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1、第八章 遥感图像自动识别分类,遥感图像的计算机分类，就是利用计算机技术来模拟人类的识别功能,对地球表面及其环境在遥感图像上的信息进行属性的自动判别和分类，达到提取所需地物信息的目的。,81 基础知识,1、模式与模式识别模式(pattern)-存在于时间，空间中可观察的事物，具有时间或空间分布的信息。模式识别(Pattern Recognition)-用计算机实现人对各种事物或现象的分析,描述,判断,识别。,xn,分类器（或称判决器），可以根据一定的分类规则，把某一测量矢量X划入某一组预先规定的类别之中去。,自然模式,接收器(传感器),分类器(判决器),x2,x1,结果,.,模式识别系统的模型,
2、2、光谱特征空间及地物在特征空间中聚类的统计特性 光谱特征空间:以各波段图像的亮度分布为坐标轴组成的空间.同类地物在特征空间形成一个相对聚集的点集群;不同类地物的点集群在特征空间内一般是相互分离的.,统计特征矢量（多维光谱特征空间）,光谱特征空间及地物在特征空间中分布的统计特性,地物与光谱特征空间的关系,水,土壤,植被,B5,B7,特征点集群在特征空间中的分布大致可分为如下三种情况:理想情况不同类别的集群至少在一个特征子空间中的投影是完全可以相互区分开的。,Bi,Bj,水,植被,土壤,一般情况无论在总的特征空间中，还是在任一子空间中，不同类别的集群之间总是存在重叠现象。这时重叠部分的特征点所对
3、应的地物，在分类时总会出现不同程度的分类误差，这是遥感图像中最常见的情况。,水,植被,土壤,典型情况不同类别地物的集群，在任一子空间中都有相互重叠的现象存在，但在总的特征空间中可以完全区分的。这时可采用特征变换使之变成理想情况进行分类。,水,植被,土壤,地物在特征空间的分布通常是用特征点（或其相应的随机矢量）分布的概率密度函数P（X）来表示的。假设特征点的统计分布属于正态分布，则其概率密度函数可表达为：式是：X特征向量 均值向量；协方差矩阵,8-2 特征变换及特征选择,一特征变换概念：将原始图像通过一定的数字变换生成一组新的特征图像，这一组新图像信息集中在少数几个特征图像上。目的：数据量有所减
4、少，去相关，有助于分类。常用的特征变换：主分量变换、哈达玛变换、生物l量指标变换、比值变换以及穗帽变换等。,方法：1、主分量变换 2、穗帽变换 3、哈达玛变换 哈达玛变换定义为：IH=HX,1.主分量变换,基本思想一种线性变换，均方误差最小的最佳正交变换；是在统计特征基础上的线性变换。目的：数据压缩：新的特征图像之间互不相关增加类别的可分性。,几何99意义把原始特征空间的特征轴旋转到平行于混合集群结构轴的方向上。,主分量变换计算步骤如下,（1）计算均值向量M和协方差矩阵C；（2）计算矩阵C的特征值和特征向量；（3）将特征值按由大到小的次序排（4）选择前几个特征值对应的几个特征向量构造变换矩阵n
5、。（5）根据nX进行变换，得到的新特征影像就是变换的结果，X为多光谱图像的一个光谱特征矢量。,例：有两类模式：,用K-L变换来作一维特征提取。,解：1、求样本总体均值向量：,无需做坐标平移,令,离散K-L变换,2、求自相关矩阵：,这是原模式在向量轴 上的投影。,由 求得变换后的一维模式：,离散K-L变换,4、取 作为变换矩阵，将原样本变换为 一 维的样本。,3、求本征值和本征向量：,解本征值方程,即：,解得R的本征值,由 解得本征向量为：,离散K-L变换,哈达玛变换,哈达玛矩阵为一个对称的正交矩阵，其变换核为 H由哈达玛变换核可知，哈达玛变换实际是将坐标轴旋转了45的正交变换,4、比值变换和生
