线性高光谱解混模型综述

高光谱遥感技术具有强大的地物探测能力.然而,其空间分辨率低的特点导致光谱图像中存在大量的混合像元,该现象阻碍了高光谱技术的应用和发展.针对米级以下的高光谱图像,线性混合模型能够很好地为混合像元建模.由于其物理上的可释性以及数学上的可操作性,作为光谱解混基础的线性混合模型受到了广泛关注,为高光谱图像的混合像元解混问题提供了重要的解决思路.然而,由于观测噪声、环境条件、端元变异性和数据集大小等情况的存在,线性解混依然是一个具有挑战性的不适定的逆问题.通过整理近五年的文献资料,分别从非负矩阵分解、原型分析、贝叶斯方法以及稀疏解混四个方面介绍线性解混数学模型的发展现状以及面临的问题.     

基于双线性混合模型的高光谱图像非线性光谱解混

高光谱遥感图像的非线性光谱解混能弥补线性方法难以解释复杂场景中非线性混合效应的不足, 而双线性混合模型及算法是其研究的热点.提出了一种基于双线性混合模型几何特性的光谱解混算法.通过将模型中的非线性混合项表示为一个融合了共同非线性效应的额外端点的线性贡献, 使复杂的双线性混合模型求解转化为简单的线性解混问题.然后结合传统的线性解混算法直接迭代估计正确的丰度.模拟和真实遥感图像数据的实验结果表明, 与其它相关解混方法相比, 该算法能较好地克服共线性效应以及拟合优化过多参数对双线性混合模型求解造成的不利影响, 同时提高了解混的精度和速度.     

高光谱解混方法研究

高光谱图像的空间分辨率较低,导致大量混合像元存在于高光谱图像中。混合像元的存在是使高光谱图像目标分类准确率降低的主要原因之一。高光谱像元解混在高光谱遥感图像处理中具有非常重要的意义。高光谱像元解混主要分为线性和非线性光谱解混两种方法,研究最广泛的是线性光谱解混。归纳了线性光谱解混的两个步骤:（1）提取纯净像元中地物的光谱信号,即提取端元,这是关键步骤;（2）利用端元的加权线性组合对混合像元进行光谱解混,即丰度反演。简述了端元提取及丰度反演研究的主要进展,介绍了端元提取的几种典型算法。通过归纳、对比和分析,总结了不同端元提取方法的特点,并对高光谱解混的研究前景进行了展望。     

基于光谱相似度量的高光谱图像多任务联合稀疏光谱解混方法

基于图像中存在的邻域以及非局部相似等图像空间特征和联合稀疏解混思想,该文提出一种基于高光谱图像光谱相似性度量的多任务联合稀疏解混方法。通过高光谱图像的光谱特性统计值设定光谱度量阈值,对高光谱图像中相似的像元光谱进行光谱相似性度量分组,再对分组像元光谱数据进行多任务联合稀疏光谱解混模型的构建和求解,得到最终的丰度系数。模拟数据实验结果表明,该方法一定程度上提升了现有联合稀疏光谱解混方法的丰度估计精度,真实数据结果也验证了方法的有效性。     

基于等距映射和空间信息的光谱解混算法

由于多重反射和散射,高光谱图像中的混合像元实际上是非线性光谱混合。传统的光谱解混算法是以线性光谱混合模型为基础,因此解混精度不高。本文在光谱非线性混合模型的基础上,提出一种将等距映射与空间信息结合的非线性光谱解混算法。该算法通过等距映射算法将原始高光谱数据非线性降维到低维空间,并结合空间信息实现端元提取。得到的端元采用全约束的最小二乘法计算相应丰度。真实高光谱遥感数据实验结果表明,采用该算法得到的结果优于N-FINDR算法和基于测地线距离的最大单形体体积(GSVM)算法。     

高光谱线性解混研究进展

受高光谱遥感仪器空间分辨率的限制以及复杂地物的影响,高光谱图像中存在大量混合像元,成为阻碍高光谱遥感技术应用和发展的关键因素。高光谱混合像元分解技术已成为高光谱图像处理中的关键技术。系统地整理近年来高光谱解混的相关算法,从端元提取和丰度估计两个方面介绍高光谱解混的研究进展。对高光谱解混的相关算法进行分类总结,并对其原理和优缺点进行了对比分析。结合当前研究现状针对存在的问题做出了展望,指出今后可从模型共存、空谱结合、时效性以及工程实用化的角度对高光谱解混作进一步研究。     

