2024年4月14日发(作者:仰如意)
第3期
2008年9月
山西水土保持科技
Soil and Water Conservation Science and Technology in Shanxi
No.3
Sep.2008
口学术天地
基于GFMM网的多源遥感数据融合
高文君 周 宇
(1山西省水土保持科学研究所 2南京林业大学信息学院)
摘要:运用模糊数学与神经网络理论相结合,利用人工神经网络的GFMM算法,通过学习与实验,探
GFMM网 人工神经网络
索了遥感数据融合方法。
关键词:遥感数据融合
中图分类号:V557 .3文献标识码:A 文章编号:1008-0120(2008)03-0023-03
近几十年来,随着计算机技术的蓬勃发展,图像
处理技术也得到了广泛应用。本文主要应用模糊数
学与神经网络理论相结合,利用计算机图像处理技
融合是一种高水平融合,它将有助于细分类和制图。
目前,在遥感分类融合决策这一领域中常用的信息
融合分类方法主要有:统计数据融合法、证据推理理
术,通过学习与实验,探索遥感数据融合方法。文中
提到的遥感数据,主要是指遥感图像数据。显然,遥
感图像(或从这样的图像中提取的信息)和GPS数
据已经变成现代GIS主要的数据源。实际上,遥感、
GIS和GPS技术的界限已经变得模糊不清,它们的
结合领域将继续变革我们日常的普查、监测和管理
自然资源的方法。
论(DS理论)、基于神经网络的融合、模糊逻辑法。
在对遥感图像的分类处理中,有很多方法和途
径可以获得同一个地方的有关信息,所以用数据融
合的方法和理论来处理图像的分类是一种很自然的
想法。数据融合的优势在于通过对多个信息源的融
合处理,以达到提高分类精度和可靠性的目的。
2一般模糊极小~极大(GFMM)网
2.1 人工神经网络
1 多源遥感数据的分类融合方法
1.1遥感信息融合
神经网络,或者更精确地说人工神经网络,是一
种植根于许多学科的技术,其中涉及神经科学、数
学、统计学、物理学、计算机科学和工程学。人工神
经网络是近年来再度兴起的一个高科技研究领域,
在卫星遥感成像系统中,由于受到光的能量和
衍射决定的分辨极限、成像系统的调制传递函数、信
噪比三个方面的限制,同时获得光谱、空间和时间的
高分辨率是很困难的。因此,引发了世界范围内对
多源遥感信息融合研究的普遍关注。由于任何单一
的信息源提供的信息往往是不完全的、不精确的或
模糊的,传统的遥感图像分类处理方法不能有效地
组织多源数据。而利用新发展起来的交叉学科——
也是信息科学、脑科学、神经心理学等多种学科近几
年研究的一个热点。本文应用模糊数学与人工神经
网络理论(即在处理过程中用模糊逻辑运算的一般
模糊极小~极大网),探索遥感数据融合方法。
2.2一般模糊极小~极大(GFMM)网
GFMM网是B.Gabrys与A.Bargiela于2000年
提出的,它具有如下特点:输入可以是区间形式的真
数据融合的理论和方法,是解决问题的有效途径。
只有利用多个遥感和非遥感信息源提供的,反映所
处环境或对象的不同特征信息之间的互补性和冗余
性,采用有效的方法将它们融合,才能弥补单一信息
源的缺陷,提高正确识别、判断和决策的能力。因
正模糊量;既可以处理纯识别问题,也可以处理纯聚
类,还可以处理识别、聚类兼有的混合问题;改进了
隶属函数和超盒尺寸限制参数,使之更加合理。
2.3 GFMM拓扑结构
GFMM拓扑结构见图1。
此,遥感多源信息融合是近几年来国际遥感界研究
的热点,并成为解决多源海量数据分析以提取有用
信息的关键技术之一。
1.2 多源遥感数据的分类融合方法
利用多源遥感图像信息进行目标的识别决策的
资助项目:南京林业大学引进人才基金项目(2002029)
收稿日期:2008 ̄7—16
3 基于CFMM网的多源遥感数据
融合方法
设有II1个输入样本,样本以下标从小到大顺序
出现。学习算法分若干个周期,每个周期包括两个
・
23.
