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矩阵基高光谱图像空间-光谱特征融合的分类方法
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更新于2024-08-23
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本文主要探讨了高光谱图像(Hyperspectral Image, HSI)的空间-光谱特征融合在遥感和地理科学领域中的关键作用。传统上,高光谱数据常常被处理成一维向量,以便提取出对分类有用的特征。然而,这种方法可能无法充分利用空间和光谱信息之间的复杂交互。作者Renlong Hang、Qingshan Liu(IEEE高级会员)、Huihui Song和Yubao Sun提出了一个创新的分类方法,旨在克服这一局限。 他们的方法名为"基于矩阵的判别子空间集合",首先将每个像素的高光谱数据视为一个矩阵,而非一维向量。这种设计能够捕捉到像素局部的空间上下文信息以及所有光谱带的综合信息,更好地保留了空间与光谱的内在关联。矩阵形式的表示有助于保持数据结构的完整性,这对于理解高光谱数据的多维度特性至关重要。 接着,作者采用矩阵基的判别分析技术,这是一种深入挖掘数据潜在模式并学习区分性特征子空间的方法。相比于传统的特征选择或降维技术,这种矩阵方法可能能够挖掘到更深层次的特征关联,从而提高HSI分类的精度和效率。 为了进一步提升分类性能,论文引入了随机抽样策略,通过生成子空间来减少计算复杂性,同时保持关键信息的有效性。这种策略可以防止过拟合,使得模型在具有大量数据的情况下仍能保持良好的泛化能力。 该研究论文提供了一种新颖且有效的高光谱图像分类框架,它结合了矩阵表示的时空信息和矩阵基的判别分析,旨在优化高光谱数据的利用,提升图像分类的准确性和鲁棒性。这不仅对高光谱图像处理有着重要意义,也为遥感和地理科学研究提供了强有力的技术支持。
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HANG et al.: DISCRIMINANT SUBSPACE ENSEMBLE FOR HS IMAGE SPATIAL–SPECTRAL FEATURE FUSION 785
Fig. 2. Flowchart of the proposed method.
in this feature matrix and improve the discriminant ability of
feature representation, we use MDA to map Y into a new
subspace [33], in which the intraclass scatter is minimized
and the interclass scatter is maximized. Assume that L =
[μ
1
,μ
2
,...,μ
r
] ∈ R
l×r
and R =[ν
1
,ν
2
,...,ν
c
] ∈ R
ω
2
×c
are
two transformation matrices. Then, the projection of Y onto the
(r × c)-dimensional space L
R can be expressed as
Z = L
T
YR. (1)
Suppose there are N training pixels and C different classes
to be classified. The jth training pixel is Y
j
,wherej ∈
{1, 2,...,N}. M and M
i
denote the mean of all training pixels
and training pixels in class Π
i
,i∈{1, 2,...,C}, respectively.
N
i
is the number of training pixels in class Π
i
.Togetthe
optimal projection matrices, we maximize the ratio of the
interclass scatter matrix and the intraclass scatter matrix for
MDA as for LDA. Fortunately, the total scatter of the projected
pixels can be measured by the trace of their covariance matrix.
Therefore, the objective function can be described as follows:
J =
S
B
S
W
(2)
where S
B
denotes the interclass scatter matrix, and S
W
denotes
the intraclass scatter matrix with the following definitions:
S
B
=tr
C
i=1
N
i
(
˜
M
i
−
˜
M)(
˜
M
i
−
˜
M)
T
S
W
=tr
C
i=1
Z
k
∈Π
i
(Z
k
−
˜
M
i
)(Z
k
−
˜
M
i
)
T
. (3)
Since
˜
M
i
=
1
N
i
Z
k
∈Π
i
Z
k
=
1
N
i
Y
k
∈Π
i
L
T
Y
k
R = L
T
M
i
R
thus (3) can be rewritten as
S
B
=tr
C
i=1
N
i
L
T
(M
i
− M )RR
T
(M
i
− M )
T
L
S
W
=tr
C
i=1
Y
k
∈Π
i
L
T
(Y
k
− M
i
)RR
T
(Y
k
− M
i
)
T
L
.
The optimal transformations L and R will maximize (2). The
same as in [33], we utilize an iterative algorithm to optimize L
and R. In particular, for a fixed R, (2) can be rewritten as
J =
L
T
S
R
B
L
L
T
S
R
W
L
(4)
where S
R
B
=
C
i=1
N
i
(M
i
− M )RR
T
(M
i
− M )
T
,andS
R
W
=
C
i=1
Y
k
∈Π
i
(Y
k
− M
i
)RR
T
(Y
k
− M
i
)
T
. Hence, the opti-
mal solution of L consists of r eigenvectors corresponding to
r maximal eigenvalues by computing an eigendecomposition
on (S
R
W
)
−1
S
R
B
. Subsequently, the optimal solution of R can be
obtained when L is fixed. The whole process will iterate until a
predefined convergence condition is arrived.
C. Learning Subspace Ensemble With Random Sampling
Ensemble learning has been proved to be an efficient tech-
nique to improve the stability and accuracy of single weak
classifier by training several different classifiers and combin-
ing their decisions [34], [35]. When forming ensemble, the
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