基于样本增强和自动参数优化的高光谱目标检测方法
作者:
作者单位:

1.中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院 青岛 266580;2.山东鲁邦地理信息工程有限公司 济南 250102

作者简介:

刘 浩 1998年生,硕士研究生。
沈彪群 1982年生,本科,高级工程师。
许明明 1990年生,副教授,硕士生导师。
刘善伟 1982年生,教授,博士生导师。
盛 辉 1972年生,副教授,硕士生导师。

通讯作者:

沈彪群(shenbiaoqun1982@163.com)

中图分类号:

P407.8

基金项目:

国家自然科学基金(41776182);山东省高校青年创新技术支持计划(2023KJ068)


Hyperspectral Target Detection Based on Sample Enhancement and Automatic Parameter Optimization
Author:
Affiliation:

1.College of Oceanography and Spatial Information, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;2.Shandong Lubang Geographic Information Engineering Co., LTD. Jinan 250102, China

Fund Project:

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    摘要:

    基于深度学习的高光谱目标检测面临着样本质量不足、网络结构复杂、参数调整费力等问题,本文提出了一种具有数据增强和自动超参数优化的深度学习方法。为了解决样本质量不足的问题,本文引入了一种样本扩增策略。该策略利用端元提取和聚类技术直接从高光谱图像中获取大量背景像素,通过使用相减像素配对方法将这些像素与少量已知目标像素配对,获得大量标记的纯样本对,从而实现数据增强。此外,与大多数复杂的深度网络不同,本文设计了一个由12个卷积层组成的轻量级卷积神经网络(CNN)。该网络专门设计用于高效快速地学习输入样本对与其对应标签之间的映射。结合粒子群优化算法,该网络具有超参数自动优化的能力,克服了参数调整费力的缺点,这使得网络能够根据来自不同高光谱图像的样本自动调整超参数,从而产生最优结果。对于测试像素,训练网络的输入是中心像素与其相邻像素之间的光谱差。当一个测试像素属于目标时,输出分数接近1,反之则接近0。在五个高光谱数据集上的实验结果表明:本文提出的方法明显优于现有的技术。

    Abstract:

    Hyperspectral target detection based on deep learning faces challenges such as insufficient quality of samples, intricate network structures, and laborious parameter adjustment. In this paper, we propose a deep learning method with data augmentation and automatic hyperparameter optimization. To tackle the issue of insufficient quality of samples, we introduce a sample augmentation strategy. The strategy utilizes endmember extraction and clustering techniques to directly acquire a large number of background pixels from hyperspectral images. By pairing these with a small number of known target pixels using a phase-reducing pixel pairing approach, we obtain a large number of labeled pure sample pairs, thereby accomplishing data augmentation. In addition, distinct from most complex deep networks, we designed a lightweight Convolutional Neural Network (CNN) comprised of 12 convolutional layers. This network is specifically engineered to efficiently and rapidly learn the mapping between input sample pairs and their corresponding labels. By incorporating the particle swarm optimization algorithm, this network possesses the capability to automatically optimize hyperparameters, overcoming the shortcomings of laborious parameter adjustment. This enables the network to automatically adjust hyperparameters based on samples from different hyperspectral images, thereby generating optimal results. For a test pixel, the input to the trained network is the spectral difference between the central pixel and its adjacent pixels. When a test pixel belongs to the target, the output score is closely align with the target label. Experimental results on five hyperspectral datasets demonstrate that our method significantly outperforms existing techniques.

    相似文献
    引证文献
引用本文

刘浩,许明明,沈彪群,刘善伟,盛辉.基于样本增强和自动参数优化的高光谱目标检测方法[J].遥测遥控,2024,45(4):31-44.

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历史
  • 收稿日期:2024-01-29
  • 最后修改日期:2024-02-19
  • 录用日期:
  • 在线发布日期: 2024-07-25
  • 出版日期:
  • 优先出版日期: 2024-07-25