陳 博王 爽焦李成劉 芳毛莎莎張 爽

①(西安電子科技大學(xué)智能感知與圖像理解教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

②(西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 西安 710071)

利用0-1矩陣分解集成的極化SAR圖像分類

陳 博*①王 爽①焦李成①劉 芳②毛莎莎①?gòu)?爽①

①(西安電子科技大學(xué)智能感知與圖像理解教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

②(西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 西安 710071)

全極化合成孔徑雷達(dá)(PolSAR)圖像蘊(yùn)含更豐富的散射信息，具有更多的可用特征。如何使用這些特征是極化SAR圖像分類中非常重要的一步，但是目前尚未對(duì)此提出非常明確的準(zhǔn)則。為了能夠有效地解決上述問(wèn)題，該文提出一種基于特征加權(quán)集成的極化SAR圖像分類算法。該算法采用0-1矩陣分解集成方法對(duì)包括不同特征的數(shù)據(jù)集進(jìn)行學(xué)習(xí)獲得相應(yīng)加權(quán)系數(shù)，并通過(guò)對(duì)每個(gè)特征集獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)集成來(lái)提高極化SAR圖像分類性能。首先，輸入極化SAR數(shù)據(jù)，獲得極化特征作為原始特征集，并對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)抽取獲得不同的特征子集；然后，使用0-1矩陣集成算法得到每個(gè)特征值相對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)；最后，通過(guò)對(duì)各個(gè)特征子集的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行集成得到最終極化SAR圖像分類結(jié)果。實(shí)測(cè)L波段和C波段極化數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效地提高極化SAR圖像分類的準(zhǔn)確度。

極化合成孔徑雷達(dá)；監(jiān)督圖像分類；集成學(xué)習(xí)；分類器集成

1 引言

近年來(lái)，極化合成孔徑雷達(dá)(Polarimetric SAR, PolSAR)圖像已經(jīng)成為了一個(gè)非常熱門的研究方向，而地物分類作為最重要的極化SAR圖像研究方向之一，也受到了廣泛的關(guān)注。和單極化SAR圖像相比，其數(shù)據(jù)涵蓋了地物目標(biāo)散射特性，對(duì)回波信息進(jìn)行了特定的分析和處理，從而提取了更為豐富的信息[1]。在國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出的眾多經(jīng)典分類方法當(dāng)中，一類方法是基于測(cè)量到的數(shù)據(jù)，比如散射矩陣S，相干矩陣T，協(xié)方差矩陣C[2]和基于相干矩陣T特征值與特征向量分解的H/alpha方法[3]及相關(guān)研究改進(jìn)[4,5]；另一類算法是基于目標(biāo)散射理論，這些算法的核心是將數(shù)據(jù)分解成相互獨(dú)立的成分，而每一部分都有其相對(duì)應(yīng)的物理含義，如基于Freeman分解[6]的分類方法及改進(jìn)[7,8]和Yamaguchi分解[9]及改進(jìn)[10?12]；還有一類方法是用經(jīng)典數(shù)據(jù)模型或者機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)極化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如Wishart分類器[13]和支撐向量機(jī)(SVM)[14,15]。其中，前兩類算法是基于散射回波信息和地物目標(biāo)的散射特性給出的，因此可以得到一系列物理量能夠有效地將極化SAR圖像中的地物類型區(qū)別開，可以被用作其他分類方法中的特征值。這些特征值在給極化SAR圖像分類研究帶來(lái)豐富的地物散射信息的同時(shí)，也帶來(lái)了一些困難。

