一種基于ELM-SVM的遙感圖像分類方法

古麗娜孜·艾力木江，乎西旦·居馬洪，孫鐵利，梁 義

(1.伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，新疆 伊寧 835000；2.東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024；3.東北師范大學(xué)計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130117)

一種基于ELM-SVM的遙感圖像分類方法

古麗娜孜·艾力木江1，2，乎西旦·居馬洪1，孫鐵利3，梁 義1

(1.伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，新疆 伊寧 835000；2.東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024；3.東北師范大學(xué)計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130117)

提出一種極限學(xué)習(xí)機(ELM)和支持向量機(SVM)相融合的遙感圖像分類模式.選取ELM為基礎(chǔ)分類器，以SVM來修正改善分類效率.仿真實驗結(jié)果表明，該算法不僅具有較高的分類精度，而且消除一些訓(xùn)練樣本標(biāo)簽對分類的負面影響.結(jié)合ALOS/PALSAR、PSM圖像與SVM、ANN(Artificial Neural Network)方法進行對比分析，發(fā)現(xiàn)該方法魯棒性較好.

支持向量機；遙感數(shù)據(jù)；極限學(xué)習(xí)機；分類精度

近幾年，各類商用高空間分辨率遙感圖像顯著增加.傳感器獲取的圖像信息給測繪、環(huán)境監(jiān)測、資源調(diào)查、災(zāi)害管理、軍事情報等領(lǐng)域提供很多細節(jié)表面信息，而遙感圖像需要轉(zhuǎn)化成與其他數(shù)據(jù)集兼容的標(biāo)準(zhǔn)模式[1]，遙感圖像分類是從圖像像素中自動提取分類信息來識別不同地表物的過程[2].自動獲取圖像分類信息的方法主要有監(jiān)督分類方法和無監(jiān)督分類方法.然而，光譜混淆問題在很大程度上給這2種分類都增加了獲取地表物的難度，影響分類的準(zhǔn)確性.在過去幾年里，國內(nèi)外不少研究工作者不斷探索新的智能方法和分類技術(shù)[3-6]，試圖消除干擾，提高分類精度.從遙感數(shù)據(jù)處理任務(wù)的不同層面來分析，尤其在監(jiān)督分類[7-8]、無監(jiān)督分類[9-10]、特征提取[11-13]、目標(biāo)識別[14-15]、變化檢測[16-17]等模式識別領(lǐng)域，取得了令人振奮的成果.

基于統(tǒng)計模式的分類方法Vapnik提出的支持向量機(SVM)方法，該方法在非線性分類問題很受歡迎并成為研究熱點，也是模式識別領(lǐng)域最為活躍的一個機器學(xué)習(xí)算法[18-19]，同樣在維數(shù)高、數(shù)據(jù)不確定性等數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域里也顯出了其優(yōu)勢[20-21].SVM在空間數(shù)據(jù)處理和分析包括高光譜遙感圖像分類[22]、空間數(shù)據(jù)挖掘[23]、對象檢測[24]、土地覆蓋分類[25]和道路信息提取[26]等領(lǐng)域都被廣泛使用.極限學(xué)習(xí)機(ELM)是由黃廣斌[27]提出來的一種新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法.ELM具有訓(xùn)練速度快，人工干擾較少，對于異質(zhì)的數(shù)據(jù)集泛化能力較強等優(yōu)點[28].缺點是與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其他機器學(xué)習(xí)方法一樣，ELM也是經(jīng)驗風(fēng)險最小化原理上搭建的模型，所以很難避免“過擬合”現(xiàn)象，從而影響ELM的應(yīng)用.其實，機器學(xué)習(xí)方法都有其優(yōu)缺點.因此，在遙感領(lǐng)域里探索組合學(xué)習(xí)方法已成為研究熱點[29]，解決遙感數(shù)據(jù)不確定性特征而造成的錯分、漏分現(xiàn)象或降低其精度，避免或減少“椒鹽效應(yīng)”現(xiàn)象，從而達到提高分類精度的目標(biāo).各類組合技術(shù)說明，有時單靠一種方法去解決某個特定領(lǐng)域分類問題而獲得的結(jié)果往往不理想，反而在某種優(yōu)化改進或某種組合模式下可得到較好的分類效果.因此，根據(jù)數(shù)據(jù)集特征和分類問題的需要靈活選用或搭配分類算法及參數(shù)最優(yōu)值.

在機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，一直提倡使用基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原理的簡單有效學(xué)習(xí)方法.如果學(xué)習(xí)方法的構(gòu)造原理過于復(fù)雜，即便帶來較高的效率，但所付出的時間、空間代價也是不能忽略的.因此，本文針對提高分類精度，提出一種基于SVM和ELM的簡單有效融合模式，保證了算法復(fù)雜度和分類精度.

