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Hypergraph Regularized Deep Autoencoder for Unsupervised Unmixing Hyperspectral Images
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作者 张泽兴 杨斌 《Journal of Donghua University(English Edition)》 CAS 2023年第1期8-17,共10页
Deep learning(DL)has shown its superior performance in dealing with various computer vision tasks in recent years.As a simple and effective DL model,autoencoder(AE)is popularly used to decompose hyperspectral images(H... Deep learning(DL)has shown its superior performance in dealing with various computer vision tasks in recent years.As a simple and effective DL model,autoencoder(AE)is popularly used to decompose hyperspectral images(HSIs)due to its powerful ability of feature extraction and data reconstruction.However,most existing AE-based unmixing algorithms usually ignore the spatial information of HSIs.To solve this problem,a hypergraph regularized deep autoencoder(HGAE)is proposed for unmixing.Firstly,the traditional AE architecture is specifically improved as an unsupervised unmixing framework.Secondly,hypergraph learning is employed to reformulate the loss function,which facilitates the expression of high-order similarity among locally neighboring pixels and promotes the consistency of their abundances.Moreover,L_(1/2)norm is further used to enhance abundances sparsity.Finally,the experiments on simulated data,real hyperspectral remote sensing images,and textile cloth images are used to verify that the proposed method can perform better than several state-of-the-art unmixing algorithms. 展开更多
关键词 hyperspectral image(HSI) spectral unmixing deep autoencoder(AE) hypergraph learning
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Robust Deep 3D Convolutional Autoencoder for Hyperspectral Unmixing with Hypergraph Learning
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作者 Peiyuan Jia Miao Zhang Yi Shen 《Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)》 CAS 2021年第5期1-8,共8页
Hyperspectral unmixing aims to acquire pure spectra of distinct substances(endmembers)and fractional abundances from highly mixed pixels.In this paper,a deep unmixing network framework is designed to deal with the noi... Hyperspectral unmixing aims to acquire pure spectra of distinct substances(endmembers)and fractional abundances from highly mixed pixels.In this paper,a deep unmixing network framework is designed to deal with the noise disturbance.It contains two parts:a three⁃dimensional convolutional autoencoder(denoising 3D