任志武

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心遼寧省基礎(chǔ)測(cè)繪院，遼寧錦州 121003）

0 引言

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，圖像分類技術(shù)重要的理論和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值日益凸顯。模糊聚類分析技術(shù)是一種根據(jù)客觀事物之間的特征和隸屬程度，通過建立模糊相似關(guān)系對(duì)客觀事物進(jìn)行聚類的分析方法，在一定程度上能夠解決混合像元的問題［1］。其中，模糊C 均值聚類（Fuzzy C-means，簡(jiǎn)稱FCM）算法應(yīng)用最為廣泛，但它沒有考慮空間約束的作用，在分類的過程中對(duì)噪聲及異常值極其敏感［2］。Cai［3］提出（Fast Generalized FCM，簡(jiǎn)稱FGFCM）促進(jìn)鄰域控制參數(shù)的選擇，提高算法的抗噪能力?；鹬也剩?］在此基礎(chǔ)上提出了隱馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模糊C 均值（Hidden Markov Random Field FCM，HMRF-FCM）算法，在熵FCM 的基礎(chǔ)上，將馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)理論引入到FCM 聚類分析中，建立基于鄰域的標(biāo)號(hào)場(chǎng)模型，使圖像分類結(jié)果更加可靠。

本文在FCM 的基礎(chǔ)上，提出將空間約束融入到FCM 算法中。引入鄰域像素后，算法能夠平滑部分噪聲及異常值，提高抗噪能力，進(jìn)而達(dá)到提高圖像分類精度的目的。

1 FGFCM算法

FGFCM 定義了一個(gè)相似性測(cè)度，計(jì)算像素之間的相似度，然后結(jié)合鄰域關(guān)系和空間關(guān)系，重新產(chǎn)生一個(gè)新的圖像，并用這個(gè)新圖像代替原來的圖像進(jìn)行聚類分析［5］。

1.1 模型建立

FGFCM 算法的基本思想與FCM 算法相近，故而模型建立最終也是求取模糊隸屬度。令隸屬度初始值為零，經(jīng)迭代之后的隸屬度為比對(duì)值，從而得到最終隸屬度［6］。首先需要計(jì)算出γi（i=1，2，…n），其與i具有相同顏色像素的個(gè)數(shù)；之后根據(jù)像素點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算出相似性測(cè)度，并利用此求得新的圖像，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：i為第i個(gè)像素；j為第j個(gè)像素；Sij為第i個(gè)像素和第j個(gè)像素的相似度；（pi，qi）為像素的坐標(biāo)；xi為i的顏色，xj為j的顏色；λs、λg為控制參數(shù)；Si定義如式（2）所示：

利用這個(gè)相似性測(cè)度，結(jié)合鄰域關(guān)系、空間關(guān)系重新產(chǎn)生新的圖像，并用這個(gè)新圖像代替原來的圖像進(jìn)行聚類分析。其目標(biāo)函數(shù)如式（3）所示：

式中：γi為與像素i具有相同顏色像素的個(gè)數(shù)；uij為第i個(gè)像素隸屬于第j個(gè)像素聚類程度；M為顏色的總數(shù)；N為像素個(gè)數(shù)；c為聚類數(shù)；vj為第j個(gè)像素聚類的聚類中心；m為模糊因子；ξi為新生成的圖像［7］。

1.2 算法實(shí)現(xiàn)流程

綜上所述，F(xiàn)GFCM 算法實(shí)現(xiàn)的流程如圖1 所示。

圖1

1）給定聚類數(shù)目c，加權(quán)指數(shù)m，e為終止迭代的判斷參數(shù)；

2）用［0，1］之間的隨機(jī)數(shù)對(duì)隸屬矩陣初始化，利用初始聚類中心，并設(shè)置迭代數(shù)Z=0，且迭代次數(shù)Z＜LOOP；

3）計(jì)算聚類中心；

4）計(jì)算隸屬度矩陣；

5）如果聚類度＜e，則停止；否則，令Z=Z+1，返回第4 步繼續(xù)算法迭代。

2 圖像分類試驗(yàn)

