高光譜遙感技術(shù)具有能同時反映遙感對象空間特征和光譜特征等優(yōu)勢,但這些優(yōu)勢也帶來了波段眾多且相關(guān)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)冗余度高、不利于進(jìn)一步處理與利用等問題。通過降維可以減少數(shù)據(jù)中的冗余信息,提高處理效率,而特征提取作為降維的一種重要方法,具有降維速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此,特征提取對高光譜圖像的利用有重要意義。

高光譜圖像降維基本原理

高光譜圖像降維方法可分為基于特征提取的方法和基于特征選擇的方法兩類。高光譜圖像特征選擇又稱波段選擇，波段選擇的定義是從一組數(shù)量為K的原始特征中，按照令準(zhǔn)則函數(shù)J(X)最大的原則，選擇出數(shù)量為k(k

高光譜圖像特征提取，即將原始高光譜數(shù)據(jù)從高維光譜特征空間按照某一變換方式，投影到一個維數(shù)更低的子空間。特征提取過程如圖3所示，其中F(X1，…，X5)表示一個線性或者非線性的變換方程。

波段選擇受搜索算法和準(zhǔn)則函數(shù)的影響，不可避免地會損失大量信息，而特征提取方法可以經(jīng)過變換直接將高維數(shù)據(jù)降維到目標(biāo)維數(shù)，降維速度快。

高光譜圖像特征提取研究現(xiàn)狀

特征提取方法可分為傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法以及深度學(xué)習(xí)方法兩類，如圖4所示。其中，傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法根據(jù)特征空間映射函數(shù)的形式又可分為線性方法和非線性方法。

傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法

線性方法

假設(shè)高維數(shù)據(jù)采樣于線性結(jié)構(gòu)中，并通過一個線性形式的變換實(shí)現(xiàn)高光譜圖像特征提取。根據(jù)利用樣本類別信息的情況，線性方法可進(jìn)一步細(xì)分為無監(jiān)督、有監(jiān)督及半監(jiān)督學(xué)習(xí)3種學(xué)習(xí)方法。其中，數(shù)據(jù)集中只有部分樣本含有類別標(biāo)簽，同時使用有標(biāo)記和無標(biāo)記樣本實(shí)現(xiàn)降維的算法屬于半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。因?yàn)榘氡O(jiān)督方法的相關(guān)研究較少，所以本文著重對無監(jiān)督和有監(jiān)督方法進(jìn)行介紹。

非線性方法

雖然線性方法普遍具有理論成熟、原理簡單、便于實(shí)現(xiàn)和使用等優(yōu)點(diǎn)，但高光譜數(shù)據(jù)屬于非線性數(shù)據(jù)，利用線性方法對高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行維數(shù)約減往往無法取得滿意的效果。

深度學(xué)習(xí)方法

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的分支之一，旨在構(gòu)造一個可訓(xùn)練的深層模型仿效人腦分析和處理問題的過程。高光譜圖像多種多樣，一種特征提取方法很難在所有類型的數(shù)據(jù)中均取得良好的效果，這是傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法普遍存在的問題。深度學(xué)習(xí)方法很好地解決了這個問題，針對不同類型的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)特征，深度學(xué)習(xí)模型可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)自主地學(xué)習(xí)特征。

高光譜圖像特征提取存在的問題與研究方向

高光譜圖像特征提取技術(shù)作為一種預(yù)處理技術(shù)，減少了數(shù)據(jù)中的冗余信息，提高了目標(biāo)檢測、分類等后續(xù)應(yīng)用的效果，極大地促進(jìn)了高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展。但目前的特征提取技術(shù)及算法還存在很多局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)有些高光譜特征提取算法時間復(fù)雜度過高、運(yùn)算時間過長，即使精度有一定提高也得不償失，不適于某些對算法實(shí)時性要求很高的場合。

2)許多高光譜特征提取算法都含有參數(shù)，對于算法的使用者而言，調(diào)參是一個耗時費(fèi)力的過程，且參數(shù)的取值對算法的效果有顯著影響，所以最佳參數(shù)的選擇是一個難以解決的問題。

3)高光譜圖像提供了豐富的空間、光譜信息，但目前絕大多數(shù)特征提取算法都只利用了高光譜圖像的光譜信息，如何高效地綜合利用高光譜圖像的空間、光譜信息是有待進(jìn)一步深入研究的問題。

研究方向

針對高光譜圖像特征提取方法的研究現(xiàn)狀及存在的問題，提出了一些解決問題的思路及有價值的研究方向。

1)利用Spark或CUDA并行編程框架實(shí)現(xiàn)諸如流形學(xué)習(xí)等時間復(fù)雜度較高算法的并行化，可以有效縮短算法的運(yùn)行時間。

2)完善特征提取算法的理論體系，為解決目前存在的問題提供理論依據(jù)，例如為核方法中核函數(shù)以及核參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。

3)在對高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取之前對高光譜圖像進(jìn)行空間濾波，從而綜合利用高光譜圖像的空間信息及光譜信息。

4)在實(shí)際應(yīng)用中，對高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記的成本較高且有些數(shù)據(jù)無法進(jìn)行標(biāo)記，所以無監(jiān)督或半監(jiān)督特征提取算法是后續(xù)研究的重點(diǎn)。5)深度學(xué)習(xí)作為目前機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域熱門的研究方向，具有許多傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法所不具備的優(yōu)勢，基于深度學(xué)習(xí)的高光譜特征提取方法是一個研究方向。