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自然资源遥感  2022, Vol. 34 Issue (3): 27-32    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021271
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联合空谱信息的高光谱影像深度Transformer网络分类
张鹏强(), 高奎亮(), 刘冰, 谭熊
中国人民解放军战略支援部队信息工程大学,郑州 450001
Classification of hyperspectral images based on deep Transformer network combined with spatial-spectral information
ZHANG Pengqiang(), GAO Kuiliang(), LIU Bing, TAN Xiong
Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China
全文: PDF(3088 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

卷积神经网络中的局部卷积运算无法对高光谱影像中的全局语义信息进行充分学习,因此,基于Transformer模型设计了一种新颖的深度网络模型,以进一步提高高光谱影像分类精度。首先,利用主成分分析方法对高光谱影像进行降维处理,并选取像素周围邻域数据作为输入样本,以充分利用影像中的空谱联合信息; 然后,利用卷积层将输入样本转换为序列特征向量; 最后,利用构建的深度Transformer网络进行分类。Transformer模型中的多头注意力机制能够充分利用丰富的判别性信息。试验表明,与现有卷积神经网络模型相比,文章方法能够获得更为优异的分类性能。

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张鹏强
高奎亮
刘冰
谭熊
关键词 高光谱影像分类Transformer深度学习自注意力机制    
Abstract

The local convolution operation in convolutional neural networks cannot fully learn the global semantic information in hyperspectral images. Given this, this study designed a novel deep network model based on Transformer in order to further improve the classification precision of hyperspectral images. Firstly, this study reduced the dimensionality of hyperspectral images using the principal component analysis method and selected the neighborhood data around pixels as input samples to fully utilize the spatial-spectral information in the images. Secondly, the convolutional layer was used to transform the input samples into sequential characteristic vectors. Finally, image classification was conducted using the designed deep Transformer network. The multi-head attention mechanism in the Transformer model can make full use of the rich discriminative information. Experimental results show that the method proposed in this study can achieve better classification performance than the existing convolutional neural network model.

Key wordshyperspectral image classification    Transformer    deep learning    self-attention mechanism
收稿日期: 2021-08-30      出版日期: 2022-09-21
ZTFLH:  TP751  
基金资助:国家自然科学基金项目“基于深度学习的航空序列遥感影像快速三维重建方法研究”(41801388)
通讯作者: 高奎亮
作者简介: 张鹏强(1978-),男,博士,副教授,主要从事高光谱数据处理、机器学习研究。Email: zpq1978@163.com
引用本文:   
张鹏强, 高奎亮, 刘冰, 谭熊. 联合空谱信息的高光谱影像深度Transformer网络分类[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(3): 27-32.
ZHANG Pengqiang, GAO Kuiliang, LIU Bing, TAN Xiong. Classification of hyperspectral images based on deep Transformer network combined with spatial-spectral information. Remote Sensing for Natural Resources, 2022, 34(3): 27-32.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021271      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2022/V34/I3/27
Fig.1  Transformer基本结构
Fig.2  多头注意力机制
Fig.3  本文网络模型
Fig.4  Salinas数据集分类结果
Fig.5  Indian Pines数据集分类结果
序号 类名称 SVM SSDCNN 3D-
CNN
RES-3D
-CNN
本文
方法
各类别分类精度/
%
1 椰菜_绿_野草_1 99.20 98.90 98.75 100 91.74
2 椰菜_绿_野草_2 99.62 89.43 99.25 98.12 100.00
3 休耕地 99.70 100 99.14 99.70 100.00
4 粗糙的休耕地 99.50 99.93 99.50 99.86 100.00
5 平滑的休耕地 96.75 96.56 99.74 99.81 99.81
6 残株 99.42 99.97 99.62 100 99.87
7 芹菜 99.36 97.18 98.21 99.55 100.00
8 未结果实的葡萄 84.75 77.61 89.57 88.24 100.00
9 正在开发的葡萄园土壤 99.10 99.11 99.98 99.50 99.98
10 开始衰老的玉米 93.29 99.69 95.01 98.66 99.82
11 长叶莴苣(4周) 97.85 99.91 95.78 100 100.00
12 长叶莴苣(5周) 99.84 100 99.79 99.95 99.95
13 长叶莴苣(6周) 98.58 99.89 100.00 99.45 99.89
14 长叶莴苣(7周) 95.79 99.53 97.99 100 100.00
15 未结果实的葡萄园 65.74 96.68 82.12 91.98 96.40
16 葡萄园小路 98.89 99.34 99.43 99.45 100.00
OA/% 91.20 93.61 94.67 96.12 99.13
AA/% 95.46 97.11 97.12 98.39 99.22
Kappa 0.902 0 0.929 1 0.940 7 0.956 9 0.990 3
Tab.1  Salinas数据集分类结果
序号 类名称 SVM SSDCNN 3D-
CNN
RES-3D
-CNN
本文
方法
各类别分类精度/
%
1 免耕玉米 75.78 88.38 93.07 94.05 99.64
2 少耕玉米 71.12 94.34 96.27 99.04 97.42
3 草-牧场 89.10 97.52 98.55 98.96 100.00
4 草-树 96.15 99.86 97.12 99.59 97.73
5 堆积干草 99.79 100.00 100.00 100.00 100.00
6 免耕大豆 69.98 92.49 96.81 97.02 98.37
7 少耕大豆 89.22 87.17 91.85 91.28 99.59
8 大豆 79.79 99.33 97.47 99.33 97.85
9 树木 99.68 96.36 98.42 99.21 98.98
OA/% 84.57 92.81 95.41 96.12 98.96
AA/% 85.62 95.05 96.62 97.61 98.84
Kappa 0.820 9 0.915 9 0.946 3 0.954 7 0.987 8
Tab.2  Indian Pines数据集分类结果
Fig.6  训练样本数量对分类精度的影响
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