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国土资源遥感  2019, Vol. 31 Issue (3): 95-103    DOI: 10.6046/gtzyyg.2019.03.13
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基于引力自组织神经网络的震害遥感影像分类
黄惠1,2, 郑雄伟3, 孙根云1,2(), 郝艳玲1,2, 张爱竹1,2, 容俊1,2, 马红章4
1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,青岛 266580
2. 青岛海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,青岛 266071
3. 中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083
4. 中国石油大学(华东)理学院,青岛 266580
Seismic image classification based on gravitational self-organizing map
Hui HUANG1,2, Xiongwei ZHENG3, Genyun SUN1,2(), Yanling HAO1,2, Aizhu ZHANG1,2, Jun RONG1,2, Hongzhang MA4
1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China
2. Laboratory for Marine Resources Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao, 266071, China
3. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China
4. College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China
全文: PDF(4443 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

针对高空间分辨率遥感影像震害目标难以识别和提取的问题,结合分形纹理和引力自组织神经网络(gravitational self-organizing map,gSOM),提出了一种新的面向对象分类方法。首先,利用分割算法对原始影像进行初始过分割,得到均质性较好的分割单元,以分割单元作为待处理对象; 在此基础上,利用分形纹理描述待分割对象,同时融合光谱特征构建震害目标的特征向量; 最后,利用gSOM对分割对象进行聚类,得到聚类结果,并利用一致性函数以最小代价将多样性的聚类结果集成,最终实现快速、自动决策分类。以四川省汶川县震后高空间分辨率遥感影像为实验数据对算法进行定性和定量的评价,结果表明,该算法能够有效地描述复杂的震害目标,既可以保持大面积震害目标的完整性,也可以反映小的震害目标及其细节信息,提高震害影像的自动分类精度。

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黄惠
郑雄伟
孙根云
郝艳玲
张爱竹
容俊
马红章
关键词 分形纹理引力自组织神经网络高空间分辨率遥感震害面向对象分类    
Abstract

The recognition and extraction of seismic targets in high resolution post-earthquake images pose great challenge to the traditional image classification method. This paper introduces an object-oriented classification method for high resolution post-earthquake images classification, which integrates fractal texture features into a gravitational self-organizing map (gSOM). The method can be summarized as follows. First of all, the mean shift (MS) segmentation algorithm is adopted for initial segmentation in order to obtain homogeneous geographical objects, and the objects are regarded as the basic classification units in the subsequent process. Secondly, the characteristics of objects are quantified by the adaptive combination of the spectral bands and the fractal second order statistics as the texture information extracted from the original seismic image. Finally, the objects as classification units are clustered under the gSOM. For the purpose of controlling the uncertainty in the classification results, these various clustered results are assembled by the consensus function with the least cost. The qualitative and quantitative experiments on the Wenchuan County seismic images demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed method, which not only maintains the integrity of large damage targets, but also reflects details of the small targets at the same time. Also, the method shows the potential in the new technology for high resolution post-event image classification.

