基于無(wú)人機(jī)載高光譜基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集對(duì)土壤覆蓋進(jìn)行精確分類(lèi)的三維奇異光譜分析

背景

精確的土地覆蓋分類(lèi)與制圖對(duì)于土地資源規(guī)劃與管理、環(huán)境保護(hù)、自然災(zāi)害防治等具有重要意義。然而，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)載HSI數(shù)據(jù)集的場(chǎng)景覆蓋范圍相對(duì)簡(jiǎn)單，這在一定程度上限制了分類(lèi)方法的泛化能力評(píng)估。在同一傳感器下構(gòu)建包含復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景的無(wú)人機(jī)載 HSI 數(shù)據(jù)集是值得的。

最近，奇異譜分析（SSA）由于其對(duì)全局的局部建模而在HSI特征提取和分類(lèi)中受到了相當(dāng)大的關(guān)注。由于HSI的三維立方結(jié)構(gòu)，基于SSA的方法在內(nèi)在特征表示方面仍然一些缺陷。其次，目前還沒(méi)有用于HSI聯(lián)合光譜空間特征提取的SSA的3D版本，這有望緩解無(wú)人機(jī)載HSI的光譜變異性和空間異質(zhì)性。因此，探索新的3D SSA值得研究。此外，如何將高分辨率HSI的優(yōu)勢(shì)與基于SSA的方法結(jié)合起來(lái)，在精確的土地覆蓋分類(lèi)中具有挑戰(zhàn)性。

本文基于構(gòu)建的無(wú)人機(jī)載HSI數(shù)據(jù)集，提出了一種新穎的3DSSA方法來(lái)緩解嚴(yán)重的光譜變異性和空間異質(zhì)性問(wèn)題。在3DSSA中，我們定義了一個(gè)新的3D嵌入窗口來(lái)構(gòu)造與整個(gè)HSI相對(duì)應(yīng)的低秩軌跡張量，并引入t-SVD進(jìn)行特征提取和重建。此外，為了減輕尺度多樣性并提高分類(lèi)精度，提出了擴(kuò)展區(qū)域聚類(lèi)（RC）3DSSA（RC-3DSSA）框架用于精確的土地覆蓋分類(lèi)。在RC-3DSSA中，首先針對(duì)異構(gòu)區(qū)域分割執(zhí)行基于光譜和空間測(cè)量的RC。然后，每個(gè)不規(guī)則異質(zhì)區(qū)域填充平均像素或原始像素，并使用快速 3DSSA 版本實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步高效的對(duì)象級(jí)處理，以獲得RC-3DSSA的兩個(gè)變體（即RC-3DSSA-m和RC-3DSSA-n）。提取的光譜空間特征最終輸入有效的分類(lèi)器SVM以獲得精確的分類(lèi)結(jié)果。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中國(guó)石油大學(xué)孫根云教授團(tuán)隊(duì)選取了位于中國(guó)山東省青島市西海岸新區(qū)的三個(gè)研究區(qū)（圖1）。在此研究中構(gòu)建了具有高分類(lèi)挑戰(zhàn)的QUH數(shù)據(jù)集。QUH數(shù)據(jù)集包含三個(gè)子數(shù)據(jù)集，即QUH-唐島灣、QUH-青云和QUH-平安，均由安裝在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的高光譜傳感器Gaiasky mini2-VN成像光譜儀（江蘇雙利合譜科技有限公司）獲取，規(guī)格如圖2所示。三個(gè)數(shù)據(jù)集的詳細(xì)飛行參數(shù)信息如表1所示。QUH-唐島灣、QUH-青云、QUH-平安數(shù)據(jù)集詳細(xì)的土地覆蓋分布及相應(yīng)的光譜曲線分別如圖3和圖4、圖5和圖6、圖8和圖9所示。然而，QUH-青云數(shù)據(jù)集的某些區(qū)域被建筑物陰影遮擋，包括樹(shù)木、汽車(chē)和瀝青道路等類(lèi)別（圖7）。

圖 1：研究地點(diǎn)

圖2：無(wú)人機(jī)機(jī)載高光譜觀測(cè)系統(tǒng)及Gaiasky mini2-VN成像光譜儀參數(shù)