6、物量指标变换比值变换图像用作分类有许多优点，它可以增强土壤，植被，水之间的辐射差别，压抑地形坡度和方向引起的辐射量变化。,生物量指标变换式中：Ibio生物量变换后的亮度值。x7，x5为MSS7和MSS5图像的像元亮度值。经变换后，植物、土壤和水都分离开来，因此可独立地对绿色植物量进行统计。,二 特征选择概念 用最少的影像数据最好地进行分类。这样就需在这些特征影像中，选择一组最佳的特征影像进行分类，这就称为特征选择。相关系数法距离测度 类内距离越小，类间距离越大散布矩阵测度 类内散布矩阵和类间散布矩阵,特征选择的定量方法,1.相关系数法求取（影像）特征间的相关系数如：TM2和TM3的相关系数为0
7、.89，说明有许多地物相关性很强，冗余度大，只需选择其中一个影像参加分类就可以。而TM3与TM4的相关系数仅为0.23，说明两个波段的相关性小，需两个波段都参与分类。,特征选择的定量方法,2、距离测度距离:如果所选择的一组特征能使感兴趣类别的类内距离最小，而与其它类别的类间距离最大，那么根据距离测度；用这组特征设计的分类器分类效果最好。实际可使用标准化距离，类别均值间的标准化距离公式为：,类间标准化距离越大的特征影像可分性越好,3、散布矩阵测度除了距离测度之外，实际应用中还经常采用一种散布矩阵的方式来度量类别的可分性，它是用矩阵形式来表示模式类别在特征空间中的散布情况。,（1）类内散布矩阵Sw
8、类内散布矩阵表示属于某一类别的模式在其均值周围的散布情况，对于m类别情况，总的类内散布矩阵可以写成各类别类内散布矩阵的先验概率P(Wi)加权和，即：式中：m所关心的类别总数 P(Wi)类的先验概率 i 类的协方差矩阵,（2）类间散布矩阵Sb 类间散布矩阵表示了不同类别间相互散布的程度。类似地，对于m类别情况，总的类间散布矩阵也采用先验概率 加数和表示式中：M0是全体模式的均值向量 Mi Wi的均值向量,（3）总体散布矩阵Sm Sm=Sw+Sb至此，完成了分类前预处理的一项重要工作，特征变换和特征选择，下面就进入分类处理阶段的工作。,8-3监督分类,自动识别分类,监督分类法,非监督分类法,一 监
9、督法分类 意味着对类别已有一定的先验知识，利用“训练样区”的数据去“训练”判决函数就建立了每个类别的分类器,然后按照分类器对未知区域进行分类。,原始遥感图像,对应的专题图像,监督分类的思想,1）确定每个类别的样区2）学习或训练3）确定判别函数和相应的判别准则4）计算未知类别的样本观测值函数值5）按规则进行像元的所属判别,(一)判决函数和判决规则 判决函数:当各个类别的判别区域确定后，用来表示和鉴别某个特征矢量属于哪个类别的函数。,判别规则当计算完某个矢量，在不同类别判决函数中的值后，我们要确定该矢量属于某类必须给出一个判断的依据。这种判断的依据，我们称之为判别规则。,判断特征矢量属于某类的依据
10、,常用的两种判别函数和判别规则：概率判别函数和贝叶斯判别规则距离判别函数和判别规则,概率判别函数：把某特征矢量（X）落入某类集群 的条件概率 当成分类判决函数（概率判决函数）贝叶斯判别规则：把X落入某集群wi的条件概率P(wi/X)最大的类为X的类别贝叶斯判别规则以错分概率或风险最小为准则的判别规则。,1、概率判决函数和贝叶斯判决规则,根据贝叶斯公式可得：P(wi)wi 类出现的概率，也称先验概率。P(X/wi)在wi 类中出现X的条件概率，也称wi 类的似然概率。P(wi/X)X属于wi 的后验概率。由于P(X)对各个类别都是一个常数，故可略去所以，判决函数可用下式表示：,为了计算方便，将上
