基于集成學習的高分遙感圖像玉米區(qū)高精度提取算法研究.pdf

1、農(nóng)作物識別是農(nóng)情監(jiān)測的重要內(nèi)容，是調(diào)查監(jiān)測農(nóng)作物種植面積、長勢、產(chǎn)量、品質(zhì)、病蟲害等的基礎。衛(wèi)星遙感技術的快速發(fā)展為農(nóng)業(yè)遙感行業(yè)應用提供了大量高質(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)源，蘊含豐富的地物信息，但遙感信息自動提取長期困擾研究學者。目前農(nóng)作物信息的精細提取仍依賴人工目視解譯，效率低下，受人員經(jīng)驗制約。雖然機器學習方法不斷改進，但受作物種植品種差異大、地塊破碎、同期作物混雜混種以及同物異譜等主客觀因素的制約，規(guī)則簡單、結構單一的自動提取算法在復雜地物分

2、布情況下表現(xiàn)出極大的局限性。同時，各算法過分依賴手工設計的特征質(zhì)量和大量的標記樣本，地物分布復雜的高分數(shù)據(jù)源的地物提取精度較低，影響最終決策的準確性。因此，提高提取精度成為遙感技術在農(nóng)業(yè)領域應用中的關鍵。
　　集成學習能夠利用多個學習方法解決同一問題，綜合多種算法的優(yōu)點，顯著提高算法的整體泛化能力。本論文以集成學習為主線，研究高分遙感圖像玉米區(qū)的高精度提取算法，將支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習與集成學習融合，從不同基本算法、不同特

3、征集輸入、不同算法結構等方面保證算法多樣性，構建集成提取算法，以提高玉米區(qū)提取精度，提出的集成提取算法也能在其它類型農(nóng)作物的信息提取中發(fā)揮作用。論文主要從以下四個方面開展了研究工作:
　　(1)特征提取與特征集構建研究:在對高分遙感圖像校正、融合等預處理和圖像特征提取的基礎上，以隨機森林為技術手段，評估特征的重要性程度;遍歷選擇不同特征并構造組合，將其提取結果分別作為證據(jù)源，采用改進的權重系數(shù)和沖突概率自適應調(diào)整的D-S證據(jù)合成規(guī)

4、則處理沖突證據(jù)，兩組高分遙感研究區(qū)圖像實驗合成結果分別達到0.84和0.87以上，較傳統(tǒng)合成方法提高了4％和6％;根據(jù)實驗結果選取最優(yōu)的特征組合，重組構建了光譜特征集、紋理特征集以及聯(lián)合特征集，以其為輸入開展后續(xù)研究。
　　(2)同異質(zhì)集成提取算法研究:探究典型監(jiān)督算法—支持向量機和極限學習機網(wǎng)絡等淺層學習方法的特點，研究了多分類器集成與合成規(guī)則;以混合迭代為手段，提出新的混合核支持向量機同質(zhì)集成算法;進而研究不同學習方法的性能差

5、異，提出以極限學習機網(wǎng)絡和支持向量機為基本方法的異質(zhì)混合集成提取算法，提高復雜地物分布情況下的高分圖像信息提取算法的泛化能力。
　　(3)深度網(wǎng)絡集成提取算法研究:重點研究堆棧自編碼和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的基本原理，分別探究其結構設置規(guī)則和參數(shù)設置優(yōu)化方式;基于無監(jiān)督特征學習構建的深度網(wǎng)絡集成提取算法，針對一維像元數(shù)據(jù)和二維多特征圖像實現(xiàn)深層特征的學習及玉米區(qū)類別屬性的判別;同時針對二維卷積網(wǎng)絡對輸入數(shù)據(jù)的特殊要求，挖掘像元鄰域的上下

6、文信息，提出了基于像元擴展的二維輸入圖像制備方法，克服了復雜場景地物提取中等尺寸分塊方法的缺點，為擴展二維卷積網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)遙感應用提供先決條件。
　　(4)實驗驗證:以高分一號和高分二號的典型研究區(qū)圖像為數(shù)據(jù)源，針對不同空間分辨率(2m與0.8m)、不同時相（單時相與雙時相）、不同幅面(512×512、1024×1024與1500×1500等)、不同特征集（光譜、紋理與聯(lián)合特征集）以及不同的地物分布特點的玉米區(qū)圖像，通過多組實驗驗證

7、集成算法性能?；谥С窒蛄繖C和極限學習機的同異質(zhì)集成提取算法總體精度較傳統(tǒng)監(jiān)督算法和單一學習算法有了顯著提高，特別是聯(lián)合特征集輸入的結果基本達到了0.85，異質(zhì)集成優(yōu)于同質(zhì)集成;聯(lián)合特征集輸入的二維卷積深度網(wǎng)絡集成提取算法總體精度達到0.90以上。綜上，集成學習能夠有效提高高分圖像玉米區(qū)提取精度，深度網(wǎng)絡集成提取算法性能表現(xiàn)優(yōu)于以支持向量機和極限學習機為基本方法的同質(zhì)、異質(zhì)集成提取算法，圖像的高空間分辨率有助于提高集成算法的玉米區(qū)提取精