约束最小二乘的高光谱图像非线性解混

高光谱图像解混是高光谱数据分析的重要研究内容.在现有混合模型的基础上,提出一种新的高光谱图像非线性解混算法.通过在目标函数中引入丰度的非负及和为一约束以及非线性参数的有界约束,该算法将高光谱图像非线性解混问题转化为求解丰度矢量和非线性参数的约束非线性最小二乘问题,继而采用一种交替迭代优化算法求解该问题.仿真和实际高光谱数据的实验结果表明,所提出的算法有效地克服了线性解混的不足,同时具有良好的抗噪声性能,可以作为一种解决高光谱遥感图像非线性解混的有效手段.     

基于端元优化的非线性高光谱分解算法

针对高光谱图像中端元的可变性和光谱的非线性混合特性,提出一种基于端元优化的非线性光谱解混算法,通过加入阴影端元对混合像元的端元集进行优化,对优化的端元子集采用基于分层贝叶斯模型的双线性光谱分解算法进行光谱分解。模拟数据和真实数据实验表明,提出的算法能很好地解决高光谱图像中存在的阴影效应,分解效果优于FCLS和GBM算法。     

基于神经网络和差分搜索的高光谱图像非线性解混

针对基于双线性混合模型(BMM)的高光谱图像梯度 解混算法的局限性,提出一种基于神经网络(NN)和差分搜索算法(DSA)的非线性 高光谱图像解混算法。在考虑p阶多项式模型的基础上,利用N N估计出实际高光谱图像的非线性阶数。构造解混 的目标函数,将非线性解混问题转化为最优化问题。引入DSA对目标函数进 行优化,将解混过程中的待求参数 映射为差分搜索过程中的位置参数,同时在搜索过程中引入丰度非负和全加性约束映射机制 满足解混要求。仿真数据和 实际高光谱数据实验结果表明,本文算法有效地克服了基于BMM的梯度解 混算法的不足,可有效实现高光谱 图像的非线性解混。当NN采用2000个样本训 练,解混真实高光谱数 据得到相应的重构误差(RE)达到1.15×10－2 ,具有良好解混效果。     

基于回溯优化的非线性高光谱图像解混

为了进一步提升高光谱图像的解混精度,提出一种基于回溯优化的高光谱图像后非线性解混算法。在后非线性混合模型的基础上,以观测图像与重构图像之间的重构误差为目标函数,使用回溯搜索算法在解空间搜索使目标函数取得极小值的最优解。在搜索过程中,利用回溯搜索算法的边界控制机制有效保证了高光谱图像解混过程中的约束条件,进而有效实现了对解混丰度值和非线性参数的精确估计。针对合成高光谱图像和真实高光谱遥感图像的解混实验表明,文中算法具有优异的解混性能,所达到的解混精度显著优于现有非线性高光谱图像解混算法。     

利用背景残差数据检测高光谱图像异常

针对高光谱图像微小目标检测中存在的严重背景干扰问题,提出了一种基于背景残差数据的非线性异常检测算法.首先利用提取的背景光谱端元对图像各像元进行光谱解混,实现了目标信息和复杂背景信息的分离;接着将含有丰富目标信息的解混残差数据非线性映射到高维特征空间,可以充分挖掘高光谱图像波段间隐含的非线性信息,并在特征空间利用RX算子完成目标的检测,从而在抑制大概率背景信息的基础上有效地利用了高光谱图像波段间的非线性统计特性.为了验证算法的有效性,利用真实的AVIRIS数据进行了实验研究,并与经典RX算法、未抑制背景的特征空间核RX算法的检测结果相比较,结果表明基于背景残差数据的检测算法具有良好的检测性能和较低的虚警,且运算复杂度较低.     