通常在實(shí)際應(yīng)用中，特征需要在分類過(guò)程進(jìn)行之前被提取和進(jìn)行處理。如何使用特征、使用哪些特征是圖像分類分類器設(shè)計(jì)當(dāng)中的關(guān)鍵步驟。而關(guān)于特征處理有兩類主要算法：尋找特征子集和特征加權(quán)。特征加權(quán)是指給出一組特征的組合，通過(guò)相應(yīng)的權(quán)值來(lái)控制其對(duì)最終分類結(jié)果的影響。但是，哪些特征可以得到更好的分類結(jié)果，卻是很難預(yù)先確定下來(lái)的。目前，對(duì)于已有的特征處理算法而言，大多數(shù)算法都只是尋求唯一的一組特征組合來(lái)對(duì)所有的類別進(jìn)行分類。然而，從某種程度上來(lái)講，這樣既會(huì)增加類別之間決定邊界的復(fù)雜度[16]，又會(huì)限制到分類的準(zhǔn)確性。此外，地物散射信息存在隨機(jī)性，由于角度、形狀、介電常數(shù)等多種因素，同一類別的像素卻可能蘊(yùn)含不同散射信息，而不同類別的像素可能存在相似的散射信息[17]。那么，每一個(gè)特征值的有效性將會(huì)受到不同的地物目標(biāo)甚至是同一地物目標(biāo)不同位置的影響，也就是說(shuō)不同的特征對(duì)于不同的散射類型和地物目標(biāo)有著不同的區(qū)分能力。如果要用單一的特征組合對(duì)所有的類別均有效，則必然要求大量的特征數(shù)據(jù)。

為了解決上述問(wèn)題并更好發(fā)揮極化SAR圖像特征的有效性，本文考慮用基于不同地物類別的多重特征組合代替之前提到的對(duì)于全圖使用單一特征組合的方式來(lái)進(jìn)行特征加權(quán)和圖像分類。因此，提出了一種基于0-1矩陣分解加權(quán)集成框架下的極化SAR圖像分類算法。在本文算法中，首先，根據(jù)經(jīng)典算法所給出的多個(gè)特征組成初始特征集，并從中多次隨機(jī)抽取若干特征組成多個(gè)特征子集；然后，基于獲得的特征子集學(xué)習(xí)得到多個(gè)個(gè)體分類器；最后使用基于0-1矩陣分解的加權(quán)集成算法[18]將多個(gè)個(gè)體分類器的結(jié)果進(jìn)行集成。實(shí)際上，本文通過(guò)將集成學(xué)習(xí)思想引入到極化SAR圖像分類中，通過(guò)對(duì)每個(gè)特征子集對(duì)應(yīng)的個(gè)體分類器加權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)極化SAR圖像特征加權(quán)的過(guò)程。對(duì)不同的類別或者對(duì)于同一類別不同位置的待測(cè)樣本使用不同的特征權(quán)值得到預(yù)測(cè)標(biāo)記，并通過(guò)某種策略將多個(gè)預(yù)測(cè)標(biāo)記合并在一起得到最終所需要的預(yù)測(cè)結(jié)果。因此，一方面避免了單一特征組合對(duì)不同類型地物分類準(zhǔn)確性的限制，而且在另一方面也降低了算法的計(jì)算復(fù)雜度和對(duì)特征數(shù)據(jù)的要求。本文算法有效地解決了上述特征處理困難和單一特征組合需要大量特征來(lái)實(shí)現(xiàn)多類圖像分類的問(wèn)題。另外，實(shí)測(cè)極化SAR圖像數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文算法與其他方法相比能夠獲得更好的分類結(jié)果。

2 所用到的極化特征及方法

因?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)的電磁散射是一個(gè)線性過(guò)程，所以當(dāng)散射空間坐標(biāo)系以及相應(yīng)的極化基被選定之后，就使得雷達(dá)照射波和目標(biāo)散射波的各極化分量之間存在線性變換的關(guān)系，因此，一個(gè)復(fù)2維矩陣形式可以表示目標(biāo)的變極化效應(yīng)，稱為極化散射矩陣[1]。極化SAR數(shù)據(jù)涵蓋了地物類型的散射信息，是以矩陣形式作為表征，即每一個(gè)像素點(diǎn)均是一個(gè)矩陣，如式(1)所示：

在分析極化數(shù)據(jù)過(guò)程中，通常將目標(biāo)的極化散射矩陣矢量化。在后向散射情況下，因?yàn)榛ギ愋杂蠸HV=SVH=Sx。由于極化相干矩陣更易于解釋散射過(guò)程的物理意義[1,19]，所以在實(shí)際的極化研究中更多的是采用極化相干矩陣。在多視極化SAR圖像中，每一個(gè)像素點(diǎn)都可以表示成一個(gè)3×3的正定Hermitite相干矩陣。

