函數(shù)的選取與懲罰函數(shù)C及核參數(shù)σ的取值對分類精度影響較大。鑒于RBF核函數(shù)分類能力不低于高階多項式核函數(shù)和Sigmoid核函數(shù)的特點[15],本文選取的映射函數(shù)為徑向基核函數(shù)(RBF),因此需要確定的參數(shù)為核參數(shù)σ和懲罰因子C。核參數(shù)σ主要影響SVM中樣本數(shù)據(jù)在高維特征空間中分布的復(fù)雜程度,而懲罰因子C調(diào)節(jié)SVM經(jīng)驗風(fēng)險和置信范圍的比例,實現(xiàn)經(jīng)驗風(fēng)險和推廣能力的折衷[16]。
表3 SVM再分類訓(xùn)練樣本
選取表1的高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite)驗證樣本進(jìn)行SVM分類精度評估。采用Hsu等提出的網(wǎng)格搜索法[17]并結(jié)合分類精度評估結(jié)果進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),以確定C和σ的取值,如表4所示。
由表4可以看出,從C=100開始所有的識別精度是不變的,這對SVM來說是沒有意義的。因此,最后確定C=100,σ=0.01為最佳參數(shù)。此時的總體分類精度是81.588 6%,Kappa系數(shù)為0.707 5。將SVM再分類的高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite)與SAM提取的明礬石(Alunite)、地開石(Dickite)、水銨長石(Buddingtonite)合并,得到最終分類效果如圖9所示。
圖9 SVM二次分類效果圖(C=100,σ=0.01)
由圖9可以看出,大量的高嶺石、明礬石(圖9:Alunite;圖5:Alunite#1,Alunite#2,Alunite#3)主要分布在95號公路東西兩側(cè);大量的白云母(Muscovite)和少量的地開石(Dickite)分布在公路西側(cè);少量的水銨長石(Buddingtonite)夾雜著分布在公路兩側(cè)的明礬石中間。這與Clark和Swayze的填圖結(jié)果(圖5)基本一致。
表4 SVM參數(shù)尋優(yōu)及分類精度評估
4.3.4 整體分類精度評估
選取SVM再分類的高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite),并與SAM提取的明礬石(Alunite)、地開石(Dickite)、水銨長石(Buddingtonite)合并,選取表1全部的驗證樣本進(jìn)行整體分類精度評估(表5)??傻谜w分類精度為78.172 6%,Kappa系數(shù)為0.712 5??梢钥闯?,經(jīng)過SAM、SVM綜合分類模型所得結(jié)果較SAM蝕變信息提取總體分類精度和Kappa系數(shù)均有較大提高。較SVM高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite)單獨再分類總體精度低,這是由于其他3種礦物分類精度誤差傳遞所致,而高嶺石(Kaolinite)、白云母(Muscovite)用戶精度均有較大提高,說明綜合分類模型對于相似礦物的區(qū)分效果良好;Kappa系數(shù)較SVM再分類稍高,說明SAM、SVM綜合分類模型所得各類地物整體一致性較好。
表5 SAM、SVM綜合分類模型整體精度評估表
光譜角匹配技術(shù)通過計算參考光譜與待分類地物光譜之間的夾角大小進(jìn)行地物分類,但是當(dāng)兩種礦物的波譜矢量方向相似時,僅僅依靠SAM方法并不能有效區(qū)分,需要借助其他方法進(jìn)行地物二次分類。本文通過分析SAM算法僅考慮波譜矢量方向,忽略輻射亮度大小的缺點,提出SAM與SVM相結(jié)合的綜合蝕變信息提取模型,利用支持向量機(jī)對光譜角匹配技術(shù)不能有效區(qū)分的相似礦物進(jìn)行二次分類,選用網(wǎng)格搜索法并結(jié)合分類精度評估進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。從分類結(jié)果看,該模型提取的蝕變信息分類精度為78.172 6%,Kappa系數(shù)為0.712 5,效果較好。本文模型有效避免了波譜矢量方向相似,輻射亮度大小存在差異的兩種物質(zhì)的錯分現(xiàn)象,對于解決相似性礦物的精確分類具有普適性意義。但是,本文在利用SAM算法進(jìn)行地物光譜匹配時,波譜角閾值的選擇是通過經(jīng)驗值確定的,具有一定的盲目性。因此,如何更為合理地確定SAM算法的波譜角閾值,是今后有待解決的重點問題。
[1]童慶禧,張兵,鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2006:15-20.
[2]張兵.時空信息輔助下的高光譜數(shù)據(jù)挖掘[D].北京:中國科學(xué)院研究生院,2002.
[3]王晉年,鄭蘭芬,童慶禧.成像光譜圖像光譜吸收鑒別模型與礦物填圖研究[J].環(huán)境遙感,1996,11(1):20-31.
[4]Clark R N,Swayze G,Gorelick G.Proceedings of the Third AirborneVisible/InfraredImagingSpectrometer(AVIRIS)Workshop[M].[S.l.]:JPL Publication,1991.
[5]Kruse F A,Lefkoff A B,Bordman J W.The Spectral Image Processing System(SIPS)—interactive visualization and analysis of imaging spectrometer data[J].Remote Sensing of Environment,1993,44(2/3):145-163.