基于分层的多端元光谱解混算法

高光谱图像中,单一端元光谱很难准确刻画一个类别,导致解混结果不准确。针对经典多端元光谱解混(MESMA)算法存在计算量大、端元预选繁琐等缺点,提出基于分层的MESMA(HMESMA)算法,第1层确定像元包含地物类别,第2层在第1层的基础上再分层确定像元包含最优端元个数。采用模拟数据和真实高光谱数据进行实验,证明了本文算法比固定端元解混效果好,平均丰度误差最高降低了2.65%,与经典的MESMA算法精度相当,但大大降低了计算量,提高了计算效率。     

基于微分搜索的高光谱图像非线性解混算法

针对线性混合模型在实际高光谱图像解混过程中的局限性,提出一种新的基于微分搜索的非线性高光谱图像解混算法.在广义双线性模型的基础上采用重构误差作为解混的目标函数,将非线性解混问题转化为最优化问题.将目标函数中的待求参数映射为微分搜索过程中的位置变量,利用微分搜索算法对目标函数进行优化求解.在求解过程中,通过执行搜索范围控制等机制满足高光谱图像解混的约束要求,进而求得丰度系数和非线性参数,实现非线性高光谱图像解混.仿真数据和真实遥感数据实验结果表明,所提出的非线性解混算法可以有效克服线性模型下解混算法的局限性,避免了由于使用梯度类优化方法而易陷入局部收敛的问题,较之其它高光谱图像解混算法具有更好的解混精度.     

基于背景残差数据的高光谱图像异常检测算法

针对高光谱图像微小目标检测中存在的严重背景干扰问题,提出了一种基于背景残差数据的非线性异常检测算法.首先利用提取的背景光谱端元对图像各像元进行光谱解混,实现了目标信息和复杂背景信息的分离;接着将含有丰富目标信息的解混残差数据非线性映射到高维特征空间,可以充分挖掘高光谱图像波段间隐含的非线性信息,并在特征空间利用RX算子完成目标的检测,从而在抑制大概率背景信息的基础上有效地利用了高光谱图像波段间的非线性统计特性.为了验证算法的有效性,利用真实的AVIRIS数据进行了实验研究,并与经典RX算法、未抑制背景的特征空间核RX算法的检测结果相比较,结果表明基于背景残差数据的检测算法具有良好的检测性能和较低的虚警,且运算复杂度较低.     

高光谱遥感图像非线性解混研究综述

介绍了近年来非线性光谱解混方法的发展状况,主要包括矿物沙地地区的紧密混合模型和植被覆盖区域的多层次混合模型,以及基于这些模型的非线性解混算法和利用核函数、流形学习等方法的数据驱动非线性光谱解混算法及非线性探测算法.最后分析总结了现有非线性解混模型与算法的优势与缺陷及未来的研究趋势.     

Blind nonlinear hyperspectral unmixing based on constrained kernel nonnegative matrix factorization

Spectral unmixing has been a useful technique for hyperspectral data exploration since the earliest days of imaging spectroscopy. As nonlinear mixing phenomena are often observed in hyperspectral imagery, linear unmixing methods are often unable to unmix the nonlinear mixtures appropriately. In this paper, we propose a novel blind unmixing algorithm, constrained kernel nonnegative matrix factorization, which obtains the endmembers and corresponding abundances under nonlinear mixing assumptions. The proposed method exploits the nonlinear structure of the original data through kernel-induced nonlinear mappings and one need not know the nonlinear model. In order to improve its performance further, two auxiliary constraints, namely simplex volume constraint and abundance smoothness constraint, are also introduced into the algorithm. Experiments based on synthetic datasets and real hyperspectral images were performed to evaluate the validity of the proposed method.     

一种新型光谱解混模型的构建与求解

光谱解混是高光谱图像处理的重要技术之一。传统线性光谱混合模型（LSMM）解混方法采用迭代求解方式,由于其中含有非负和归一化约束条件,复杂度较高。为此,首先通过参量替换去除非负和归一化约束条件,使得光谱解混的过程成为以最小均方误差为适应度函数的极值寻优问题;进而,应用田口（Taguchi）优化算法进行迭代寻优,并利用高光...     

基于Fisher判别零空间的高光谱图像混合像元分解

传统的光谱混合分析方法假设每个端元必须具有完全稳定的光谱特性,而在实际问题中同类地物的端元光谱往 往存在着差异。为了有效地抑制同物异谱对混合像元分解的影响,本文提出一种基于Fisher判别零空间的高光谱遥感图像混合像元分 解算法。Fisher判别零空间方法通过对高光谱图像数据进行线性变换,使得变换后的数据中同一端元内的光谱差异减小为零,而不同 端元间的光谱差异尽可能地增大。利用变换后的光谱数据对混合像元进行分解就可以较大程度地减少同物异谱现象对分解结果的影响。 对模拟高光谱图像数据以及Indiana地区和Cuprite地区的实际AVIRIS数据的解混结果表明,用Fisher判别零空间方法处理混合像元分 解问题,可以得到较高的分解精度。