其中A=SHH+SVV, B=SHH?SVV, C=2Sx,＜·＞表示在假設(shè)隨機(jī)散射機(jī)制各向同性下的空間統(tǒng)計(jì)平均。在假設(shè)隨機(jī)介質(zhì)的各向同性的情況下，T矩陣包含S矩陣中所有元素之間的偏差和相干信息。

基于目標(biāo)散射理論，文獻(xiàn)[3]將相干矩陣T表示為如式(3)形式，其中U3和λi(i=1,2,3)分別是矩陣T的特征矩陣和特征值，而上標(biāo)H是共軛轉(zhuǎn)置。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，熵H定義為

3 基于矩陣奇異值分解集成的監(jiān)督極化SAR分類

3.1 基于0-1矩陣分解的加權(quán)集成

基于0-1矩陣分解的集成算法(SWENC)[18]是一種基于矩陣奇異值分解的加權(quán)集成算法。為了最小化集成誤差，該方法通過(guò)對(duì)0-1矩陣進(jìn)行奇異值分解所獲得的系數(shù)將L個(gè)分類器合并在一起。根據(jù)文獻(xiàn)[18]可以得到，在一個(gè)集成分類器系統(tǒng)中，集成的最終預(yù)測(cè)標(biāo)記通常使用式(5)獲得。

其中wi表示分類器Di的權(quán)值系數(shù)，pci表示分類器Di將樣本x分到第c類的概率，c∈{1,2,…,C },L是個(gè)體分類器的數(shù)目。實(shí)際上，給分類器賦予權(quán)值的目的是為了能夠降低集成誤差。

其中yn是樣本xn的真實(shí)類別標(biāo)記，N是樣本數(shù)目，ε(·)表示當(dāng)‘·’大于0，值為1，否則值為0。

在SWENC算法中，基于預(yù)測(cè)類別標(biāo)記和真實(shí)類別標(biāo)記來(lái)建立一個(gè)N×L維二進(jìn)制矩陣A，并被用來(lái)表示集成中的個(gè)體分類器，其中元素用ani表示：

其中fni表示分類器Di(i=1,2,…,L)給予樣本x的預(yù)測(cè)類別標(biāo)記。因此，矩陣A的列向量表示分類器，而矩陣A列向量加和相當(dāng)于分類器的分類性能。因此矩陣A奇異值分解后的右奇異值向量表明個(gè)體分類器在集成中的重要性。特別地，右奇異值矩陣中對(duì)應(yīng)最大奇異值Σmax的右奇異向量vmax的平方就被用作個(gè)體分類器的線性組合系數(shù)權(quán)值。由理論分析可以得到：對(duì)于0-1矩陣來(lái)說(shuō)，其奇異值越大，則基于該奇異值的奇異值向量所獲得的集成分類誤差就會(huì)越小。

3.2 基于矩陣分解集成算法的極化SAR圖像分類

集成分類器作為集成學(xué)習(xí)在監(jiān)督學(xué)習(xí)中的一個(gè)應(yīng)用，它相當(dāng)于結(jié)合多個(gè)分類器的預(yù)測(cè)標(biāo)記從而提高單個(gè)分類器的分類性能的過(guò)程。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，差異性和個(gè)體分類器的誤差是決定集成性能的兩個(gè)非常關(guān)鍵的因素。然而，增加差異性是以提高了分類器的誤差為代價(jià)的。這暗示了并不是所有的分類器都對(duì)提高集成性能有所幫助[20]。實(shí)際上，這與特征對(duì)于圖像分類的影響是相似的，因?yàn)閷?duì)于圖像分類而言，并不是所有的特征都對(duì)某個(gè)圖像處理取得好的效果。另外，不同的特征對(duì)于不同的數(shù)據(jù)、不同的圖像，甚至同一個(gè)圖像上的不同類別，其性能和貢獻(xiàn)都是不一樣的。那么，如果可以根據(jù)特征對(duì)于最終分類結(jié)果的貢獻(xiàn)賦予其權(quán)值并進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于取得較好分類結(jié)果的特征給予較大的權(quán)值，而結(jié)果稍差一些的特征則分配較小的權(quán)值，那么就可以有效地提高圖像分類的準(zhǔn)確率。