為測(cè)試FCM、FGFCM、HMRF-FCM 3 種算法對(duì)遙感影像的分類效果和精度，試驗(yàn)選取了4 張自然紋理圖像和4 張真實(shí)遙感圖像，尺度為128×128 像素，通過編寫代碼對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)分類處理。用定性分析來評(píng)價(jià)不同算法的特點(diǎn)和分類效果，通過計(jì)算用戶精度、產(chǎn)品精度、總體精度以及Kappa 系數(shù)（簡(jiǎn)稱Ka 系數(shù)）來定量評(píng)價(jià)3 種算法的分類精度。

2.1 自然紋理圖像分類

為了進(jìn)一步驗(yàn)證引入FGFCM 及HMRF-FCM算法的普適性，選取4 張自然紋理圖像來進(jìn)行驗(yàn)證，分類數(shù)分別設(shè)為2、2、3、4。3 種分類算法的分類疊加結(jié)果如圖2 所示。

圖2 自然紋理圖像分類比較

由圖2 可知：分別采用FCM、FGFCM、HMRFFCM 3 種算法對(duì)圖2（a1）紋理圖像1 進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為2。提取分類結(jié)果的輪廓線與原圖進(jìn)行疊加，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：FCM 算法分類效果較差，而其他兩種算法分類效果相對(duì)理想，噪聲少，且誤分的情況少。對(duì)圖2（b1）紋理圖像2 進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為2。FCM 算法分類效果不理想，噪聲較多；HMRF-FCM 算法分類效果稍好一些；FGFCM 算法分類效果最好，但由于圖像上類別差異不大，分類測(cè)試效果不明顯。對(duì)圖2（c1）紋理圖像3進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為3。經(jīng)FCM 算法分類后的圖片有明顯的噪點(diǎn)，而其他兩種算法分類效果好一些。對(duì)圖2（d1）紋理圖像4 進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為4。對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行分析，能夠看出，F(xiàn)CM 分類后的圖像出現(xiàn)了像素誤分的情況，HMRFFCM 分類后的圖像有細(xì)節(jié)損失，F(xiàn)GFCM 算法分類結(jié)果中的地物相對(duì)完整，且最大程度地保留了細(xì)節(jié)。

2.2 真實(shí)遙感圖像分類

為了驗(yàn)證上述算法對(duì)真實(shí)遙感影像的處理效果，選取了部分典型地類的影像進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 真實(shí)遙感圖像分類比較

由圖3 可知：對(duì)圖3（a1）影像進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為2。圖3（a2）-圖（a4）是經(jīng)FCM 算法、FGFCM 算法、HMRF-FCM 算法處理后的結(jié)果，由于FCM 算法只考慮到像素本身對(duì)圖像分類的影響，碎斑點(diǎn)較多；HMRF-FCM 算法碎斑點(diǎn)較少，分類精度較高；FGFCM 算法雖然分類精度稍差一點(diǎn)，但是迭代次數(shù)少，運(yùn)行速度快。對(duì)圖3（b1）遙感影像2 進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為3。FCM 算法分類效果不是很理想，噪聲多；其他算法雖然分類效果相對(duì)較好，但是在對(duì)草地劃分時(shí)，效果不好，即使是HMRF-FCM 算法分類后的圖像，仍然有碎斑點(diǎn)。對(duì)圖3（c1）遙感影像3 進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為3。從河流和草地的分類結(jié)果來看，3 種算法對(duì)河流分類的效果都可以；但對(duì)草地及其附近的淤泥，只有HMRf-FCM 算法處理的精度較高，F(xiàn)GFCM 算法處理的結(jié)果有一些噪聲點(diǎn)；FCM 算法處理結(jié)果的碎斑點(diǎn)更多。對(duì)圖3（d1）遙感影像4 進(jìn)行分類，設(shè)置分類參數(shù)為4。能夠明顯看出HMRF-FCM 算法分類的效果最好，圖像分類輪廓線明確，基本沒有噪聲點(diǎn)。

為了對(duì)3 種算法的分類結(jié)果做出進(jìn)一步的定量評(píng)價(jià)，利用混淆矩陣計(jì)算用戶精度、產(chǎn)品精度、總精度、Ka 系數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 精度指標(biāo)、總體精度和Ka 系數(shù)值比較單位：%

由表1 可知：FCM 算法的總體精度只有92.98%，Ka 系數(shù)值為0.91。而FGFCM 和HMRFFCM 算法引入鄰域作用，能夠使分類總體精度達(dá)到96% 以上，Ka 系數(shù)值也高達(dá)0.95，通過總體精度和Ka 系數(shù)值能夠評(píng)價(jià)分類結(jié)果，值越大，表示分類結(jié)果越好。因此，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)GFCM 算法相比較傳統(tǒng)FCM 算法，分類結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.3 分類結(jié)果分析

