引 言
　　全极化合成 孔 径 雷 达利用 种极化组合方式进行全极化测量具 有 全 天候全天时对地球表面进行观察的能力能够获得丰富的目标散射信息 提供比单极化 更多的信息量 而全极化 影像分类研究则已成为遥感领域的一个重要 研 究 方 向 近 年 来许多学者都对极化 影 像 的 分 类 方 法 进 行 了 研 究 年等 在对目标 进 行 特 征 分 解 研 究 的 基 础 上提出了基于 平面的非监督 分 类 方 法 但 是 这 种方法不能 适 应 地 表 特 性 的 复 杂 变 化 年等 采用极大似然分类方法 利用目标散射相干矩阵的 分布来构造 分 类 器 在 分 类 的 基础上进行统计分 类 提出了一种常用且有效的极化影像分 类 方 法 但 是 这 种 方 法 仍 难 以 区 分 复杂地物类型分类精度有待进一步改善
　　遗传算法 是 一 种 有 效的搜索复杂问题最优解的方法 它模拟生命进化机制使用群体搜 索 技 术 通过对当前群体施加选择交叉和变异等一系列遗传操作 产生新一代群体 逐步使群体进化得 到 最 优 解 本 文 的 研 究 重 点 是 将遗传算法应用于全极化合成孔径雷达影像分类并进行改进以提高分类精度
　　目标分解
　　极 化 通 过 测 量 地 物 的 散 射 回 波 得 到 散射 矩 阵 散 射 矩 阵 将 目 标 的 能 量 特 性极 化 特 性 和相 位 特 性 结 合 起 来 相对完整地描述了目标的散射特 性可 以 通 过 目 标 分 解 的 方 法 提 取 目 标 的 散 射第 卷 第 期年 月遥 感 技 术 与 应 用特性在互易散射条件下 散射矩阵是一个 的对称矩阵相干矩阵可以表示为其 中 是像素个数 是第个像素的相干矩阵 对进行分解得其中 表示第个特征值 是对应的特征向 量 等 根 据 特 征 和 散 射 机 理 定 义出地物目 标 的 极 化 熵 和 散 射 角 其 定 义 表 达 式如下所示
　　其中极化熵 和 散 射 角 能 定 量 描 述 平 均 散 射 机制及散射过 程 的 随 机 性 并 用 于 分 类 对 平 面进行适当的分区 可得到代表不同散射的 个 基 本区域如图 所示图 平面及其对应散射机制
　　基于改进遗传算法的极化 影像分类
　　标准遗传算法分类
　　遗传算法是根据自然选择原理发展起来的一种进化算法从初始种群出发 经过各种遗传操作不断的优化产 生 更 适 应 环 境 的 群 体最 后 得 到 最 佳 个体解决问题 遗传算法的核心由 个算子组成选 择 算 子 从当前群体中选择优良个体进入下一次迭 代 循 环 提 高 种 群 质 量 常 用 的 方 法有比例选择排序选择等交叉算子 对两个相 互 配 对 的 染 色 体 相 互交换其部分基 因 从而形成新的个体 交 叉 算 子 包括单点两点和一致交叉变 异 算 子 根 据 变 异 概 率 随 机 选 择 染 色体上的某个基因进行变异从而打破固有模式 保持种群多样性标准遗传算法分类流程如图 所示图 遗传算法分类流程图具体实验步骤如下获取极化 数据使用 精 致 滤 波 法的窗口对影像进行滤波滤波后 提 取 影 像 的 极 化 熵 散 射 角 和相干矩阵的 个特征量利 用 的平面分布将影像初步分为类通过变异 获 得 为 设 定 的 群 体 个 数 个 染 色体分别计算每个染色体的个体值和适应度值通过选择算子根据适应度选择 个 染 色 体进入下一代使用交叉算子进行计算 使个体之间基因重组 使用变异算子在一定概率下会改变个体的基因值判断是否满足终止条件当达到最大循环次数或者连续迭代多次最佳个体值不变时退 出 迭代 否则循环至 