因此，本文提出了一種新的基于分類器加權(quán)集成的極化SAR圖像特征加權(quán)和監(jiān)督分類方法。根據(jù)上面對(duì)極化SAR圖像的介紹可知，極化SAR數(shù)據(jù)可以獲得更多的關(guān)于散射的信息，但同時(shí)也給特征提取以及特征的應(yīng)用帶來(lái)更多的困難。目前極化SAR圖像數(shù)據(jù)分類已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注，并且眾多經(jīng)典方法給出了除了相干矩陣之外的一些有用特征，但是這些特征如何使用和組合卻還沒(méi)有一個(gè)固定的結(jié)論。此外，因?yàn)榈匚锷⑸湫畔⒋嬖陔S機(jī)性，雷達(dá)角度、地物自身傾角形狀等因素的影響，導(dǎo)致屬于不同類別的像素點(diǎn)可能存在相似的散射信息，而同一類別中的像素點(diǎn)卻可能蘊(yùn)含不同的散射信息[17]。這就意味著，對(duì)于不同的地物類型，甚至是對(duì)于同一地物類型的不同位置，每一個(gè)特征的有效性是不同的，那么對(duì)于所有像素采用單一的特征組合在有些情況下很難取得較好的分類結(jié)果。

而且，如果單純靠增加特征維數(shù)，采用大量特征數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，其學(xué)習(xí)的復(fù)雜度也將相應(yīng)提高。因此為了可以更有效地使用特征樣本并降低學(xué)習(xí)復(fù)雜度，本文提出了一種基于0-1矩陣奇異值分解加權(quán)集成的極化SAR圖像特征加權(quán)及監(jiān)督分類的方法。該方法針對(duì)極化SAR圖像數(shù)據(jù)，在極化SAR圖像分類中，提取出多個(gè)特征作為原始特征集。再?gòu)闹须S機(jī)抽取若干特征組成不同的特征子集。然后對(duì)這些特征子集進(jìn)行自學(xué)習(xí)，通過(guò)自學(xué)習(xí)結(jié)果和真實(shí)類標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到0-1矩陣后進(jìn)行奇異值分解，最后得到對(duì)應(yīng)每一組個(gè)體的系數(shù)作為權(quán)值進(jìn)行集成，用該加權(quán)集成之后的結(jié)果得到極化SAR圖像的分類結(jié)果。下面將給出本文算法介紹和具體算法步驟。

特征處理是圖像分類當(dāng)中關(guān)鍵的步驟之一。在本文提出的方法當(dāng)中，首先選取H/α方法[3]中的H/α/A，相干矩陣T中的對(duì)角線元素T11T22T33，上三角元素T12T13T23和相干矩陣的3個(gè)特征值作為初始的特征樣本集。其中，相干矩陣T的對(duì)角線元素分別表示：目標(biāo)的對(duì)稱性因子，目標(biāo)的非對(duì)稱性因子和目標(biāo)的非規(guī)則性因子；而上三角元素分別代表：構(gòu)型因子和局部曲率差的度量，表面扭轉(zhuǎn)和目標(biāo)的螺旋性，對(duì)稱與非對(duì)稱部分間的耦合和目標(biāo)的方向性[1]。因?yàn)橄喔删仃嘥更容易解釋關(guān)于散射過(guò)程的物理含義，從而其更多地被應(yīng)用在實(shí)際的極化研究當(dāng)中。因此相干矩陣T中的元素及相干矩陣分解的特征值通常作為極化SAR圖像分類中特征。3個(gè)參數(shù)H,α,A分別代表著熵，alpha角和反熵，對(duì)應(yīng)信息分別是[1,3]：角度α對(duì)應(yīng)散射過(guò)程的物理機(jī)制，從α=0°到α=45°再到α=90°的變化依次對(duì)應(yīng)表面散射、體散射和偶次散射變化；散射熵H表示散射媒質(zhì)從H=0的各向同性散射到H=1完全隨機(jī)散射的隨機(jī)性；反熵A的大小反映了Cloude分解中優(yōu)勢(shì)散射機(jī)制以外的兩個(gè)相對(duì)較弱的散射分量之間的大小關(guān)系，因此該3個(gè)元素可以很好地反映目標(biāo)的物理機(jī)制及散射特性，也是極化SAR圖像分類中的重要特征。

