高光谱分解:几何、统计与稀疏回归方法概览

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"这篇文章是关于高光谱分解的概述,主要探讨了基于几何、统计和稀疏回归的三种方法在高光谱成像中的应用。文章由多位 IEEE 会员和高级会员共同撰写,发表在2012年4月的 IEEE 《应用地球观测与遥感》期刊上。高光谱成像技术通过测量场景瞬间视场中的电磁能量散射,以数百或数千个高光谱通道的高分辨率捕捉图像,相比多光谱相机具有更高的光谱分辨率。这种技术使得材料识别成为可能,广泛应用于各种需要识别场景中物质的应用,尤其是在传统光谱分析不适用的情况下。然而,由于高光谱相机的低空间分辨率、微小物质混合以及多次散射,其测量到的光谱是场景中各种物质光谱的混合体。" 高光谱分解(Hyperspectral Unmixing,HU)是遥感和图像处理领域中的一个重要概念,它涉及到从高光谱图像中分离出各个纯光谱成分,即所谓的端元(endmembers),并确定它们在图像像素中的相对贡献,这个过程被称为 abundance fractions。在本文中,作者讨论了三种不同的方法: 1. **几何方法**:这种方法通常基于物理模型,如混合线性模型(Linear Mixture Model, LMM),假设光谱可以表示为不同端元光谱的线性组合。几何方法包括最小二乘法(Least Squares)、非负最小二乘法(Non-Negative Least Squares, NNLS)等,这些算法试图找到最接近观测光谱的端元组合。 2. **统计方法**:统计方法利用统计学原理来估计端元和丰度。例如,最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation, MLE)和贝叶斯方法(Bayesian Approach)可以用于处理不确定性,并考虑先验信息来改进结果。这些方法通常更复杂,但可以提供更好的模型稳健性和解释性。 3. **稀疏回归方法**:近年来,稀疏表示理论在高光谱分解中得到广泛应用。稀疏性假设认为大部分像素可以被少数端元稀疏地表示。L1正则化(LASSO)、压缩感知(Compressive Sensing, CS)和基于稀疏矩阵分解的方法(如非负矩阵分解Non-negative Matrix Factorization, NMF)等都属于这一类。稀疏方法可以更好地处理混合像素的复杂性,并且在数据噪声较大的情况下表现优秀。 这三种方法各有优势和适用场景,选择哪种方法取决于实际问题的具体需求,如数据质量、计算资源和对结果解释性的要求。高光谱分解在环境监测、地质调查、农作物分类、军事侦察等多个领域都有重要应用。通过精确的高光谱分解,可以获取关于地表覆盖、环境污染、植被健康状况等关键信息,从而支持决策制定和科学研究。