CAE)which recovers data from noised input,and a restrictive non⁃negative sparse autoencoder(NNSAE)which incorporates a hypergraph regularizer as well as a l2,1⁃norm sparsity constraint to improve the unmixing performance.The deep denoising 3D CAE network was constructed for noisy data retrieval,and had strong capacity of extracting the principle and robust local features in spatial and spectral domains efficiently by training with corrupted data.Furthermore,a part⁃based nonnegative sparse autoencoder with l2,1⁃norm penalty was concatenated,and a hypergraph regularizer was designed elaborately to represent similarity of neighboring pixels in spatial dimensions.Comparative experiments were conducted on synthetic and real⁃world data,which both demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed network. 展开更多
关键词 deep learning unsupervised unmixing convolutional autoencoder HYPERGRAPH hyperspectral data
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双约束深度卷积网络的高光谱图像空谱解混方法 被引量:3
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作者 朱治青 苏远超 +3 位作者 李朋飞 白晋颖 刘英 刘峰 《信号处理》 CSCD 北大核心 2023年第1期128-142,共15页
高光谱图像凭借其“图谱合一”的特点逐渐在军事、环境、农业等方面发挥出重要作用。但是,由于传感器空间分辨率的限制以及地物分布的复杂多样性,高光谱遥感图像中通常存在大量的混合像元,严重制约了高光谱遥感的应用范围。目前,处理混... 高光谱图像凭借其“图谱合一”的特点逐渐在军事、环境、农业等方面发挥出重要作用。但是,由于传感器空间分辨率的限制以及地物分布的复杂多样性,高光谱遥感图像中通常存在大量的混合像元,严重制约了高光谱遥感的应用范围。目前,处理混合像元问题最有效的分析方法是混合像元分解(解混)。近年来,深度学习的发展对高光谱遥感产生了重大影响,也催生出一系列基于深度学习的解混方法。现有基于深度学习的解混方法在隐藏信息挖掘方面表现出极大的潜力和优势,通常情况下能够取得更加准确的结果。然而,这些方法大多只考虑了地物的光谱信息而忽略空间分布规律,导致在复杂场景中估算结果可能并不理想,逐渐难以满足工程应用的实际需求。为进一步发掘和利用空间信息提升解混的准确性,本文构建了一种新的深度学习网络来实现高光谱图像解混。新提出的解混网络采用卷积层来获取先验信息,利用高斯核函数的特性来协助区分物质属性,并且通过分配中心像元与邻域像元间的权重来增进丰度平滑性。在新网络中,本文使用Softmax作为丰度对应层的激活函数来约束丰度的输出。此外,在Softmax中,本文采用了L1/2正则化来避免节点出现过拟合而影响最终结果,进一步强化了网络性能,最终形成了一种双约束强化的深度卷积自编码网络来实现无监督的解混。为了验证新方法的有效性和优势,本文将新提出的方法与同类解混方法应用在一系列高光谱数据(包括模拟图像和真实图像)中进行测试,均达到了预期效果。本文的研究成果能够为处理混合像元问题提供了新的技术支撑和理论参考。 展开更多
关键词 高光谱遥感 混合像元分解 深度学习空谱解混 自动编码器 卷积神经网络
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全变差稀疏约束深度非负矩阵分解高光谱遥感影像解混方法 被引量:1
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作者 赵文君 翟晗 张洪艳 《电子科技》 2023年第2期53-60,共8页
传统非负矩阵分解方法仅基于单层线性模型,现有的深度非负矩阵分解模型忽略了地物光谱的实际混合物理过程,仅从数学理论考虑深度分解。对此,文中从光谱混合的物理过程出发,综合非负矩阵分解和深度学习,将光谱混合过程进行反向建模,并充... 传统非负矩阵分解方法仅基于单层线性模型,现有的深度非负矩阵分解模型忽略了地物光谱的实际混合物理过程,仅从数学理论考虑深度分解。对此,文中从光谱混合的物理过程出发,综合非负矩阵分解和深度学习,将光谱混合过程进行反向建模,并充分考虑丰度的稀疏性和空间平滑性,构建了用于高光谱遥感影像解混的面向端元矩阵的全变差稀疏约束深度非负矩阵分解模型。通过模拟实验和真实实验,将文中所提方法与5种解混方法进行对比。结果表明,相较于面向丰度的深度非负矩阵分解算法,文中所提方法的平均光谱角距离和均方根误差均有所降低,取得了最佳解混结果。 展开更多
关键词 高光谱遥感 高光谱影像解混 线性光谱解混 非负矩阵分解 深度学习 深度非负矩阵分解 稀疏约束 全变差约束