基于極化SAR原始圖像選取一組像素點(diǎn)作為分類中已知標(biāo)記的樣本集，用表示，=，其中N表示已知其類別標(biāo)記的樣本數(shù)。因?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)算法被用在本文當(dāng)中對(duì)極化SAR圖像進(jìn)行分類，所以這里將極化SAR圖像中像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于機(jī)器學(xué)習(xí)算法中的樣本點(diǎn)，其中每一個(gè)像素點(diǎn)都具有多維特征。通過(guò)對(duì)原始特征集進(jìn)行劃分，獲得m個(gè)不同的特征子集，其中每個(gè)子集都包含有d個(gè)特征。則對(duì)于類別標(biāo)記已知的訓(xùn)練樣本集而言，根據(jù)其中像素點(diǎn)所具有特征不同，可以寫成m個(gè)不同的子集。然后，使用分類器算法對(duì)每個(gè)子集i(i=1,2,…,m)進(jìn)行學(xué)習(xí)分類，獲得對(duì)應(yīng)每個(gè)子集的預(yù)測(cè)類別標(biāo)記hi。根據(jù)對(duì)應(yīng)每個(gè)子集i的預(yù)測(cè)標(biāo)記hi，構(gòu)造基于極化SAR圖像的0-1矩陣。之后，對(duì)0-1矩陣A進(jìn)行奇異值分解：A= UΣVT，再選取V中對(duì)應(yīng)于最大特征值的向量vmax。該向量元素值的平方即為各個(gè)特征子集的對(duì)應(yīng)系數(shù)權(quán)值。

基于0-1矩陣分解加權(quán)集成[18]原理，本文算法獲得對(duì)應(yīng)每個(gè)子集i的0-1矩陣(N×m)為

其中若預(yù)測(cè)標(biāo)記與真實(shí)標(biāo)記相同，則賦值1，若不相同，則賦值0。我們通過(guò)加權(quán)集成的方法得到了一個(gè)對(duì)應(yīng)特征子集的權(quán)值向量。最終，每個(gè)基于特征子集得到的個(gè)體分類器的預(yù)測(cè)類別標(biāo)記被賦予不同的權(quán)值從而合并在一起得到最終的分類結(jié)果。另外，本文中，0-1矩陣奇異值分解加權(quán)集成被用來(lái)對(duì)個(gè)體分類器進(jìn)行加權(quán)，并且支撐向量機(jī)[21]被用作集成的基礎(chǔ)分類器。下面將給出本文算法的詳細(xì)步驟。

3.3 本文算法步驟

本文采用0-1矩陣分解加權(quán)集成框架對(duì)極化SAR圖像進(jìn)行分類的具體步驟如下：

步驟1 輸入極化SAR圖像，對(duì)其進(jìn)行特征提取構(gòu)成原始特征集X，另外，假設(shè)極化SAR圖像有c類地物，?={ω1,ω2,…,ωC}；

步驟2 從原始特征集X中隨機(jī)抽取m次，每次抽取d維特征構(gòu)成m組特征子集{,,…,}；從極化SAR圖像中選取出已知類標(biāo)的樣本集，其中每一個(gè)像素點(diǎn)?s均具有d維特征。則根據(jù)這m組特征子集，每一個(gè)像素點(diǎn)?s可以相應(yīng)地得到m組不同個(gè)體，而樣本集S?可以寫成子集{1,2,…,m}的組合。i(i=1,2,…,m)表示具有第i組特征的像素點(diǎn)集；

步驟5 將0-1矩陣A進(jìn)行奇異值分解A= UΣVT，得到右側(cè)矩陣V；

步驟6 選取其中對(duì)應(yīng)最大特征值的特征向量vmax作為每一個(gè)子集的權(quán)值：2,…,m；

步驟7 根據(jù)權(quán)值系數(shù)將每個(gè)特征子集得到的預(yù)測(cè)標(biāo)記集成在一起得到最終預(yù)測(cè)結(jié)果：H=

4 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

本文選取3組實(shí)測(cè)極化SAR數(shù)據(jù)NASA/JPL AIRSAR L波段舊金山地區(qū)、CSA Radarsat-2 C波段舊金山地區(qū)和CSA Radarsat-2 C波段西安地區(qū)證明本文方法的有效性和穩(wěn)定性。3個(gè)數(shù)據(jù)的原始圖像見圖1(a)，圖2(a)和圖3(a)。表1給出了3個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)參數(shù)。