1 基本概念

1.1 ELM

圖1 ELM模型結(jié)構(gòu)

目前，有許多像徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[30]、標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[31]等改進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法.ELM以其獨特的優(yōu)勢在各種非線性問題中被廣泛應(yīng)用，如圖1所示.ELM是由輸入層、隱含層和輸出層等簡單三層組成的單隱含層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).對于一個單隱含層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)n是輸入層節(jié)點數(shù)，r是隱含層節(jié)點數(shù)，c是輸出層節(jié)點數(shù).對于N個任意樣本(xi，li)，1≤i≤N，存在xi=[xi1，xi2，…，xin]T∈Rn，li=[li1，li2，…，lic]T∈Rc，則ELM的數(shù)學(xué)模型可以描述為

(1)

其中：fk=[fk1，fk2，…，fkc]T是期望輸出值；ωi=[ωi1，ωi2，…，ωin]是第i個隱含層神經(jīng)元和輸入神經(jīng)元之間的連接權(quán)值，即它是一個n維的權(quán)值向量；βi=[βi1，βi2，…，βic]T，βi是第i個隱含層神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元之間的連接權(quán)值；bi是第i個隱含層單元的偏置；g(x)是激活的函數(shù).

傳統(tǒng)的一些機器學(xué)習(xí)算法，如BP(Back Propagation)學(xué)習(xí)算法及其變種，所有的參數(shù)需要在迭代過程中進行調(diào)整.而在ELM一開始的訓(xùn)練中輸入權(quán)重ωi和隱含層偏置bi就隨機生成并保持不變，只有β才是唯一的訓(xùn)練參數(shù).將公式(1)可簡單的描述為

β=H?L，

(2)

(3)

其中：H為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸出矩陣，L就是期望輸出向量.當(dāng)解決了β則ELM訓(xùn)練完成.因此，訓(xùn)練一個網(wǎng)絡(luò)就是相當(dāng)于找到線性函數(shù)(2)式的一個最小二乘解β.

從以上可以看到，ELM只需要設(shè)置隱含層節(jié)點數(shù)量，不改變隱含層的輸入權(quán)值和閾值，只生成一個最優(yōu)解.所以ELM具有良好的泛化性能和學(xué)習(xí)速度.

1.2 SVM

圖2 線性支持向量機

SVM是統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論中最重要的學(xué)習(xí)方法，從分類角度來分析，SVM是一種廣義的線性分類器，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過引入結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化、最優(yōu)化和核函數(shù)方法逐漸演化而成[32-33].雖然該方法的設(shè)計完成花了3年時間，但從實用角度來看，目前仍處于不斷完善、優(yōu)化的階段.

SVM的基本思想：首先通過非線性變換將輸入空間中的樣本信息變換到一個高維空間中，然后在新空間中求得最優(yōu)線性分類面，而這非線性變換是通過定義適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)實現(xiàn)的.所謂的最大間隔分類線在二維空間中叫最優(yōu)分類線，推廣到多維空間時叫最優(yōu)分類面，不管怎樣最優(yōu)分類線不但能正確分開不同類別的樣本，而且使得分類間隔最大(見圖2).

訓(xùn)練樣本集為

S={(xi，yi)，i=1，2，…，r}，xi∈Rn，yi∈{+1，-1}；

(4)

SVM的線性公式為

(5)

(6)

其中對應(yīng)ai≠0的樣本就是支持向量.

解決非線性分類問題，利用一些非線性特征變換，將原始輸入空間中的輸入點(樣本)信息轉(zhuǎn)變(映射)到某個高維特征空間中去，然后在新的空間求出最優(yōu)的分類面.根據(jù)映射(5)式可變?yōu)椋?/p>

s.t.yi[wxi+b]-1+ξi≥0，i=1，2，…，l，ξi≥0，i=1，2，…，l.

(7)

其中φ( )為空間變化函數(shù)，C為懲罰系數(shù)，ξi為松弛因子.

通過運用與構(gòu)造不同形式的核函數(shù)，可解決不同的分類問題，這樣最優(yōu)分類面(6)式引入核函數(shù)后變?yōu)?/p>

(8)

根據(jù)黃廣斌的一系列調(diào)查研究思想，詳細分析(8)式的SVM分類模型和(1)式的ELM分類模型后可總結(jié)出以下思想：SVM也可看成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層到最后一層隱含層的部分或者SVM核函數(shù)映射的部分都看成從輸入空間到一個新的空間的轉(zhuǎn)換，然后，BP將誤差反向傳播更新權(quán)值使得誤差最小化，而SVM則力求找到最大間隔的分界面，將新空間映射到輸出空間.從這個角度來看，SVM確實可以看成是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).因此，本文將這2種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型融合起來完成遙感圖像的分類.以ELM為基礎(chǔ)訓(xùn)練，以SVM訓(xùn)練結(jié)果來修正重構(gòu)ELM分類模型.