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高光谱图像混合像元多维卷积网络协同分解法 被引量:5
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作者 刘帅 邢光龙 《测绘学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第12期1600-1608,共9页
受成像光谱仪性能与复杂地物分布的影响,高光谱图像存在大量的混合像元。传统的基于学习的混合像元分解方法通常都是浅层模型,或缺少对空间、光谱信息的综合应用。本文提出一种多维卷积网络协同的混合像元分解深层模型,采用多种维度卷... 受成像光谱仪性能与复杂地物分布的影响,高光谱图像存在大量的混合像元。传统的基于学习的混合像元分解方法通常都是浅层模型,或缺少对空间、光谱信息的综合应用。本文提出一种多维卷积网络协同的混合像元分解深层模型,采用多种维度卷积网络能更充分利用多种维度语义信息,有利于估计小样本和高维的高光谱图像混合像元丰度。对训练数据进行增广处理,构建光谱维、空间维和立方体3种卷积神经网络;设计了融合层,协同3种卷积神经网络提取特征,“端到端”的估计混合像元丰度值;模型使用了批量归一化、池化和Dropout方法避免过拟合现象。试验结果表明,多维卷积网络协同方法的引入能更有效地提取空-谱特征信息,与其他的卷积网络解混模型相比,估计的混合像元丰度精度有显著提高。 展开更多
关键词 高光谱解混 卷积神经网络 深度学习 丰度估计
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考虑光谱信息和超像素分割的高光谱解混网络
6
作者 谢金凤 陈涛 《遥感学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第1期142-153,共12页
在高光谱解混的过程中考虑影像的空间信息,能够有效提高解混精度。而超像素分割能够划分空间同质区域,为此本文提出一种考虑光谱信息和超像素分割的解混网络(SSUNet)。首先需对原始影像进行超像素分割处理,获得具有空间特征的超像素分... 在高光谱解混的过程中考虑影像的空间信息,能够有效提高解混精度。而超像素分割能够划分空间同质区域,为此本文提出一种考虑光谱信息和超像素分割的解混网络(SSUNet)。首先需对原始影像进行超像素分割处理,获得具有空间特征的超像素分割数据,然后采用SSUNet对原始高光谱数据和超像素分割数据进行训练和解混。在线性和非线性混合模型生成的模拟数据集和两个真实数据集上的实验表明,与SUnSAL、SUnSAL-TV、SCLRSU、MTAEU、EGU-Net-pw和1DCNN的解混结果相比,所提网络具有更高的解混精度和较好的鲁棒性。 展开更多
关键词 高光谱图像 高光谱解混 光谱和空间信息 超像素分割 深度学习 卷积神经网络
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深度嵌套式Transformer网络的高光谱图像空谱解混方法
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作者 游雪儿 苏远超 +3 位作者 蒋梦莹 李朋飞 刘东升 白晋颖 《中国图象图形学报》 CSCD 北大核心 2024年第8期2220-2235,共16页
目的基于深度学习的解混方法在信息挖掘和泛化性能上优于传统方法,但主要关注光谱信息,对空间信息的利用仍停留在滤波、卷积的表层处理。这使得构建解混网络时需要堆叠多层网络,易丢失部分图像信息,影响解混准确性。Transformer网络因... 目的基于深度学习的解混方法在信息挖掘和泛化性能上优于传统方法,但主要关注光谱信息,对空间信息的利用仍停留在滤波、卷积的表层处理。这使得构建解混网络时需要堆叠多层网络,易丢失部分图像信息,影响解混准确性。Transformer网络因其强大的特征表达能力广泛应用于高光谱图像处理,但将其直接应用于解混学习容易丢失图像局部细节。本文基于Transformer网络提出了改进方法。方法本文以TNT(Transformer in Transformer)构架为基础提出了一种深度嵌套式解混网络(deep embedded Transformer network,DETN),通过内外嵌入式策略实现编码器中局部与整体空间信息共享,不仅保留了高光谱图像的空间细节,而且在编码器中只涉及少量卷积运算,大幅度提升了学习效率。在解码器中,通过一次卷积运算来恢复数据结构以便生成端元与丰度,并在最后使用Softmax层来保障丰度的物理意义。结果最后,本文分别采用模拟数据集和真实高光谱数据集进行对比实验,在50dB模拟数据集中平均光谱角距离和均方根误差取得最优值,分别为0.0386和0.0045,在真实高光谱数据集Samson、Jasper Ridge中取得最优平均光谱角距离,分别为0.1194,0.1027。结论实验结果验证了DETN方法的有效性和优势,并且能为实现深度解混提供新的技术支撑和理论参考。 展开更多
关键词 遥感图像处理 高光谱遥感 混合像元分解 深度学习 Transformer网络
原文传递
基于深度学习的高光谱遥感图像混合像元分解研究综述
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作者 苏远超 许若晴 +2 位作者 高连如 韩竹 孙旭 《遥感学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第1期1-19,共19页
