分析和研究高光譜圖像可以更好得知道物質(zhì)的性質(zhì)和構(gòu)成，在整個(gè)高光譜研究中占有重要地位。那么，高光譜圖像有哪些類型？本文根據(jù)已有研究資料，簡(jiǎn)單總結(jié)了高光譜圖像的分類方法。

?

高光譜圖像特征和表達(dá)方式

高光譜圖像數(shù)據(jù)將地物光譜信息和圖像信息融為一體，其數(shù)據(jù)具有兩類表述空間：幾何空間和光譜特征空間(張兵和高連如，2011)。

1.?幾何空間

直觀表達(dá)每個(gè)像元在圖像中的空間位置以及它與周邊像元之間的相互關(guān)系，為高光譜圖像處理與分析提供空間信息。

2.?光譜特征空間

高光譜圖像中的每個(gè)像元對(duì)應(yīng)著多個(gè)成像波段的反射值，近似連續(xù)的光譜曲線表達(dá)為一個(gè)高維向量，向量在不同波段值的變化反映了其所代表的目標(biāo)的輻射光譜信息，描述地物的光譜響應(yīng)與波長(zhǎng)之間的變化關(guān)系。其優(yōu)勢(shì)是特征維度的變化以及擴(kuò)展性。對(duì)于同樣的高光譜數(shù)據(jù)，能夠從最大可分性的角度在更高維的特征空間中觀察數(shù)據(jù)分布，或者映射到一系列低維的子空間。因此將高光譜像元向量作為高維特征空間里的數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性來建立分類模型。模式識(shí)別成為圖像分類的理論基礎(chǔ)，基于該方法的分類成為應(yīng)用最廣泛分類方式。光譜特征空間的弱點(diǎn)是無法表達(dá)像元間的幾何位置關(guān)系。

?

從高光譜圖像分類框架(圖可以看出，其核心問題的解決方案在于兩方面：一是特征挖掘，特征是高光譜圖像分類的重要依據(jù)，通過變換和提取得到不同地物類別具有最大差異性的特征，能夠極大提高感興趣類別的可分性程度；二是分類器設(shè)計(jì)，利用適合的分類器有利于發(fā)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，如非線性特征等，從而提高高光譜圖像分類的精度。

?

高光譜圖像分類體系及方法

高光譜圖像分類方法按照分類器設(shè)計(jì)不同可劃分為監(jiān)督法、非監(jiān)督法、半監(jiān)督法、混合法、集成法和多級(jí)法六大類(Chutia等，2015)。本文根據(jù)參與分類過程的特征類型及其描述不同，將高光譜圖像分類算法劃分為基于光譜特征分類、整合空間與光譜特征分類以及多特征融合分類。

1.基于光譜特征分類。

光譜特征是高光譜圖像中區(qū)分地物的決定性特征，基于光譜特征分類囊括了高光譜圖像分類的大部分方法。它主要包括3個(gè)方面：

①譜曲線分析

即利用地物物理光學(xué)性質(zhì)來進(jìn)行地物識(shí)別，如光譜夾角填圖(童慶禧 等，1997)等。

②譜特征空間分類

主要分為統(tǒng)計(jì)模型分類方法與非參數(shù)分類方法?；诮y(tǒng)計(jì)模型的最大似然分類是傳統(tǒng)遙感圖像分類中應(yīng)用最為廣泛的分類方法(Richards和Jia，2006)，最小距離、馬氏距離分類器均為最大似然法特定約束條件下的變形。非參數(shù)分類算法一般不需要正態(tài)分布的條件假設(shè)。主要包括了決策樹(Goel等，2003)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Ratle等，2010)、混合像元分類(Lu和Weng，2007)以及基于核方法的分類，如支持向量機(jī)(Melgani和Bruzzone，2004；Du等，2012)和子空間支持向量機(jī)(Gao等，2015a)等。此外，針對(duì)小樣本問題提出的半監(jiān)督分類(Dópido等，2012)、主動(dòng)學(xué)習(xí)(Di和Crawford，2012；Crawford等，2013)方法可利用有限的已知訓(xùn)練樣本挖掘大量的未標(biāo)記像元樣本。

目前，基于稀疏表達(dá)的高光譜圖像分類越來越受到關(guān)注，它針對(duì)高光譜數(shù)據(jù)的冗余性，將高維信息表達(dá)為稀疏字典與其系數(shù)的線性組合，采用稀疏表達(dá)對(duì)高光譜圖像進(jìn)行處理，能夠簡(jiǎn)化分類模型中參數(shù)估計(jì)的病態(tài)問題(Wright等，2009，2010)，隨后將稀疏理論與多元邏輯回歸(Qian等，2013)、條件隨機(jī)場(chǎng)模型(Zhong和Wang，2008，2011)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Yang等，2014)等方法結(jié)合獲得優(yōu)化的分類方法。研究表明，非參數(shù)分類器在復(fù)雜區(qū)域分布中能夠比傳統(tǒng)分類器提供更好的分類結(jié)果(Paola和Schowengerdt，1995；Foody，2002)。