步根据最终最佳个体得到最佳聚类中心 采用基于复 分布的最大似然估计 对 影 像 进 行判别分类然 而 多 年 的 实 际 应 用 得 出遗 传 算 法 始 终 在 进行随机地没有指导地迭代搜索 虽然淘汰选择机制能够保证群体的进化但 过 大 的 随 机 性 中 也 无 可 避免地包含着退化的可能 虽然这种相对固定的计算遥 感 技 术 与 应 用 第 卷模式有益于算法 的 通 用 性 但一个不容忽视的事实是分类过程中确实存在一些可以加以利用的信息和知识而标准遗传算法却并未 利用这些信息 从文献 可知从 保 证 遗 传 算 法 收 敛 性 的 角 度 看 变异算子对遗传算法的收敛到全局最优解起着关键作用 所以本文将重点对遗传算法 的变异算子进行改进以增加群体的多样性 提高算法性能改进的遗传算法分类标准遗传算法 的 变 异 算 子 是 在 一 定 概 率 下 进 行无方向的随机 变 异随 机 性 较 大迭代时也有可能导致群体退化 本文对变异算子的第一步改进 即限定其变异方向以提高搜索效率根 据 平 面 图图对属于第 类 的 基 因在变异时只能把周围类别值赋给它 例如若某个基因个体当前属于 则其可能变异 范 围 为 这 样 的 改 进 一 方面可以缩小变 异 范 围 提 高 算 法 效 率 另 一 方 面 可 以保持个体散射特性稳定降低变异概率 本文将这种改进方法称为邻域随机变异遗传算法邻域随机变异遗传算法在可变邻域间随机选择仍不够合理 因此本文作出了进一步的改进 变异操作中在邻域范围内寻找概率最大的类别并赋值 比如要变异的 基 因 个 体 当 前 属 于 变 异 操 作 时 分别计算它与 个聚类中心 的 最 大 似 然估计取概率最大的类别赋给它 这样可进一步减弱变异的随机性加快进化速度 本文将这种改进方法称为邻域最大似然变异遗传算法为 了 防 止 聚 类 中 心 的 剧 烈 变 动本 文 还 尝 试 了在变异操作之后 重新寻找聚类中心再分类的方法尽管邻域随机变异使得变异范围缩小但 还 是 存 在阻碍算法进化的可能 而聚类中心是类内全部基因的平均值变异后 寻 找 聚 类 中 心 再 分 类 可 以 弱 化 随机性提高进化效率 同时为了增强交叉操作的效果以降低发生早 熟现 象重 分 类 操 作 只 对 群 体 中的半数染色体执行 这种改进方法一方面弱化了变异的不稳定性另一方面增加了群体的多样性 能够高效稳健地搜索全局最优解 本文将这种改进方法称为邻域随机变异后重分遗传算法实验和分析分类实验为 了 验 证 本 文 所 研 究 方 法 的 有 效 性 分 别 选 取组数据进行算法实验 第 一 组 数 据 为于 年在美国加州旧金山海湾获 取 的 波 段 的 全 极 化影像 实验数 据 的 大 小 为 像 素 该 区 域主要包括城区海 洋植被和金门大桥等地物目标图 为各方法分类结果对比图 影像分类结果对比由图 可 以 看 出 作为经典的极化 非监督分类 方 法 方法的分类结果地物类型分布结构特 征 较 清 晰 在只包含低熵和中熵表面散射的海洋分类效果较好 但是由于地物和散射机理之间不存在一一对应的关系 对 于 具 有 相 同 散射机理的不同地物的分类不够精确 例如对于同时第 期 王 刚等改进的遗传算法用于极化合成孔径雷达影像非监督分类包含中熵体散射和多次散射的植被和城市 两 者 混淆比较严重 另 一 方 面左上角的山区部分被分成海洋的噪声信息 且有部分被误分为海洋 金门大桥也被分为若干段图 标准遗传算法的分类结果整体效果较好城区道路清晰 但是没有区分出海滩部分 左上角的山区部分被 分 成 海 洋 马球场和高尔夫场也错分为海洋图 