高光谱遥感是以成像光谱学为基础发展起来的一项综合性遥感技术,它能够同步记录成像区域内地物的空间信息和光谱信号,故而也称为“成像光谱遥感”。高光谱遥感所获取的数据称为“高光谱遥感图像”,相较于传统的遥感数据,高光谱遥感图像... 高光谱遥感是以成像光谱学为基础发展起来的一项综合性遥感技术,它能够同步记录成像区域内地物的空间信息和光谱信号,故而也称为“成像光谱遥感”。高光谱遥感所获取的数据称为“高光谱遥感图像”,相较于传统的遥感数据,高光谱遥感图像具有光谱分辨率高和“图谱合一”的特点,目前已成为遥感工程应用中的重要支撑数据之一。然而,受空间分辨率限制,混合像元(即某一像元内包含多种类型的地物)问题始终限制着高光谱遥感在精细化地物信息提取工作中的作用。混合像元分解(“解混”)是现阶段处理混合像元问题最有效的分析方法,旨在从亚像元角度出发,获取像元中纯净的光谱信号(“端元”),并分析出各类端元在像元内所占的比例(“丰度”)。在遥感领域,为实现地物信息精细化解译,目前已发展出不同类型的解混方法,在一定程度上解决了混合像元问题对遥感定量化分析的制约。如今,随着深度学习的发展,越来越多的先进理论和工具被用于处理混合像元问题,发展出了一类基于深度学习的新型解混方法。这些新方法以光谱混合模型为桥梁,用深度学习方式来解译光谱混合现象。相比于传统的解混方法,基于深度学习的解混方法在隐藏信息的挖掘和利用方面更具优势,对先验知识依赖程度相对较低,对复杂场景的适应性更强。近年来,基于深度学习的解混方法发展迅速,并且在植被分布调查、农业产量估算等经常涉及混合像元问题的工作中被逐渐普及,有很好的发展前景和应用价值。本文以光谱混合模型和训练方式为基础,对现阶段基于深度学习解混的研究成果进行归类,并从不同类别的特点出发,对现有基于深度学习的解混方法进行介绍。最后,对当前的技术状况、特点和发展前景进行总结与展望,为今后解混技术的研究与应用提供参考。 展开更多
关键词 高光谱遥感 混合像元分解 深度学习 机器学习 深度神经网络 遥感图像处理 遥感智能解译 亚像元解译
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生成对抗网络的无监督高光谱解混
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作者 靳淇文 马泳 +3 位作者 樊凡 黄珺 李皞 梅晓光 《遥感学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第8期1964-1974,共11页
近年来,基于深度学习中自编码器(AE)的方法在无监督的高光谱解混中受到了广泛的关注。由于AE的学习过程可以表述为通过训练找出一组低维的隐藏层(丰度),并用其对应的权重(端元)进行组合来减少重构误差,因而这种框架被广泛迁移并应用于... 近年来,基于深度学习中自编码器(AE)的方法在无监督的高光谱解混中受到了广泛的关注。由于AE的学习过程可以表述为通过训练找出一组低维的隐藏层(丰度),并用其对应的权重(端元)进行组合来减少重构误差,因而这种框架被广泛迁移并应用于高光谱的解混算法之中。然而,现有基于AE的框架虽然能有效地处理无监督的解混场景,却都存在着对噪声和初始化条件不鲁棒的问题,且解混精度也有待进一步提升。针对以上问题本文提出了一种全新的基于对抗性自编码网络(AAE)的无监督解混网络框架。首先,在网络的生成器中根据丰度和为一(ASC)及非负性(ANC)的物理意义,设计了一个基于AE的端到端解混框架。然后,在网络的判决器中本文采用初始化的丰度图作为真实值,将生成器的隐藏层(丰度)与初始化的丰度进行对抗训练,在重构误差与对抗误差的同步优化中提升框架解混性能。与传统的AE方法相比,该方法通过引入对抗性过程,在判决器中加入丰度的先验知识,可以大大提高框架的性能和鲁棒性。仿真和真实的高光谱数据的实验表明,该算法较现有方法相比具有更高的解混精度。 展开更多
关键词 遥感 高光谱解混 深度学习 对抗自编码器 高光谱图像
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重加权稀疏和全变差约束下的深度非负矩阵分解高光谱解混 被引量:5
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作者 祝伟 王雪 +2 位作者 黄岩 杜培军 谭琨 《遥感学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第4期401-416,共16页
近年来,非负矩阵分解NMF (Nonnegative Matrix Factorization)由于其简单有效的特点,已被广泛应用于解混。由于传统的NMF只有单层结构,不能获取隐藏层的信息,其解混效果受到制约,为了研究影像的深度空谱特征,本文在深度NMF结构的基础上... 近年来,非负矩阵分解NMF (Nonnegative Matrix Factorization)由于其简单有效的特点,已被广泛应用于解混。由于传统的NMF只有单层结构,不能获取隐藏层的信息,其解混效果受到制约,为了研究影像的深度空谱特征,本文在深度NMF结构的基础上,提出了一种基于全变差和重加权稀疏约束的深度非负矩阵分解(RSDNMF-TV)算法。首先,使用深度NMF模型代替传统单层NMF模型,在预训练阶段进行逐层预训练,而在微调阶段减少分解误差。其次,由于丰度矩阵是稀疏的,本文在深度NMF模型中加入重加权稀疏正则化项,其权值则根据丰度矩阵自适应更新。最后,进一步引入全变差正则化项,以利用空间信息并促进丰度图的分段平滑性。论文采用梯度下降法推导出乘性迭代规则,为验证所提出的RSDNMF-TV算法的有效性,利用模拟数据集、Cuprite数据集以及高分五号数据集进行实验,并与其他经典方法作对比,结果发现本方法具有更好的解混效果,同时具有一定的去噪能力。 展开更多
关键词 遥感 高光谱解混 深度学习 深度非负矩阵分解 重加权稀疏 全变差
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