Key wordsfractal texture    gSOM    high resolution remote sensing    seismic targets    object-oriented classification
收稿日期: 2018-06-29      出版日期: 2019-08-30
:  TP753  
基金资助:国家自然科学基金项目“复杂地震环境下多源遥感影像引力智能优化分类模型与算法研究”(41471353);“高异质性滨海湿地盐沼植被环境响应机理与优化分类方法研究”(41801275);山东省自然科学基金项目“引力智能算法引导的高分辨率海岸带城市遥感影像最优分割方法研究”(ZR2018BD007);“光学与微波遥感协同反演植被覆盖区土壤水分研究”(ZR2017MD007);中央高校基本科研业务费专项资金项目“基于多源遥感大数据的“海上丝路”城市不透水面专题信息分层优化提取方法与生态环境效应研究”(18CX05030A);“滨海湿地典型植被群落的高分辨率遥感智能识别研究”(18CX02179A);青岛市博士后应用研究项目“基于超像素的高分辨率海岸带城市影像智能分类方法研究”共同资助(BY20170204)
通讯作者: 孙根云
作者简介: 黄 惠(1995-),女,硕士研究生,主要从事遥感影像处理方面的研究。Email: huihuang_rs@163.com.。
引用本文:   
黄惠, 郑雄伟, 孙根云, 郝艳玲, 张爱竹, 容俊, 马红章. 基于引力自组织神经网络的震害遥感影像分类[J]. 国土资源遥感, 2019, 31(3): 95-103.
Hui HUANG, Xiongwei ZHENG, Genyun SUN, Yanling HAO, Aizhu ZHANG, Jun RONG, Hongzhang MA. Seismic image classification based on gravitational self-organizing map. Remote Sensing for Land & Resources, 2019, 31(3): 95-103.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2019.03.13      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2019/V31/I3/95
特征名称 计算公式 说明
均值 μFD=1MNi=1Mj=1NIFD(i,j) 计算区域的分形维数的均值
方差 σFD=1MNi=1Mj=1N(IFD(i,j)-μFD)2 计算区域的分形维数的方差
对比度(CON) CONFD=n=1Ln2[i=1Mj=1Np~(i,j)],|i-j|=n 度量局部区域变化,值越小纹理越均匀
相异性(DIS) DISFD=i=1Mj=1Np~(i,j)i-j 描述区域内像素与邻近像素的相异性
空隙度(L) LFD=1MNi=0Mj=0NIFD(i,j)2(1MNi=0Mj=0NIFD(i,j))2-1 计算区域中分形维数的“块度”,空隙度越大表明区域同质性越强
角二阶矩(ASM) ASMFD=i=1Mj=1Np~2(i,j)lg[p~(i,j)]
其中:
p~(i,j)=12πσIFDexp(-(IFD(i,j)-μFD)22σFD2)
度量区域的紊乱性,值越小,表明区域越均匀,其中,p~(i,j)为分形维数图像中坐标为(i,j)处像素点属于所在类的归一化概率值
熵(ENT) ENTFD=-i=1Mj=1Np~(i,j)lg[p~(i,j)] 度量区域内像素的随机性,值越大表明纹理越复杂
同质性(HOM) HOMFD=i=1Mj=1Np~(i,j)1+i-jp~(i,j) 描述区域内像素分布均匀度
偏斜度(S) SFD=E(x-μFD)σFD3 描述区域内像素分形纹理值的不对称性
逆差距(IDM) IDMFD=i=1Mj=1N11+(i-j)2p~(i,j) 类似于同质性,但是更强调区域内像素之间的差异性
Tab.1  分形纹理特征公式及含义
Fig.1  高空间分辨率震害影像分类流程
Fig.2  T1,T2原始影像、MS分割影像以及对应的ROI
Fig.3  T1和T2影像分类结果对比
完整房屋 森林 倒塌房屋 小路 草地 生产者精度/%
完整房屋 5 297 0 0 1 161 0 40.35
森林 114 54 846 4 0 3 009 94.07
倒塌房屋 7 716 3 459 45 093 891 3 077 99.99
小路 0 0 0 9 704 0 82.54
草地 0 0 0 1 25 628 80.81
用户精度/% 82.02 94.61 74.86 100.00 100.00
总体精度: 87.86% Kappa系数: 0.83
Tab.2  SVM方法对T1影像的混淆矩阵和精度评价
完整房屋 森林 倒塌房屋 小路 草地 生产者精度/%
完整房屋 11 495 77 0 1 474 533 87.57
森林 0 56 407 4 0 3 009 96.74
倒塌房屋 1 632 1 821 45 093 583 2 456 99.99
小路 0 0 0 9 700 309 82.50
草地 0 0 0 0 25 407 80.11
用户精度/% 84.65 94.93 87.41 96.91 100.00
总体精度: 92.56% Kappa系数: 0.90
Tab.3  本文算法对T1影像的混淆矩阵和精度评价
完整房屋 森林 倒塌房屋 小路 草地 泥石流 生产者精度/%
完整房屋 7 178 0 470 0 36 0 45.71
森林 0 85 013 3 849 0 2 780 234 87.83
倒塌房屋 8 097 6 678 45 437 2 130 1 567 29 86.97
小路 255 33 1 020 4 920 0 0 69.79
草地 276 5 070 1 471 0 6 204 624 58.60
泥石流 0 0 0 0 0 22 669 96.23
用户精度/% 93.41 92.53 71.06 79.00 45.47 100.00
总体精度: 83.20% Kappa系数: 0.76
Tab.4  SVM方法对T2影像的混淆矩阵和精度评价
完整房屋 森林 倒塌房屋 小路 草地 泥石流 生产者精度/%
完整房屋 15 630 0 1084 0 160 0 98.89
森林 0 92 864 0 0 18 0 95.94
倒塌房屋 176 3 926 51 163 0 1 064 0 97.93
小路 0 0 0 7 050 0 0 100.00
草地 0 4 0 0 9 345 0 88.27
泥石流 0 0 0 0 0 23 556 100.00
用户精度/% 92.63 99.98 90.83 100.00 99.96 100.00
总体精度: 96.88% Kappa系数: 0.96
Tab.5  本文算法对T2影像的混淆矩阵和精度评价
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