11、式可以用取对数方式来处理。即 同类地物在特征空间服从 正态分布，则类别 的概率密度函数:,去掉与i值无关的项对分类结果没有影响，因此上式可简化为：相应的贝叶斯判决规则为：若对于所有可能的 j=1,2,m;ji 有,则X属于 类。根据概率判决函数和贝叶斯判决规则来进行的分类通常称为最大似然分类法。,贝叶斯判决规则是以错分概率最小的最优准则,判别边界当使用概率判别函数进行分类时，不可避免地会出现错分现象。分类错误的总概率,2、距离判决函数和判决规则基本思想是设法计算未知矢量X到有关类别集群之间的距离，哪类距离它最近，该未知矢量就属于那类。概率判决函数那样偏重于集群分布的统计性质，距离判决函数偏重于
12、集群分布的几何位置。,根据距离判决函数分类,距离判别规则是按最小距离判别的原则,马氏（Mahalanobis）距离 欧氏（Euclidean）距离 计程（Taxi）距离,基于距离判别函数和判别规则，在实践中以此为原理的分类方法称为最小距离分类法。,1）马氏距离,马氏距离几何意义：X到类重心之间的加权距离，其权系数为协方差。,判别函数：在各类别先验概率和集群体积|都相同情况下的概率判别函数,则有,在马氏距离的基础上，作下列限制将协方差矩阵限制为对角的沿每一特征轴的方差均相等,欧氏距离是马氏距离用于分类集群的形状都相同情况下的特例。,2）欧氏距离,则有,X到集群中心在多维空间中距离的绝对值之总和来
13、表示,3）计程（Taxi）距离,3、其它的判决函数和判决规则 盒式分类法基本思想:以一个包括该集群的“盒子”作为该集群的判别函数。判决规则为若未知矢量X落入该“盒子”，则X分为此类，否则再与其它盒子比较。,例如对于A类的盒子，其边界（最小值和最大值）分别是X1=a、X1=b；X2=c、X2=d。这种分类法在盒子重叠区域有错分现象。错分与比较盒子的先后次序有关。,(二)分类过程,原始影像数据的准备,图像变换及特征选择,分类器的设计,初始类别参数的确定,逐个像素的分类判别,形成分类编码图像,输出专题图,水,新城区,老城区,耕地,植 被,选择样本区域,计算每个类别的 M 和，建立类别的判别函数,将样
14、本数据在特征空间进行聚类,根据判别函数逐个像素的分类判别,？,1,老城区,1,分类结果影像的形成,分类得到的专题图,(三)影响监督分类精度的几个方面:1.特征变换和特征选择根据感兴趣地物的特征进行有针对性的特征变换，加快分类速度，提高分类精度。2.分类的类别数与实际是否相符?,3.训练样区的选择训练样区的选择要注意准确性、代表性和统计性三个问题。准确性就是要确保选择的样区与实际地物的一致性代表性一方面指所选择区为某一地物的代表，另一方面还要考虑到地物本身的复杂性，所以必须在一定程度上反映同类地物光谱特性的波动情况统计性是指选择的训练样区内必须有足够多的像元。,4.判决函数和判决规则,(四)监督
15、法分类的优缺点,优点：.根据应用目的和区域，有选择的决定分类类别，避免出现一些不必要的类别；.可以控制训练样本的选择.可以通过检查训练样本来决定训练样本是否被精确分类，从而避免分类中的严重错误,分类精度高.避免了非监督分类中对光谱集群的重新归类.分类速度快,主观性；由于图象中间类别的光谱差异，使得训练样本没有很好的代表性；训练样本的获取和评估花费较多人力时间；只能识别训练中定义的类别。,缺点,本节小结,监督法分类的基本思想最大似然法和最小距离法分类的原理错分情况分析,8-4非监督分类,二 非监督分类仅凭遥感影像地物的光谱特征的分布规律，即自然聚类的特性，进行“盲目”的分类；其分类的结果只是对不