采用邻域随机变异算子的结果由于抑制了地物类别的 随 机 变 化 分类效果明显好于标准遗传算法高尔夫球场和马球场被 分为裸地且轮廓明显左上角错分为海洋的部分也减少了 但 海 滩部分的分类效果仍不理想由 图 可 以 看 出 城 市 分 类 效 果 比 前 面 几种 方 法 的 效 果 要 好 道 路 信 息 也 得 到 较 多 的 体 现金 门 大 桥 特 征 信 息 清 晰 强 烈 马球场被分成边缘圆 滑 的 椭 圆 形 森林中高尔夫场的细条草坪也清晰可 见海滩分类层次明显 对 细 节 的 刻 画 精 确 分 类结 果 较 好由图 可 以 看 出邻 域 随 机 变 异 后 重 分 遗 传算法总体分类效果较标准遗传算法要好马 球 场 和高尔夫球场都得到了有效的分类 海 滩 也 得 到 了 较好的体现 但 是 与 图 邻域最大似然变异遗传算法的分类结果比较可以发现 结 果 图 中 左 上 角 部分像素被错分为海洋城区部分区域分类较为模糊这是采用重分后导致的过度分割现象为了进一步验证 种改进遗传算法分类的有效性采用了第二组数据进行实验 第 二 组 数 据 是 由于 年 获 取 的 荷 兰地区 波段的全极化 影像其方位 分 辨 率为 距离分辨率为 实 验 数 据 大 小 为像 素 该实验地区包含的地物类型是一些形状规则的矩形的农作物包括草地土豆苜蓿小麦甜菜豌豆油菜籽和裸土 类地物图 影像分类结果对比参照图 选 择 训 练 样 本 计算得到不同算法的分类精度和 系数 由 表 可 以 看 出上 述 算法中草地的分类精度最低 跟裸土混为相同类别 是因为裸土和草地的散射特性相近裸土上面也可能长有杂草它们基本属于低熵表面散射 所以很难区分 其他地物的分类效果相对要好一些精 度 也 较高 邻域随机变异遗传算法和邻域最大似然变异遗传算法的分类精 度 较 低 虽然比标准遗传算法的进化 速 度 快 但 还 是 没 有 达 到 地 区 数 据的分 类 要 求 而邻域随机变异后重分遗传算法对图 地区真实地物参考图遥 感 技 术 与 应 用 第 卷表 数据各算法分类精度对照表总 体 精 度 系 数算 法标 准 遗 传 算 法邻域随机变异遗传算法邻域最大似然变异遗传算法邻域随机变异后重分遗传算法聚类中心的调整 速 度 较 快 所以分类精度有了很大提高分类精度在 以 上 无论是总体精度还是系数都高于标准遗传算法 对于某些地 物 类别如裸土油菜 籽 和 土 豆 用户精度和制图精度都达到 以上取得了较好的分类效果为 了 验 证 种改进遗传算法对于数据的适应性采用了第三组数据进行实验 第 三 组 数 据 是 由中国电子科技集团 研 究 所 研 制 的 波 段 原 型 样机于 年 月 采 自 海 南 省 陵 水 黎 族 自 治 县 的 高分辨率 波段影像 实 验 数 据 大 小 为 像素 该区域主要包括植被 水塘裸地和道路等地物目标 图 为各方法分类结果对比由图 可 以 看 出 对 于 高 分 辨 率 数 据 经 典的 方法分类结果只在属于低熵表面散射的水潭分 类 清 晰 对 于 田 野 部 分 地 物 划 分 散乱田野中的裸地与田间小道被错误地划分为两类且在应该属于裸地的部分有不少被误分为水体图 海南陵水影像分类结果对比图 为标准遗传算法的分类结果 田 野 中的裸地与田间小道被合并为一类田野内部划分相对 分类结 果 清 晰 能看出条纹状相间的农作物与裸 地 但 由 于 变 异 机 制 为 随 机 变 异分类结果中点状误分极多 呈雪花状分布图 为采用邻域随 机 变 异 算 子 的 分 类 结 果由于抑制了地物类别的随机变化分类效果在清晰度上明显优于图 