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国土资源遥感  2018, Vol. 30 Issue (4): 56-61    DOI: 10.6046/gtzyyg.2018.04.09
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PCA联合字典的稀疏系数NMF融合
孙小芳
闽江学院地理科学系,福州 350121
Sparse coefficient NMF fusion via PCA united dictionary
Xiaofang SUN
Department of Geography, Minjiang College, Fuzhou 350121, China
全文: PDF(4216 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

为了减少混合像元对字典建立的影响,结合在线字典学习法与主成分分析(principal component analysis,PCA)法提取全色与各分解影像字典的第一主成分分量构成PCA联合稀疏字典。该字典包括多光谱影像特征与高空间分辨率影像特征,同时考虑到了混合像元问题。使用PCA联合稀疏字典进行正交匹配追踪法(orthogonal matching pursuit,OMP)计算,分别得到全色与多光谱影像的稀疏系数,采用非负矩阵分解(nonnegative matrix factor,NMF)融合算法得到融合影像的稀疏系数,进行重构生成融合影像。对字典矩阵大小的研究,考虑到重构图像的均方根误差与计算机运算的限制,最终确定稀疏字典矩阵大小为64像元×480像元。采用5种定量融合评定指标对本文方法与联合字典NMF方法、小波方法和PCA方法的影像融合结果进行分析比较,结果表明本文方法既可提高融合影像的纹理细节信息,也能较好地保持多光谱信息,获得更好的融合效果。

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孙小芳
关键词 PCA联合稀疏字典在线字典学习法OMP算法NMF融合    
Abstract

In order to reduce the influence of mixed pixel on dictionary, the author has constituted principal component analysis (PCA)united sparse dictionary from the first principal component extracted with sparse dictionary of panchromatic image and unmiximg image by the online dictionary learning algorithm and PCA. The sparse dictionary can include multi-spectral image and high-spatial resolution image features, while considering the mixed pixel problem. The sparse coefficients of panchromatic and multi-spectral images are calculated using PCA united sparse dictionary and orthogonal matching pursuit(OMP) algorithm, then the sparse coefficients of fusion image are calculated using nonnegative matrix factor(NMF) fusion algorithm, thus reconstructing fusion image. In consideration of the root mean square error of the reconstructed image and the limitation of computing, research on the dictionary matrix size shows that the final matrix size of sparse dictionary is 64×480. An analysis of five quantitative assessment indexes demonstrates that more texture details and multi-spectral information can be obtained by the proposed fusion than by united sparse dictionary NMF fusion, wavelet fusion and PCA fusion. The proposed method can obtain better fusion result.

Key wordsPCA united sparse dictionary    online dictionary learning algorithm    OMP algorithm    NMF fusion
收稿日期: 2017-09-14      出版日期: 2018-12-07
:  P23  
基金资助:国家自然科学基金项目“基于MODIS BRDF产品的叶片聚集度系数遥感反演与验证”(41271354);福建省科技厅项目“基于高光谱特征与目标分割的城市地物识别研究”(2015J01627);闽江学院资助项目“基于稀疏的高光谱与高分辨率遥感融合与解混”共同资助(MYK17013)
作者简介: 孙小芳(1973-),女,副教授,主要从事遥感图像处理、高光谱与高空间分辨率遥感方面的研究。Email: sunxf99@163.com
引用本文:   
孙小芳. PCA联合字典的稀疏系数NMF融合[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(4): 56-61.
Xiaofang SUN. Sparse coefficient NMF fusion via PCA united dictionary. Remote Sensing for Land & Resources, 2018, 30(4): 56-61.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2018.04.09      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2018/V30/I4/56
Fig.1  PCA联合字典的稀疏系数NMF融合
联合稀疏
字典个数
联合字典
(行×列)
稀疏系数
(行×列)
重构影像平
RMSE
80 64×80 80×255 025 0.099
160 64×160 160×255 025 0.067
240 64×240 240×255 025 0.063
320 64×320 320×255 025 0.059
400 64×400 400×255 025 0.058
480 64×480 480×255 025 0.054
Tab.1  字典参数与重构RMSE
Fig.2  各波段稀疏重构RMSE
Fig.3  联合字典与PCA联合稀疏字典
字典 方差 字典 方差
分解影像1字典 0.062 PCA影像1字典 0.072
分解影像2字典 0.055 PCA影像2字典 0.066
分解影像3字典 0.068 PCA影像3字典 0.078
分解影像4字典 0.068 PCA影像4字典 0.077
分解影像5字典 0.062 PCA影像5字典 0.072
分解影像6字典 0.071 PCA影像6字典 0.080
分解影像7字典 0.072 PCA影像7字典 0.081
分解影像8字典 0.074 PCA影像8字典 0.083
联合字典 0.067 PCA联合稀疏字典 0.076
Tab.2  联合字典与PCA联合稀疏字典的方差比较
Fig.4  融合影像
评价指标 PCA联合稀疏
字典NMF融合
联合字典
NMF融合
小波融合 PCA融合
信息熵 7.203 7.027 7.186 7.164
清晰度 13.250 10.565 11.386 10.020
空间频率 22.167 19.232 20.063 18.702
扭曲程度 16.542 28.865 21.465 26.863
偏差指数 0.154 0.284 0.183 0.287
Tab.3  融合评价指标
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