16、同类别达到了区分，但并不能确定类别的属性；其类别的属性是通过分类结束后目视判读或实地调查确定的。,一般的聚类算法是先选择若干个模式点作为聚类的中心。每一中心代表一个类别，按照某种相似性度量方法（如最小距离方法）将各模式归于各聚类中心所代表的类别，形成初始分类。然后由聚类准则判断初始分类是否合理，如果不合理就修改分类，如此反复迭代运算，直到合理为止。,(一)K-均值聚类法K-均值算法的聚类准则是使每一聚类中，多模式点到该类别的中心的距离的平方和最小。基本思想是：通过迭代，逐次移动各类的中心，直至得到最好的聚类结果为止。,缺点:这种算法的结果受到所选聚类中心的数目和其初始位置以及模式分布的几何性质
17、和读入次序等因素的影响，并且在迭代过程中又没有调整类数的措施，因此可能产生不同的初始分类得到不同的结果。,(二)ISODATA算法聚类分析 可以自动地进行类别的“合并”和“分裂”，从而得到类数比较合理的聚类结果。,选定初始类别中心,输入迭代限值参数:I,Tn,TS,TC,对样本像素进行聚类并统计ni,m,niTn,取消第i类,是,迭代次数=I或相邻两次迭代类别中心变动小于限值,TS,确定分裂后的中心,DIK TC,确定并类后的中心,输出,否,否,是,否,否,是,ISODATA算法过程框图,每类集群允许 的最大标准差,集群允许的最 短距离,每类集群至少的点数,是,迭代次数,(三)平行管道法聚类分
18、析 它以地物的光谱特性曲线为基础，同类地物在特征空间上表现为以特征曲线为中心，以相似阈值为半径的管子，此即为所谓的“平行管道”。这种聚类方法实质上是一种基于最邻近规则的试探法。,8-5 非监督分类与监督分类的结合,通过非监督法将一定区域聚类成不同的单一类别，监督法再利用这些单一类别区域“训练”计算机。使分类精度得到保证的前提下，分类速度得到了提高。,8-6 分类后处理和误差分析,一分类后处理1、分类后专题图像的格式遥感影像经分类后形成的专题图，用编号、字符、图符或颜色表示各种类别。,原始遥感图像,对应的专题图像,2、分类后处理用光谱信息对影像逐个像元地分类，在结果的分类地图上会出现“噪声”产生
19、噪声的原因有原始影像本身的噪声，在地类交界处的像元中包括有多种类别，其混合的幅射量造成错分类，以及其它原因等。另外还有一种现象，分类是正确的，但某种类别零星分布于地面，占的面积很小，我们对大面积的类型感兴趣，因此希望用综合的方法使它从图面上消失。,多数平滑:平滑时中心像元值取周围占多数的 类别。,平滑前后的一个例子,二分类后的误差分析利用一些样本对分类误差进行估计。采集样本的方式有三种类型：来自监督分类的训练样区；专门选定的试验场；随机取样。,混淆矩阵 分类精度的评定,平均精度S=（84.3%+80.3%+89.8%）/3=84.8%加权平均精度S=（84.3%*102+80.3%*152+8
20、9.8%*49）/(102+152+49)=83.2%,8-7 非光谱信息在遥感图像分类中的应用,一高程信息在遥感图像分类中的应用1.地面高程“影像”可以直接与多光谱影像一起对分类器进行训练 2.将地形分成一些较宽的高程带，将多光谱影像按高程带切片（或分层），然后分别进行分类。3.智能的方法(神经元网络方法等),7.5米等高线,DEM影像,二纹理信息在遥感图像分类中的应用 纹理信息提取:目前用得比较多的方法包括：共生矩阵法、分形维方法、马尔可夫随机场方法等。,1.纹理影像直接与多光谱影像一起对分类器进行训练2.先利用多光谱信息对遥感图像进行自动分类。再利用纹理特征对光谱分类的结果进行进一步的细分3.智能的方法(神经元网络方法等),Cosmo-SkyMed高分辨率雷达图像,思考题,遥感图象分类的基础是什么？影响分类精度的因素有哪些？何为特征变换?我们所学的各种特征变换有何特点?比较最大似然法与最小距离法的优缺点。比较K均值法与ISODATA法的优缺点。比较监督分类与非监督分类的优缺点。,