山西水土保持科技 2008年第3期
3.1.3 Step!.3超盒相交检验
设新建或扩张过的超盒为 。,检验其是否与
阵u
其他超盒相交。分两种情况:
(1)class( )=0,对O 中除 之外的所有
超盒 ,检验是否与 。相交。若相交,转Step1.4,
否则转Step1.5。
(2)class(莒,。)>0,对@ 中与 异类的那些
}
超盒 进行检验。若相交,转Step1.4,否则转
图1 GFMM拓扑结构
阶段:超盒产生与调整阶段,网络运行检验阶段。
3.1超盒产生与调整阶段
3.1.1 Step1.1超盒初始化
由于m个样本,所以网络至多需要m个超盒。
又因为一开始网络中不存在任何超盒,故令m个初
始超盒的极小与极大点分别为:
:
[1,j o o ̄Q*,1 :[,…一,0]
3.1.2 Step1.2超盒的扩张
Step1.2.1输入样本(X^,d^),统计在此之前
这时已经建立(初始状态已改变)的超盒,记它们组
成的集合为0 ,令@ ::0 。
Step1.2.2如0^ := ,任选一初始状态未改
变的超盒为莒…转Step1.2.5;否则采用下式计算:
bj・(%, , )=ma xb ̄(Xh)
…
Step1.2.3检验超盒莒…是否满足以下扩张
条件:
.
V(max( , u)一min(Wji, ))≤0
若不满足,令:
O =0 \{ ,+}
然后转Step1.2.2。如满足,则开展下一步。
Stepl。2.4如d^=0转Step1.2.6。否则,分以
下三种情况处理:
‘(1)若class(莒 +)=0,令class(雷卜)=d^并转
Step1.2.6;
(2)若c2 ( 。)=d^,转Step1.2.6;
(3)其他,令O =O \{ 。},转Step1.2.2。
Step1.2.5建立新超盒:B 。=Xh
new
=ml ̄n / old
胁
,
1)
=max( old, 1),i=1,…,凡
并令0 =0 u{曰 。},转Step1.2.3。
Step1.2.6调整(扩张)超盒 :
:rain( , )
嘱=max( old, ),i=1,…,n
・
24・
Step1.5。
3.1.4 Step1.4超盒的收缩
对检查出来的相交异类超盒,收缩其中之一或
二者收缩至不相交,然后转Step1.2.1。
3.1.5 Step1.5网络运行检验
如h=m,转网络运行检验阶段,否则,令h=h
+1,转Step1.2.1。
3.2相交检验
设最小相交区间长度初值为艿 ,对i=1,2,…,
进行如下计算。分四种情况:
(1)如vii< “<Wji<w“ 则令6一:min(
一
6 )
(2)如 “<vii<W < 则令 一=min(w“
一
,
)
(3)如 Vki<wji<W 则令6一=min(min( “
一
,
Wj 一Vki), )
(4)如 < <Wji<W 则令6~=min(min(wji
一
W 一 ), )
如6 一6一>0,那么参数△=i,且令 :6一,
以此来表示两个盒子在第△维上的投影的重叠,然
后进行下一维检验。如出现以上四种以外情况,表
明不重叠,也就是说两个盒子不相交。
3.3超盒的收缩
相交检验直到第n维检验完之后,如△>0,两
盒子相交,这时要进行对两个盒子压缩。为了尽可
能少地改变已形成的超盒形状,需对第△维进行压
缩。公式如下:
(1)如 诅< 地<Wja<W 贝4令 new=口 new
old .+ old
d
一
2
(2)如 珏< <w地<
贝0令 地new=呓
WkA
old
+
. old
—‘
2
(3)如 < 地<w托<
且(W格一 )<
( 一 地) 贝0令 ne = new
(4)如 < <W <
且(W 一 )>
2008年9月 高文君等基于GFMM网的多源遥感数据融合
(wia一 怂) 贝0令 mttel ̄= 怂new
框架。
(5)如 地<
( 越一 ) 贝0令
<wjz<W地 且(W越一 )<
= ∞Ftel
对算法GFMM融合分类方法的性能进行分析
是本文的最终目的。利用VC编程,综合考虑分类
精度及分类速度,通过实验,最终得出:GFMM对训
练区域很挑剔,训练区域直接影响到分类结果,显然
也是算法本身的原因。它不要求很大量的训练,只
是要求很有代表性就可以。
参考文献
[1]张青贵.人工神经网络导论[Mj.北京:中国水利水
电出版社,2004.