2 融合分類算法原理和實現(xiàn)步驟

由于ELM經(jīng)驗風(fēng)險最小，即訓(xùn)練誤差最小的準(zhǔn)則來評價算法優(yōu)劣，所以難免會出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，影響分類模型泛化能力.一個理想分類模型要同時考慮結(jié)構(gòu)風(fēng)險和經(jīng)驗風(fēng)險，在分類模型中對兩者合理權(quán)衡，才能保證分類模型泛化能力.本文將結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化SVM引入到ELM中，保證融合模型的泛化能力.

2.1 算法模型

圖3 ELM-SVM算法模型

對訓(xùn)練樣本xi=[xi1，xi2，…，xin]和測試樣本Test=[test1，test2，…，testn]，ELM-SVM算法的各個模塊及各模塊間的工作流程如圖3所示.

2.2 算法實現(xiàn)步驟

步驟1：將原始訓(xùn)練節(jié)點xi=[xi1，xi2，…，xin]輸入到ELM，用ELM進行訓(xùn)練.

步驟2：同樣將所有訓(xùn)練節(jié)點xi=[xi1，xi2，…，xin]導(dǎo)入到SVM中，運行得到的各類支持向量(Support Vectors，SVs)為

(9)

其中n是類數(shù)，每類共含m個支持向量，而svij是從輸入文檔中所獲得的支持向量.確定每類的SVs之后，其余的訓(xùn)練數(shù)據(jù)點可以被消除.

步驟3：通過測試樣本Test=[test1，test2，…，testn]和(9)式的svij得到

(10)

的ELM輸入節(jié)點.

步驟4：(10)式的向量初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即采用ELM進行第2次訓(xùn)練.

步驟5：應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并獲得分類結(jié)果.

步驟6：對同樣數(shù)據(jù)把步驟1—5的操作重復(fù)執(zhí)行t次，得到t個分類結(jié)果(f1，f2，…，ft)(實驗將t值設(shè)為5).然后把最高次數(shù)的分類結(jié)果當(dāng)做實驗最終分類結(jié)果.

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)集1的實驗結(jié)果

數(shù)據(jù)集1：2009年12月18日制作的吉林省長春市伊通河ALOS數(shù)據(jù)，覆蓋范圍為12.312 788 m×11.815 463 m地段，由7 100行7 995列4個波段([BIP]式)組成，含227，123，619像素.伊通河為長春歷史上的第一大河，將1 014像素×721像素×3像素規(guī)格的一部分?jǐn)?shù)據(jù)當(dāng)做本文的實驗數(shù)據(jù).實驗數(shù)據(jù)由水體、建筑、草地和灌木、裸地、道路等5類組成，實驗數(shù)據(jù)、感興趣區(qū)域樣本間分類度的數(shù)字化和可視化表示形式見圖4—6.

圖4 2009-12制作的吉林省長春市伊通河遙感影像的實驗數(shù)據(jù)

圖5 數(shù)據(jù)集1的ROI樣本分離性報告

圖6 數(shù)據(jù)集1的ROI樣本分類型n-D可視化報告

將ELM-SVM方法分別與傳統(tǒng)SVM、ANN方法進行對比分析.分類統(tǒng)計混淆矩陣見表1—3，分類效果見圖7，混淆矩陣行代表分類預(yù)測，列代表分類的準(zhǔn)確性.最后對3個機器學(xué)習(xí)方法分類精度及其Kappa系數(shù)進行橫向?qū)Ρ?，?shù)據(jù)分別見表4和圖8.結(jié)果說明本文提出方法具有較大的優(yōu)越性.

表1 SVM分類測試圖像像素的混淆矩陣數(shù)據(jù)

表2 ANN分類測試圖像像素的混淆矩陣數(shù)據(jù)

表3 ELM-SVM分類測試圖像像素的混淆矩陣數(shù)據(jù)

(a)原實驗數(shù)據(jù)1/4部分

(b)SVM

(c)ANN

(d)ELM-SVM

表4 3個機器學(xué)習(xí)算法分類精度的對比

MLAsSVMANNELM-SVMOverallaccuracy/%89.2287.5090.60Kappa0.7420.710.779

圖8 數(shù)據(jù)集1的分類精度的對比

3.2 數(shù)據(jù)集2的實驗結(jié)果

第2個數(shù)據(jù)集是從PMS傳感器獲取，2014年3月5日制作的江蘇省一個工廠區(qū)的正射影像(http：//www.rscloudmart.com/image//sampleData)，其分辨率為2 m.從該數(shù)據(jù)集中，以556像素×389像素×3像素含641，850 B的部分?jǐn)?shù)據(jù)當(dāng)做本文的實驗數(shù)據(jù).實驗數(shù)據(jù)大致可分為草坪、房屋、高層建筑、水體、裸地、道路、樹林等7類，實驗數(shù)據(jù)、感興趣區(qū)域樣本間分類度的數(shù)字化和可視化表示形式分別為如圖9—11所示.