③其他高級(jí)分類器

多以模式識(shí)別及智能化、仿生學(xué)等為基礎(chǔ)引入圖像分類。如基于人工免疫網(wǎng)絡(luò)的地物分類(Zhong和Zhang，2012)，群智能算法(Sun等，2015a)以及深度學(xué)習(xí)(Deng和Yu，2014)等。

?2.?整合空間—光譜特征的圖像分類

①整合空間相關(guān)性與光譜特征分類

圖像相鄰像元間總存在著相互聯(lián)系，稱為空間相關(guān)性。主要由于遙感器在對(duì)地面上一個(gè)像元大小的地物成像過程中，同時(shí)吸收了周圍地物反射的一部分能量。這種分類可以分為光譜—空間特征同步處理和后處理兩種策略(Fauvel等，2013；杜培軍 等，2016)。同步處理可以將空間特征與光譜特征提取并融合后合并為高維向量進(jìn)行歸一化處理，直接輸入基于分類器得到結(jié)果。也可以利用支持向量機(jī)將兩種特征變換到不同的核空間中，通過多核復(fù)合進(jìn)行分類(Camps-Valls等，2006；Li等，2013a)。后處理可以理解為在光譜分類處理基礎(chǔ)上再利用圖像的空間特性對(duì)光譜處理結(jié)果進(jìn)行重排列和重定義。如在預(yù)處理及分類后處理中利用空間相關(guān)性，采用濾波器對(duì)原始圖像或分類結(jié)果進(jìn)行平滑濾波(Townsend，1986)；概率標(biāo)記松弛法分類利用邏輯一致對(duì)同質(zhì)性區(qū)域進(jìn)行建模(Richards和Jia，2006)?；陔S機(jī)場(chǎng)模型分類方法包括馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)(Markov Random Field，MRF)及具有馬爾可夫特性的模型(Jia和Richards，2008；Li等，2011b)，如條件隨機(jī)場(chǎng)、馬爾可夫鏈、隱馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)等(Mercier等，2003；Bali和Mohammad-Djafari，2008；Zhong和Wang，2011)。

整合空間相關(guān)性優(yōu)點(diǎn)在于：通過像元間的相關(guān)特性降低光譜分類中由于同類地物光譜異質(zhì)性造成的分類結(jié)果不確定性，減少分類中的噪聲影響，使結(jié)果更有利于判讀分析。隨機(jī)場(chǎng)模型是模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)中重要的預(yù)測(cè)模型之一，具有穩(wěn)健描述像元間的空間相關(guān)性的能力，成為結(jié)合空間相關(guān)性特征進(jìn)行高光譜圖像分類研究的重點(diǎn)。馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)模型框架為

gk(xm)=am(k)+βbm(k)

式中，am(k)和bm(k)分別表示圖像任一像元m屬于類別k的光譜相似性測(cè)度和空間相似性測(cè)度，gk(xm)則表示綜合考慮光譜和空間的相似性結(jié)果。傳統(tǒng)馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)光譜測(cè)度采用最大似然估計(jì)，難以適應(yīng)高光譜圖像的小樣本問題。針對(duì)該問題，Zhang等人(2011b)進(jìn)行了持續(xù)研究，將支持向量機(jī)與馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)模型進(jìn)行整合，同時(shí)考慮了空間和光譜特征在分類中貢獻(xiàn)的差異性，利用自適應(yīng)權(quán)重指數(shù)平衡兩者間關(guān)系，在提高分類精度的同時(shí)避免了類邊界的“過分類”現(xiàn)象(Over-correction)，從而在高光譜圖像上保留了類邊緣和局部細(xì)小結(jié)構(gòu)信息；將子空間向量機(jī)與馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)模型整合進(jìn)行高光譜圖像分類也可以得到較好的分類效果(Yu等，2016)。在非監(jiān)督分類中，采用自適應(yīng)鄰域約束對(duì)k-均值算法進(jìn)行改進(jìn)，可以優(yōu)化聚類中不同類別的質(zhì)心(Zhang等，2013b)；Sun等人(2015b)將智能化算法與馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)模型相結(jié)合，得到聚類結(jié)果較傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確且噪聲較少。