在本文實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們選取12個(gè)蘊(yùn)含散射信息的特征作為原始特征集：分別是相干矩陣中的3個(gè)對(duì)角線元素，上三角3個(gè)元素，H,α,A和相干矩陣T的3個(gè)特征值。表2給出了實(shí)驗(yàn)中所用到的特征。

圖2 原始圖及分類結(jié)果

圖3 原始圖及分類結(jié)果

表1 分類中用到的特征

表2 分類中用到的特征

為了可以證明方法的有效性，我們將它與Wishart分類器和支撐向量機(jī)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，Wishart分類器用到特征是相干矩陣T中的9個(gè)元素；支撐向量機(jī)是直接使用表2中全部12維特征。而本文所提出的方法，選取表2中的12個(gè)特征作為初始特征集，然后從中隨機(jī)選取15組，每組3個(gè)特征組成特征子集。

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，每一類選取1000個(gè)像素點(diǎn)作為極化SAR圖像分類的初始訓(xùn)練樣本，3類共選取3000個(gè)樣本點(diǎn)。對(duì)于SVM分類器，我們使用的是RBF核，并且通過(guò)先驗(yàn)實(shí)驗(yàn)選取了合適的C和σ參數(shù)。表3給出了AIRSAR和Radarsat-2圖像分類每一個(gè)實(shí)驗(yàn)所用的具體參數(shù)。另外，采用一對(duì)一的方法來(lái)處理多類問(wèn)題。

4.1 AIRSAR L波段舊金山實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

NASA/JPL AIRSAR L波段舊金山數(shù)據(jù)是4視數(shù)據(jù)，尺寸是900×1024。本文中我們將該圖像分為3類：植被、建筑物和水體。圖1給出了原始圖像和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 分類中所采用的參數(shù)

從圖1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以清楚地看到，在建筑物和植被的分類上面，本文的算法明顯優(yōu)于Wishart分類器和支撐向量機(jī)的方法。在水體部分，Wishart算法在右上角海洋區(qū)域錯(cuò)分點(diǎn)較多，SVM算法在左側(cè)海洋區(qū)域誤分點(diǎn)較多，而本文算法得到了較好的結(jié)果。建筑物和植被的分類是極化SAR圖像分類中的一個(gè)小難點(diǎn)，特別是建筑物和植被混雜的區(qū)域，通常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)分的現(xiàn)象。本文算法中，建筑物的輪廓更為清楚，區(qū)分更為明顯。特別是對(duì)于左下角部分條狀小路，本文算法的分類結(jié)果形狀更為完整和準(zhǔn)確。表4給出了實(shí)驗(yàn)的分類精度。分類精度是根據(jù)測(cè)試樣本的真實(shí)類別標(biāo)記和預(yù)測(cè)類別標(biāo)記對(duì)比得出。已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中進(jìn)行簡(jiǎn)短的補(bǔ)充。從分類精度我們可以看到，本文方法的分類精度均高于Wishart方法和支撐向量機(jī)方法，從而證明了本文方法的有效性。

表4 AIRSAR舊金山分類精度

4.2 Radarsat-2 C波段舊金山實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

這里選取的實(shí)測(cè)極化數(shù)據(jù)是CSA Radarsat-2 C波段舊金山數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)依然是涵蓋3種明顯的地物類型：植被、建筑物和水體。該數(shù)據(jù)是單視圖像，其尺寸是703×631。圖2給出了原始圖像和分類結(jié)果。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，可以明顯看到，在水體區(qū)域，本文方法明顯取得了更好的結(jié)果，分錯(cuò)的點(diǎn)最少。而且，在建筑物和植被兩類地物的分類上，本文方法的結(jié)果兩類區(qū)分更為明顯，且輪廓和邊界更加清晰。另外，表5中給出了Radarsat-2舊金山地區(qū)的分類精度。從表5中可以看到，本文方法取得了較高的準(zhǔn)確率。