(6)如 柚<
( m一 地) 贝0令
<wja<w地 且(w地一 )>
=
3.4网络运行阶段
设网络已经过训练,权矩阵 , 均已确定。将
第h个矢量 输入以后,计算它属于每个超盒的隶
属度bj。
1
E(x ) 2 n fmax(0,1一
max(0,ymin(1, ^ 一wji)))+
max(0,1一max(0,Tmin(1, 一
[2]朱述龙,张占睦编著.遥感图像获取与分析[M].北
京:科学出版社,2003.
)))1
f3]袁金国,王卫.多源遥感数据融合应用研究[J].
地球信息科学,2005,7(3):97~103.
然后用下式计算属于第 个类C 的程度:
c& 6
[4]罗忠.多源遥感数据融合的现状[J].测试技术学
报,1999,13(1):32~38.
(0)=…= ,z (0):1
[5]史忠植.知识发现[M].清华大学出版社,2005.
[6]徐慧,等.Visual C++数字图像实用工程案例精
4小结
多源遥感信息融合是一种自动化信息综合处理
技术,是数据融合技术在遥感领域的综合应用。多
源遥感信息融合重在融合方法的研究,而目前国内
外在该领域仍处于研究发展阶段,尚无成型的理论
4-"七-6"七七七七 七女七 七七七七 七七七 -6"
选[M].北京:人民邮电出版社,2004.
作者简介
高文君(1984_):女,学士,助理工程师;通讯地
址:山西省太原市郝家沟街汇隆花园,030013
七七七 -6" 七 七 -6"-6" 七
-
(上接第l6页) 小区护埂:采用混凝土预制块(长X宽X厚=
^一径流箱高,In;
一
60×50×10 C1TI,顶部做成倾角60。的单面刃形斜
坡)砌筑,水泥沙浆勾缝而成,护埂宽10 cm,基础深
30 cm,高出地面30 cm,基础两侧的回填土要夯实。
护埂顶部斜面朝外,防止护埂处的降雨因滴溅进入
总量水体积,m。。
设计分流孔孔底高度1.0 ITI,分流箱及集流箱
长×宽=1.0 111×1.5 nq,其核算结果见表2。
表2分流箱与集流箱核算结果表
h(m)
1.1
小区内部,影响观测精度。
集流槽、挡水墙、引水管、分流箱和集流箱采用
混凝土整体浇筑,表面M12.5水泥沙浆抹面。
建观测房面积30 m ,用于化验分析、存放设备
与耗材。
4 8
h (m)
1 0
0(m)
1.0
b(m)W 2%(m )W&(ITI。)
1.5 4 53
W设>W ,集流箱、分流箱尺寸符合设计要求。
考虑到制作误差因素,使用中,首先必须对各箱
逐一进行量测,而后根据实际尺寸,对观测成果进行
计算。
4.5径流场建筑物
布设小区数量:5个小区(其中含一个标准小
区)。
小区外侧为便于观测需要修建简易道路(台
阶)0.2 km,并进行必要的硬化。建设观测便道连
通交通道路及径流场小区,并设置D u型排水渠
100 m
坡度:原地面坡度为10。,调整后为15。。
规模:500 cm×2 000 onq。
作者简介
马宝祥(1966-):男,工程师;通讯地址:甘肃省
天水市,741000
水土保持措施:乔木林、灌木林、人工草地、乔灌
草混交等措施各布设一个小区。
2024年4月14日发(作者:仰如意)