②面向?qū)ο蟮膱D像分類

面向?qū)ο蟮膱D像分類OBIC(Object-Based Image Classification)將分類的最基本單位從像元轉(zhuǎn)換到圖像對(duì)象，也稱為圖斑對(duì)象。圖斑對(duì)象定義為具有空間相關(guān)性的像元聚合成形狀與光譜性質(zhì)同質(zhì)性的區(qū)域。

基于同質(zhì)地物的提取與分類ECHO(Extraction and Classification of Homogeneous Objects，)(Kettig和Landgrebe，1976)首先將多光譜圖像上具有相似性光譜特征的像元?jiǎng)澐譃橥|(zhì)區(qū)域，然后再利用最大似然分類器對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行分類。圖像分割是面向?qū)ο蠓诸惖暮诵膬?nèi)容，利用區(qū)域增長(zhǎng)(Gonzalez和Woods，2002)、分層聚類(Tarabalka等，2009)及分水嶺分割(Tarabalka等，2010)進(jìn)行高光譜圖像分割都取得了較好的效果。由于復(fù)雜地物在不同空間分辨率下描述不同，面向?qū)ο蟮姆椒媾R尺度參數(shù)的影響，欠分割(under-segmentation)會(huì)造成目標(biāo)對(duì)象的混合分布，從而造成對(duì)象特征提取產(chǎn)生較大誤差，極大影響分類精度(Liu和Xia，2010)。超像元是一種尺度介于像元與對(duì)象之間的圖像過分割(over-segmentation)結(jié)果，面對(duì)分類中的尺度難題，采用超像元代替圖斑對(duì)象作為分類的基本單位是解決的途徑之一(Li等，2013b)。Zhang等人(2015b)利用基于超像元的圖模型進(jìn)行圖像制圖，該方法使分類結(jié)果對(duì)噪聲和尺度不具敏感性。Gao等人(2014b)將像元和超像元特征進(jìn)行融合提高了分類器的判別能力?；诔裨南∈枘Ｐ捅挥糜诿枋鰣D像局部的空間相關(guān)性，在分類中取得較好的效果(Fang等，2015；Li等，2015b)。

③整合紋理特征與光譜特征分類

紋理是物體表面的屬性所造成，它可以通過紋理基元(texton)空間組織或布局來描述(Karu和Jain，1996)。對(duì)于給定的像元，如果能夠準(zhǔn)確提取它所屬的結(jié)構(gòu)紋理特征，對(duì)于判斷光譜差異性很小而表面結(jié)構(gòu)不同的地物來說，具有較顯著的區(qū)分效果?；诩y理的分類方法眾多，這些方法可歸為4類：結(jié)構(gòu)分析法、統(tǒng)計(jì)分析法、模型化方法及信號(hào)處理方法(Tucer和Jain，1993)。統(tǒng)計(jì)分析法和信號(hào)處理法在紋理分析中擔(dān)任較重要的角色，如利用灰度共生矩陣進(jìn)行紋理提取(Clausi，2002)，Li等人(2013a)采用改進(jìn)的灰度共生矩陣進(jìn)行高光譜圖像聚類，Shen和Jia(2011)使用Gabor濾波器的紋理分割并分類，構(gòu)建數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)剖面及擴(kuò)展特征輔助光譜信息進(jìn)行分類(Plaza等，2004a；Benediktsson等，2005；Soille，2009；Falco等，2015)，趙銀娣等人(2006)利用基于高斯馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)模型的紋理特征提取方法對(duì)高分辨率圖像進(jìn)行分類，基于Daubechies和Haar小波基優(yōu)化的小波分解算法也被應(yīng)用在高光譜圖像紋理分析中(Du等，2010)。?

3.?多特征融合分類

多特征融合將紋理、空間相關(guān)性、光譜特征以及其它特征融合用于高光譜圖像分類。Chen等人(2011)用多種方法提取獲得紋理特征，利用順序前進(jìn)法進(jìn)行融合，再與光譜信息融合進(jìn)行分類；趙銀娣等人(2006)將紋理特征、光譜特征及像元形狀特征融合對(duì)遙感圖像進(jìn)行分類，取得了較好的效果。多種特征可以來源于高光譜數(shù)據(jù)本身，也可以來源于多源遙感數(shù)據(jù)，多遙感器數(shù)據(jù)融合高光譜圖像分類研究已經(jīng)引起關(guān)注，如Zhang等人(2006)將GIS數(shù)據(jù)與高光譜圖像結(jié)合，通過3層遞進(jìn)判別模式，在解決地物混雜圖斑自動(dòng)確認(rèn)問題基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了高精度的高光譜圖像分類，Ni等(2014)利用邊緣約束的馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)模型將LiDAR數(shù)據(jù)與高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分類，不僅比直接融合結(jié)果精度有了較大提升，且城市地物的細(xì)節(jié)信息也被充分保留。