從上述分類結(jié)果可以看出，經(jīng)FCM 算法處理后的圖像，分類效果并不理想，圖像上有明顯的噪聲點(diǎn)。雖然FCM 算法簡(jiǎn)單，易于操作，但是由于該算法只考慮到像素本身對(duì)圖像分類的影響，沒有引入空間約束的作用，從而導(dǎo)致在很多情況下，F(xiàn)CM 算法對(duì)于孤立點(diǎn)和噪聲比較敏感。此外，由于FCM 算法對(duì)初始值非常敏感，在無法準(zhǔn)確選取初始類中心的情況下，更容易使算法陷入局部最優(yōu)，這樣會(huì)造成算法迭代收斂的速度降低、迭代次數(shù)的增加以及運(yùn)算量的加大。FGFCM 算法不但簡(jiǎn)單通用，還能實(shí)現(xiàn)快速分類，適用于大尺寸的灰度圖像分類。FGFCM 算法還引入了鄰域像素，提高了抗噪能力。但是，其以灰度級(jí)代替像素進(jìn)行分類，導(dǎo)致分割結(jié)果不準(zhǔn)確，存在部分誤分類像素。經(jīng)HMRF-FCM算法處理后的圖像分類效果較好，既沒有孤立的噪聲點(diǎn)，也少見像素的誤分情況。該算法是在傳統(tǒng)FCM 算法的基礎(chǔ)上，引入K-L 規(guī)則化項(xiàng)來控制算法的模糊程度，以算數(shù)加權(quán)形式代替指數(shù)加權(quán)，具有明確物理意義，同時(shí)基于標(biāo)號(hào)場(chǎng)利用HMRF 模型定義先驗(yàn)概率，以控制聚類尺度，并且以概率分布和似然率的負(fù)對(duì)數(shù)定義非相似性測(cè)度。與歐式距離相比較，其結(jié)果更加準(zhǔn)確，因此，能夠獲得較精確的分類結(jié)果。

從圖像的分類結(jié)果來看，F(xiàn)GFCM、HMRF-FCM算法相比較FCM 算法而言，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在處理噪聲問題上，F(xiàn)GFCM 算法不僅考慮自身像素對(duì)圖像分類的影響，還顧及到鄰域像素的作用，提高了抗噪能力。但是，由于圖像噪聲沒有先驗(yàn)知識(shí)，即使通過經(jīng)驗(yàn)和使用試錯(cuò)法，對(duì)于參數(shù)的選擇仍然不是一件容易的事情。而HMRF-FCM 算法克服了上述缺點(diǎn)，基于標(biāo)號(hào)場(chǎng)利用HMRF 模型定義先驗(yàn)概率，即使是在有高斯噪聲影響的情況下，仍然得到了較高的分類精度。因此，F(xiàn)GFCM 算法以及HMRF-FCM 算法要優(yōu)于FCM 算法。

2）在圖像分類效果上，F(xiàn)GFCM 算法以及HMRF-FCM 算法要優(yōu)于FCM 算法，HMRF-FCM 算法分類效果最佳。

3 結(jié)語

FCM 算法簡(jiǎn)單、易操作，因此在影像自動(dòng)解譯中應(yīng)用廣泛，但是，在使用過程中，由于其自身存在著需要預(yù)先給定聚類數(shù)目、容易陷入局部最優(yōu)、對(duì)噪聲敏感等固有缺陷，所以影響圖像分類精度。本文在FCM 的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像分類算法進(jìn)行了更深一步的優(yōu)化，提出改進(jìn)后的FGFCM 算法。FGFCM 算法針對(duì)FCM 算法存在的問題，增加鄰域像素作用，提高算法的抗噪能力，提出將空間約束融入到FCM算法之中，并分別采用FCM、FGFCM 和HMRFFCM 3 種算法對(duì)自然紋理圖像及真實(shí)遙感圖像進(jìn)行分類。通過對(duì)分類結(jié)果的定量與定性分析，得出本文提出的FGFCM 算法與FCM 和HMRF-FCM 2 種算法相比較，具有分類精度高、圖像分類輪廓線清晰，噪聲點(diǎn)少等優(yōu)點(diǎn)，能夠得到較好的分類效果。