表5 Radarsat-2舊金山分類精度

4.3 Radarsat-2 C波段西安地區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

這里用到的是Radarsat-2 C波段中國(guó)陜西西安市西部地區(qū)極化數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)涵蓋3種主要地物類型：植被，建筑物和水體。該數(shù)據(jù)截取尺寸是490×703。圖3給出了原始圖像和分類結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看到，本文方法將植被和建筑部分區(qū)分得更為明確，取得了較好的分類結(jié)果。從表6的分類精度中，也可以看到盡管本文方法在水體部分的分類準(zhǔn)確率略低，但是在植被，建筑物和總的準(zhǔn)確率上均有不同程度的提高。

表6 Radarsat-2 西安地區(qū)分類精度

5 結(jié)束語(yǔ)

如何有效地應(yīng)用特征并對(duì)特征進(jìn)行加權(quán)是極化SAR圖像分類非常重要的一個(gè)步驟。然而因?yàn)闃O化SAR數(shù)據(jù)的自身特性，單一的特征線性組合很難對(duì)多個(gè)類別同時(shí)產(chǎn)生很好的效果。本文方法將不同的特征組合所對(duì)應(yīng)的結(jié)果通過(guò)集成策略合并在一起，取得了很好的結(jié)果。本文將原始特征組進(jìn)行隨機(jī)抽取得到多個(gè)特征子集，再根據(jù)這些特征子集訓(xùn)練得到多個(gè)分類器。最后用0-1矩陣奇異值分解加權(quán)集成策略給予多個(gè)分類器相應(yīng)的權(quán)值系數(shù)來(lái)集成得到最后的極化SAR圖像分類結(jié)果。多波段(C波段和L波段)多種類型(AIRSAR和Radarsat-2)的極化SAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也證明了本文方法的有效性和穩(wěn)定性。本文算法目前針對(duì)的是監(jiān)督極化SAR圖像分類的特征加權(quán)，并且將集成方法應(yīng)用在極化SAR圖像處理當(dāng)中。下一步研究方向?qū)O化SAR經(jīng)典分解算法與集成方法相結(jié)合，解決無(wú)監(jiān)督和半監(jiān)督極化SAR圖像分類中的特征處理問(wèn)題。

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陳 博： 女，1985年生，博士生，研究方向?yàn)闃O化SAR圖像處理.

王 爽： 女，1978年生，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槎喑叨葞缀畏治觥D像處理.

焦李成： 男，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樽匀挥?jì)算、智能信息處理等.

劉 芳： 女，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼D像的感知與識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等.

毛莎莎： 女，1985年生，博士生，研究方向?yàn)榧伤惴ㄅc圖像處理.

張 爽： 女，1983年生，博士生，研究方向?yàn)闃O化SAR圖像處理.

Polarimetric SAR Image Classification via Weighted Ensemble Based on 0-1 Matrix Decomposition

Chen Bo①Wang Shuang①Jiao Li-cheng①Liu Fang②Mao Sha-sha①Zhang Shuang①

①(Key Laboratory of Intelligent Perception and Image Understanding of Ministry of Education, Xidian University, Xi'an 710071, China)

②(School of Electronic Engineering, Xidian University, Xi'an 710071, China)

For Polarimetric SAR (PolSAR), because it contains more scattering information, thus it can provide more available features. How to use the features is crucial for the PolSAR image classification, however, there are no existing specific rules. To solve the above problem, a supervised Polarimetric SAR image classification method via weighted ensemble based on 0-1 matrix decomposition is proposed. The proposed method adopts matrix decomposition ensemble to learn on different feature subsets to get coefficients, and weighting ensemble algorithm is employed via the predictive results to improve the final classification results. Firstly, some features are extracted from PolSAR data as initial feature group and are divided randomly into several feature subsets. Then, according to the ensemble algorithm to get the different weights based on the feature subsets, small coefficients are assigned to bad classification results to decrease the harmful impact of some features. The final classification result is achieved by combining the results together. The experimental results of L-band and C-band PolSAR data demonstrate that the proposed method can effectively improve the classification results.

Polarimetric SAR (PolSAR); Supervised image classification; Ensemble learning; Classifier ensemble

TP751

： A

：1009-5896(2015)06-1495-07

10.11999/JEIT141059

2014-08-11收到，2014-10-22改回

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB329402)，國(guó)家自然科學(xué)基金(61271302, 61272282, 61202176, 61271298)和國(guó)家教育部博士點(diǎn)基金(20100203120005)資助課題

*通信作者：陳博 chenbo8505@163.com