[6]何中海,何斌斌.基于權(quán)重光譜角制圖的高光譜礦物填圖方法[J].光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(8):2200-2204.
[7]王正海,張紅軍.SAM和決策樹結(jié)合的Hyperion數(shù)據(jù)分類方法[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,29(5):478-481.
[8]傅文杰,洪金益,朱谷昌.基于SVM遙感礦化蝕變信息提取研究[J].國土資源遙感,2006,18(2):16-19.
[9]楊國鵬,余旭初,劉偉,等.基于支持向量機(jī)的高光譜影像分類研究[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2008,29(8):2029-2031.
[10]劉鵬,曾吳.感興趣區(qū)域遙感圖像分類與支持向量機(jī)應(yīng)用研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(6):243-245.
[11]Clark R N,Swayze G A,Livo K E,et al.Imaging spectroscopy:Earth and planetary remote sensing with the USGS Tetracorderandexpertsystems[J].JournalofGeophysical Research,2003,108(12):5131-5144.
[12]楊強(qiáng),張志,覃志豪,等.基于aster數(shù)據(jù)的混合像元分解技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測與評價中的應(yīng)用[J].遙感信息,2011(2):20-25.
[13]王杰,楊遼,沈金祥,等.兩種基于空間與光譜相結(jié)合的TM影像端元提取算法[J].光譜學(xué)與光譜分析,2011,31(5):1286-1290.
[14]趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2005:207.
[15]張楠楠.基于遙感與GIS的蝕變信息提取技術(shù)及成礦預(yù)測研究[D].烏魯木齊:中國科學(xué)院研究生院新疆生態(tài)與地理研究所,2010.
[16]安吉堯,歐志芳.結(jié)合SVM和Gabor參數(shù)優(yōu)化的車輛檢測[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2011,47(36):203-207.
[17]Hsu C W,Chang C C,Lin C J.A particular guide to support vector classification[D].Taiwan,China:National Taiwan University,2003.
YAN Jining1,2,3,ZHOU Kefa1,2,WANG Jinlin1,WANG Shanshan1,WANG Wei1,LI Dong1,2,3
1.Xinjiang Research Center for Mineral Resources,Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011,China
2.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology,Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011,China
3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
With the development of hyper-spectral remote sensing technology,the level of quantitative remote sensing technology has improved.Aiming at the hyper-spectral image cube,the understanding and data processing in image spatial dimension must be changed to that completed in the spectral dimension.Therefore,an image classification model combined with SAM(Spectral Angle Mapper)and SVM(Support Vector Machine)is introduced,and extracts alteration information in the spectral dimension. In view of the SAM algorithm considering only the spectrum direction,ignoring radiance size,the second classification is made for the SAM results using SVM algorithm and the best parameter is sought using grid search method combined with the classification accuracy assessment.The results of AVIRIS hyper-spectral data show that the classification precision of alteration information reaches 78.172 6%,and a Kappa coefficient of 0.712 5.This model is convenient calculation,and has some practical meaning in solving spectral dimension terrain classification and similar mineral alteration information extraction.
Spectral Angle Mapper(SAM);Support Vector Machine(SVM);hyper-spectral;alteration information extraction; similar mineral
高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展,提高了遙感技術(shù)的定量化水平,要求人們從光譜維去理解地物在空間維的變換。提出了一種光譜角匹配技術(shù)(Spectral Angle Mapper,SAM)與支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)相結(jié)合的高光譜遙感蝕變信息提取模型,在光譜維提取地表的蝕變信息。鑒于SAM算法僅考慮波譜矢量方向,忽略輻射亮度大小的缺點,利用SVM算法對SAM的提取結(jié)果進(jìn)行二次分類,利用網(wǎng)格搜索法并結(jié)合分類精度評估進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。通過AVIRIS高光譜數(shù)據(jù)實驗證明,提取的蝕變信息分類精度為78.172 6%,Kappa系數(shù)為0.712 5。該模型計算方便,對于解決光譜維的地物分類及相似礦物的蝕變信息提取具有一定的實際意義。
光譜角匹配技術(shù);支持向量機(jī);高光譜;蝕變信息提??;相似礦物
A
TP79
10.3778/j.issn.1002-8331.1301-0067
YAN Jining,ZHOU Kefa,WANG Jinlin,et al.Extraction of hyper-spectral remote sensing alteration information based on SAM and SVM.Computer Engineering and Applications,2013,49(19):141-146.
新疆科技廳科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)項目(No.PT1217);國家自然科學(xué)基金(No.U1129302);國家科技支撐計劃(No.2011BAB06B08-01);“西部之光”人才培養(yǎng)計劃(No.XBBS201107,No.XBBS201203);新疆科技廳青年基金(No.2011211B48)。
閻繼寧(1986—),男,碩士研究生,主要研究方向:遙感數(shù)字圖像處理;周可法(1972—),男,博士,研究員,主要研究方向:3S技術(shù)及應(yīng)用;王金林,博士,助理研究員;王珊珊,博士,助理研究員;汪瑋,助理研究員;李東,碩士研究生。E-mail:zhoukf@ms.xjb.ac.cn
2013-01-08
2013-04-27
1002-8331(2013)19-0141-06
CNKI出版日期:2013-05-21http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130521.1030.015.html