其他方面改进不明显由图 可以看出采用邻域最大似然变异算子后水塘划分清 晰 点状误分完全消失同 时 分 类结果表现出清晰的纹理结构 准确地区分了农作物裸地和水体分 类 结 果 较 好 但是图像右下方田间道路部分有许多像素被误分为水体对比图 与图 可 以 看 出邻 域 随 机 变 异后重分遗传算法在图像右下方的田间道路部分分类更为准确在邻域 最 大 似 然 变 异 分 类 结 果 中 被 误 分为水体的部分明显减少这 是 由 于 变 异 后 重 分 的 方法对聚类中心的调整更多 更 容 易 找 到 合 适 的 聚 类中心以得到更为合理的结果算法分析从各算法在旧 金 山 影 像 的 分 类 结 果 对 比 图 中 可以看出相对于 邻 域 随 机 变 异 后 重 分 遗 传 算 法邻 域最大似然变异的分类效果更好 根据图 旧 金 山影 像 的 特 征 分 布 图 可 知 影 像 极 化 特 征 分 布 较为分散所以 分类可以得到合理的初分类 使用遗传算法迭代只需要进行细小的调整即可重点突出纹理的细节部 分 可 见 邻 域 最 大 似 然 变 异 更 适 合 进第 期 王 刚等改进的遗传算法用于极化合成孔径雷达影像非监督分类行小范围细节的调整对细节的刻画较为精确 而改进算法在 地 区 数 据 的 分 类 结 果 表 明基 于邻域随机变异后 重 分 的 遗 传 算 法 相 对 于 邻 域 最 大 似然变异的分类效果更好 根据图 影像的 特 征 分 布 图 可 知 影像极化特征分布较为集中导致 初 分 类 效 果 并 不 理 想 进 行 迭 代 的 目的是为了进行大范围的调整 可见邻域随机变异后重分的遗传算法更适合进行大范围的调整聚类中心 但在细节调整方面相对较差 由图 可以看出海南陵水数据同样属于极化特征分布较为集中的类型 此时能够更有效地 寻 找 合 适 的 聚 类 中 心 的 邻 域 随 机 变异后重分的遗传算法在分类时有较大优势图 实 验 数 据 特 征 分 布 图本文在实验中获取了各算法每次迭次运算后染色体的适用度值 图 给出了适用度值随算法迭代次数的变化曲线对比图 标准及改进遗传算法收敛速率对比图图 对 比 可 知 标 准 遗 传 算 法 的 收 敛速 度 较 慢需 要 约 次 迭 代 达 到 收 敛 经 过 邻 域随 机 变 异 改 进 后 由 于 缩 小 了 变 异 范 围曲 线 变 得较 为 光 滑仅 次 迭 代 算 法 即 可 收 敛 而 经 过 邻域 最 大 似 然 变 异 改 进 后 次 迭 代 算 法 即 收 敛图 是 邻 域 随 机 变 异 后 重 分 算 法 的 收 敛 结 果可 以 看 到 算 法 在 次 迭 代 后 收 敛 而 曲 线 波 动 多变 化 幅 度 大 说明这种算法对聚类中心的调整幅度较 大
　　结 语
　　本文开展了遗传 算 法 在 极 化 影 像 非 监 督分类中的应用 研 究 针对标准遗传算法的缺点 根据 平 面 对 变 异 算 子 进 行 了 改 进 并 结 合 复分布提出了 多 种 基 于 改 进 算 子 的 算 法 实验结果表明所有改进算法均能明显改善遗传算法对极化 影像的分类效果
    参 考 文 献杨 淑 莹图 像 模 式 识 别 技 术 实 现 北 京清 华 大学 出 版 社遥 感 技 术 与 应 用 第 卷葛 培 明改进的遗传算法及其在工程优化中 的 应 用 成 都西 南 交 通 大 学陈 忠刘 建 国汪 国 有基于改进遗传算法遥感图像非监督分类研究 计 算 机 工 程 与应 用第 期 王 刚等改进的遗传算法用于极化合成孔径雷达影像非监督分类