本技术公开了一种联合级联3DCNN与SDTA编码的高光谱影像矿区树种分类方法,包括以下步骤:构建级联3D卷积神经网络提取局部光谱特征和空间特征;通过分割深度转置注意力编码器,对通道维度特征权重进行动态更新;通过将3D卷积与分割深度转置注意力编码器结合以后,在矿区树种分类中提取和分离光谱相近的树种之间的特征;基于残差连接构建融合高级特征和低级特征的模块,并最终将特征展平输入到全连接层,使用softmax激活函数输出最终的分类概率。构建了适用于机载高光谱数据的矿区树种分类深度网络,通过级联3D卷积网络架构提升高维度特征提取能力。
背景技术
矿山开采引起地表沉陷、地下水位下降、植被退化等问题,严重威胁生态安全。中国正在加快推动矿山生态修复,发展绿色矿山。植被在水源涵养、水土保持、调节碳平衡、缓解区域小气候等方面发挥重要作用,因此植被恢复被当作矿山生态修复的关键环节,植树造林则作为植被恢复最直接的重要手段。树种精细分类是揭示矿区植被恢复时空演变规律,合理规划设计矿区生态修复模式的重要基础,有助于深入理解森林生态系统的复杂性和多样性,帮助有效预防和控制森林病害,指导矿区生态管理和恢复,优化森林资源的利用和保护,进一步协调人与自然共生关系,对于矿区生态修复具有重要的科学指导意义和现实意义。
不同的树种具有独特的光谱特征,高光谱图像数以百计的波段反射信息使其在树种分类领域具有巨大潜力,尤其是随着无人航空器的快速发展,机载高光谱数据能够弥补常规的人工实地调查耗时费力的缺陷。然而随着光谱通道维度的增加,数据量增大、波段间相关性降低、特征提取困难等问题出现,导致最终分类精度和效率降低。因此使用高光谱数据进行树种分类的关键是探索高效准确的特征提取方案。
近年来,基于高光谱遥感技术的树种监督分类技术得到了发展。例如,支持向量机随机森林和堆叠集成等机器学习算法都在树种分类中得到应用,证明利用树种光谱信息的差别进行类别区分是可行的。但机器学习需要进行人工特征构建和选择,在树种分类这种数据类别之间关系复杂的任务中,难以捕捉数据间的复杂模式。此外,树种光谱特征的空间变异即光谱不确定性使得所提取特征难以适应所有的场景,尽管通过空谱信息融合技术能够弥补高光谱数据提供的单一知识,但是这些方法严重依赖先验基础和专家领域知识。另外,实现端到端深度特征自动提取的深度学习方法已在遥感图像分类任务中得到广泛应用。尤其是卷积神经网络因其卓越的特征提取能力而得到广泛关注,许多学者将CNN及其变体应用在树种分类任务中。
尽管现有的树种分类方法都取得了较好的效果,但仍然存在以下问题。
(1)高维度特征提取需要复杂网络结构和多层网络的叠加,使得网络结构参数量激增,使得网络更难训练。
(2)传统卷积神经网络卷积核感受野有限,难以捕获全局特征信息。尤其在矿区修复区中,修复年限较短的针叶树种冠幅较小,特征不明显,林下裸露土壤容易出现误分混淆。
(3)矿区生态修复区修复年限不同,树龄不同,同物异谱现象明显,需要进一步自动提取高级特征进行树种分类任务。
实现思路