表 1：三個(gè)數(shù)據(jù)集參數(shù)。

圖 3.：QUH-唐島灣數(shù)據(jù)集。(a) 圖像立方體，(b) 地面實(shí)況圖像，(c) 土地覆蓋類(lèi)別

圖 4.：18 個(gè)土地覆蓋類(lèi)別的平均光譜曲線。

圖 5：QUH-青云數(shù)據(jù)集。(a) 圖像立方體，(b) 地面實(shí)況圖像，(c) 土地覆蓋類(lèi)別

圖 6：6 個(gè)土地覆蓋類(lèi)別的平均光譜曲線

圖7：土地覆蓋和影子土地覆蓋的光譜曲線。

圖 8：QUH-平安數(shù)據(jù)集。(a) 圖像立方體，(b) 地面實(shí)況圖像，(c) 土地覆蓋類(lèi)別

圖 9：10 個(gè)土地覆蓋類(lèi)別的平均光譜曲線

所提出的3DSSA方法用于提取HSI中的3D光譜空間特征，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于區(qū)域聚類(lèi)的改進(jìn)RC-3DSSA框架，用于大規(guī)模HSI的精確土地覆蓋分類(lèi)。 3DSSA和RC-3DSSA的流程圖分別如圖10和圖11所示。

圖 10：用于 3D 特征提取的 3DSSA 流程圖

圖 11：用于 HSI 分類(lèi)的 RC-3DSSA 流程圖，包括三個(gè)步驟：(a) 基于 RC 的 HSI 分割，(b) 每個(gè)區(qū)域的 3DSSA，以及 (c) 基于 SVM 的分類(lèi)

所提出的 3DSSA 使用局部 3D 窗口對(duì)整個(gè) HSI 的全局低秩張量進(jìn)行建模，探索光譜和空間依賴(lài)性并提取 3D 上下文特征。它由三個(gè)主要步驟組成：（1）3D 嵌入，（2）低秩張量 SVD，（3）重建。 

盡管3DSSA可以有效地提取HSI的內(nèi)在空間光譜特征，但由于軌跡張量的構(gòu)造，對(duì)于較大的HSI數(shù)據(jù)存在內(nèi)存不足的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，RC3DSSA被提出用于大規(guī)模HSI特征提取和分類(lèi)，它具有三個(gè)主要步驟，如圖11所示。首先，對(duì)原始HSI應(yīng)用RC預(yù)處理以實(shí)現(xiàn)同質(zhì)區(qū)域的分割。然后，將3DSSA應(yīng)用于每個(gè)聚類(lèi)區(qū)域進(jìn)行特征提取，產(chǎn)生光譜空間聯(lián)合特征。最后利用經(jīng)典的SVM分類(lèi)器實(shí)現(xiàn)土地覆蓋的精確區(qū)分。

結(jié)論

不同方法在QUH-唐島灣數(shù)據(jù)集上的定量分類(lèi)結(jié)果如表4所示。具體而言，所提出的RC-3DSSA-n在更多類(lèi)別上取得了出色的準(zhǔn)確性，RC-3DSSA-m在OA、AA和kappa方面獲得了最高值。深度學(xué)習(xí)方法通??常比機(jī)器學(xué)習(xí)方法取得了更高的分類(lèi)精度，并且在某些類(lèi)別上取得了最高的分類(lèi)精度（例如C1-Rubber track和C14-Buxus sinica的MorphCNN，C2-Flagging和C17-Ulmus pumila L的SSTN） 。而機(jī)器學(xué)習(xí)方法，尤其是 SuperPCA，效率更高。提出的 RC-3DSSA 以比深度學(xué)習(xí)更低的運(yùn)行成本實(shí)現(xiàn)了卓越的分類(lèi)性能。

圖16顯示了所有方法的分類(lèi)圖，并標(biāo)記了三個(gè)典型區(qū)域以進(jìn)行比較。對(duì)于區(qū)域 I（黑盒），所提出的方法能夠有效地區(qū)分海水、沙地和巖石淺灘并保留其形態(tài)，而 3DGW、3DWT、SuperPCA、SpaSSA 和 HybridSN 等方法的錯(cuò)誤分類(lèi)較大。對(duì)于區(qū)域 II（紅框），所提出的方法準(zhǔn)確識(shí)別了兩種相似的植被，針葉松和榆樹(shù)，但深度學(xué)習(xí)方法識(shí)別不足（(i)-(l)），而深度學(xué)習(xí)方法識(shí)別過(guò)度SpaSSA 方法。大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)方法（（c）-（g））由于分類(lèi)性能較差而遭受更多的識(shí)別錯(cuò)誤。對(duì)于區(qū)域III（白盒），RC-3DSSA有效地保留了以碎石路和橡膠跑道為主的不規(guī)則形狀和道路連續(xù)性，而SVM、2DSSA、3DGW、3DWT、SuperPCA、HybridSN和SpectralFormer的結(jié)果并不令人滿意?？偟膩?lái)說(shuō)，RC-3DSSA方法在復(fù)雜特征分布和相似目標(biāo)混淆的情況下提供了優(yōu)異的分類(lèi)性能。