圖9 2014-03制作的江蘇省一個工廠區(qū)影像的實驗數(shù)據(jù)

圖10 數(shù)據(jù)集2的ROI樣本分離性報告

圖11 數(shù)據(jù)集2的ROI樣本分類型n-D可視化報告

對實驗數(shù)據(jù)2，同樣將ELM-SVM方法效率分別與傳統(tǒng)SVM、ANN方法進行對比分析.分類統(tǒng)計混淆矩陣見表5—7，分類效果見圖12.對這3個算法效率進行對比分析，分別為見表8和圖13.說明本文提出方法的魯棒性較好.

表5 SVM分類測試圖像像素的混淆矩陣數(shù)據(jù)

表6 ANN分類測試圖像像素的混淆矩陣數(shù)據(jù)

表7 ELM-SVM分類測試圖像像素的混淆矩陣數(shù)據(jù)

(a)原實驗數(shù)據(jù)1/4部分

(b)SVM

(c)ANN

(d)ELM-SVM

圖12 數(shù)據(jù)集2的分類效果圖

表8 3個機器學(xué)習(xí)算法分類精度的對比

MLAsSVMANNELM-SVMOverallaccuracy/%96.5287.6197.55Kappa0.950.8230.964

圖13 數(shù)據(jù)集2的分類精度的比較

實驗結(jié)果分析：遙感數(shù)據(jù)感興趣區(qū)域里每類樣本之間的區(qū)分度都在1.8以上比較理想.但在圖5(對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)1)和 圖10(對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)2)中的數(shù)據(jù)沒有全部達到1.8，在實驗數(shù)據(jù)集1里建筑和道路的區(qū)分度只有1.578 440 05，而在實驗數(shù)據(jù)集2里裸地和道路的區(qū)分度為1.603 121 96，房屋和高層建筑的區(qū)分度為1.748 902 43，房屋和裸地的區(qū)分度為1.703 091 76，這就影響到我們分類算法最終的分類精度.眾所周知，光譜信息是紋理信息、形狀信息的基礎(chǔ).遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用研究是同一個光譜對應(yīng)不同地表物的現(xiàn)象(簡稱“同譜異物”現(xiàn)象)，如果忽略了形狀信息分類精度也會受到影響.一般建筑屋頂和道路等建筑材料主要都是水泥和瀝青，因此有相同的光譜特征，但它們的形狀不同.若能加上樣本形狀特征，分類精度會更高，但本文提出方法的分類效果已達到預(yù)期研究目標(biāo).我們下一步將對于算法進一步優(yōu)化.

5 結(jié)論

本文選用機器學(xué)習(xí)方法將SVM算法和新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ELM方法融合在一起，實現(xiàn)了基于ELM-SVM的遙感圖像分類.該融合模型中心思想是以SVM的訓(xùn)練結(jié)果修正重構(gòu)ELM.仿真實驗結(jié)果表明，提出的融合算法不管從視覺角度還是數(shù)字統(tǒng)計都顯出較好的分類效果，魯棒性較好，對遙感圖像分類研究提供了有益的理論參考.

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(責(zé)任編輯：石紹慶)

An approach based on ELM-SVM for remote sensing image classification

Gulnaz Alimjan1，2，Hurxida Jumahun1，SUN Tie-li3，LIANG Yi1

(1.School of Electronics and Information Engineering，Yili Normal University，Yining 835000，China； 2.School of Geographical Science，Northeast Normal University，Changchun 130024，China； 3.School of Computer Science and Information Technology，Northeast Normal University，Changchun 130117，China)

Data classification is a key step of the remote sensing data into thematic map information.Find a good classification method and improve the accuracy of data processing are highly challenging problems.In this paper，we propose a fusion classification model based on extreme learning machine(ELM) and support vector machine(SVM) for remote sensing image classification.Choose ELM based classifier and correction to improve the classification efficiency by SVM.Simulation experiment results show that the algorithm not only has higher classification accuracy，and eliminate some of the training sample tag on the negative impact for classification.Combining ALOS/PALSAR，PSM images，comparative analysis with SVM and artificial neural network(ANN)，show the robustness of the method.

support vector machines；remote sensing data；extreme learning machine；classification accuracy

1000-1832(2017)01-0053-09

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.01.011

2016-04-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(61663045)；新疆高?？蒲杏媱澲攸c研究項目(XJEDU2014I043)；伊犁師范學(xué)院重點項目(2016YSZD04).

古麗娜孜·艾力木江(1972—)，女，副教授，主要從事模式識別與遙感圖像處理研究.

TP 391.1 [學(xué)科代碼] 520·30

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