QUH-Qingyun數(shù)據(jù)集面臨陰影遮擋和小目標(biāo)識(shí)別的挑戰(zhàn)，表5列出了所有方法的定量分類(lèi)結(jié)果。特別是，RC-3DSSA-n 在 C3-Car 小目標(biāo)類(lèi)別上實(shí)現(xiàn)了最高的準(zhǔn)確率和 AA (76.23%)，而 RC-3DSSA-m 在所有其余類(lèi)別上實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 85% 的準(zhǔn)確率，并且具有最高的 OA 和卡帕。 SpaSSA、HybridSN、MorphCNN 和 SSTN 分別在 C2-混凝土建筑、C1-樹(shù)木、C4-鐵皮建筑和 C5-塑料游樂(lè)場(chǎng)類(lèi)別上具有最高的準(zhǔn)確率。所提出的 RC-3DSSA 的運(yùn)行時(shí)間比大多數(shù)深度學(xué)習(xí)方法更快，但比機(jī)器學(xué)習(xí)方法慢，其中 SuperPCA 運(yùn)行速度最快。

所有方法的分類(lèi)圖和三個(gè)標(biāo)記的典型區(qū)域如圖17所示。區(qū)域I和II分別是陰影遮擋下的植被和道路，區(qū)域III是小目標(biāo)（汽車(chē)）的區(qū)域。對(duì)于區(qū)域I（黑盒），RC-3DSSA-n和RC-3DSSA-m均準(zhǔn)確提取了陰影下的植被區(qū)域，2DSSA、SpaSSA、SpectralFormer和SSTN僅提取了部分植被，而其余方法未能識(shí)別。對(duì)于區(qū)域 II（紅框），RC-3DSSA-n 準(zhǔn)確地識(shí)別并保留了瀝青路的主要形狀，而 SSTN 和 SpaSSA 存在一些識(shí)別錯(cuò)誤。然而，SSTN 和 SpaSSA 有大片區(qū)域的瀝青路被錯(cuò)誤分類(lèi)為汽車(chē)。對(duì)于區(qū)域 III（白盒），RC-3DSSA-m 提取汽車(chē)小目標(biāo)的精度最高，RC-3DSSA-n 和 SSTN 次之。其余方法在小目標(biāo)的識(shí)別和提取方面表現(xiàn)不佳。此外，所提出的RC-3DSSA-n和RC-3DSSA-m對(duì)于不同場(chǎng)景（陰影干擾或小目標(biāo)）的性能有所不同，實(shí)際中可以根據(jù)場(chǎng)景特征選擇兩種方法中更合適的方法應(yīng)用程序。

QUH-Pingan數(shù)據(jù)集在小、中、大尺度上都具有挑戰(zhàn)性的場(chǎng)景，不同方法的分類(lèi)精度總結(jié)在表6中。具體來(lái)說(shuō)，所提出的RC3DSSA-n在小尺度和大尺度場(chǎng)景分類(lèi)方面具有優(yōu)勢(shì)。中規(guī)模（例如C1-船舶、C3-樹(shù)木和C4-混凝土結(jié)構(gòu)建筑），而RC-3DSSA-m更適合大規(guī)模場(chǎng)景（例如C2-海水和C5-浮動(dòng)碼頭）。同樣，RC-3DSSA-m和RC-3DSSA-m分別獲得了最高和第二高的OA、AA和kappa，計(jì)算效率比深度學(xué)習(xí)方法更快。請(qǐng)注意，SuperPCA 在五個(gè)類(lèi)別上以*高效的方式實(shí)現(xiàn)了最高的分類(lèi)精度，但由于 C2-海水和 C10-Road 上的精度較低，OA 和 kappa 較差。

圖 18 顯示了所有方法和三個(gè)典型區(qū)域的分類(lèi)圖。從圖 18 可以看出，本文提出的方法對(duì)于大規(guī)模場(chǎng)景（主要是海水和道路）的分類(lèi)結(jié)果平滑度高且無(wú)噪聲，三種深度學(xué)習(xí)方法 MorphCNN、SpectralFormer 和 SSTN 也有不錯(cuò)的效果，而其余的方法存在不同程度的分類(lèi)錯(cuò)誤。從區(qū)域I和區(qū)域II，擬議的RC-3DSSA可以識(shí)別和提取完整的小規(guī)模目標(biāo)——汽車(chē)和船舶；從區(qū)域III來(lái)看，RC-3DSSA 可以準(zhǔn)確地區(qū)分出中等規(guī)模的復(fù)雜小型建筑。總體而言，所提出的方法對(duì)于多尺度場(chǎng)景分類(lèi)更適用且更準(zhǔn)確，并且這種優(yōu)勢(shì)將在 5.5 節(jié)中在不同數(shù)據(jù)集上進(jìn)一步得到證明。