第3期
2008年9月
山西水土保持科技
Soil and Water Conservation Science and Technology in Shanxi
No.3
Sep.2008
口学术天地
基于GFMM网的多源遥感数据融合
高文君 周 宇
(1山西省水土保持科学研究所 2南京林业大学信息学院)
摘要:运用模糊数学与神经网络理论相结合,利用人工神经网络的GFMM算法,通过学习与实验,探
GFMM网 人工神经网络
索了遥感数据融合方法。
关键词:遥感数据融合
中图分类号:V557 .3文献标识码:A 文章编号:1008-0120(2008)03-0023-03
近几十年来,随着计算机技术的蓬勃发展,图像
处理技术也得到了广泛应用。本文主要应用模糊数
学与神经网络理论相结合,利用计算机图像处理技
融合是一种高水平融合,它将有助于细分类和制图。
目前,在遥感分类融合决策这一领域中常用的信息
融合分类方法主要有:统计数据融合法、证据推理理
术,通过学习与实验,探索遥感数据融合方法。文中
提到的遥感数据,主要是指遥感图像数据。显然,遥
感图像(或从这样的图像中提取的信息)和GPS数
据已经变成现代GIS主要的数据源。实际上,遥感、
GIS和GPS技术的界限已经变得模糊不清,它们的
结合领域将继续变革我们日常的普查、监测和管理
自然资源的方法。
论(DS理论)、基于神经网络的融合、模糊逻辑法。
在对遥感图像的分类处理中,有很多方法和途
径可以获得同一个地方的有关信息,所以用数据融
合的方法和理论来处理图像的分类是一种很自然的
想法。数据融合的优势在于通过对多个信息源的融
合处理,以达到提高分类精度和可靠性的目的。
2一般模糊极小~极大(GFMM)网
2.1 人工神经网络
1 多源遥感数据的分类融合方法
1.1遥感信息融合
神经网络,或者更精确地说人工神经网络,是一
种植根于许多学科的技术,其中涉及神经科学、数
学、统计学、物理学、计算机科学和工程学。人工神
经网络是近年来再度兴起的一个高科技研究领域,
在卫星遥感成像系统中,由于受到光的能量和
衍射决定的分辨极限、成像系统的调制传递函数、信
噪比三个方面的限制,同时获得光谱、空间和时间的
高分辨率是很困难的。因此,引发了世界范围内对
多源遥感信息融合研究的普遍关注。由于任何单一
的信息源提供的信息往往是不完全的、不精确的或
模糊的,传统的遥感图像分类处理方法不能有效地
组织多源数据。而利用新发展起来的交叉学科——
也是信息科学、脑科学、神经心理学等多种学科近几
年研究的一个热点。本文应用模糊数学与人工神经
网络理论(即在处理过程中用模糊逻辑运算的一般
模糊极小~极大网),探索遥感数据融合方法。
2.2一般模糊极小~极大(GFMM)网
GFMM网是B.Gabrys与A.Bargiela于2000年
提出的,它具有如下特点:输入可以是区间形式的真
数据融合的理论和方法,是解决问题的有效途径。
只有利用多个遥感和非遥感信息源提供的,反映所
处环境或对象的不同特征信息之间的互补性和冗余
性,采用有效的方法将它们融合,才能弥补单一信息
源的缺陷,提高正确识别、判断和决策的能力。因
正模糊量;既可以处理纯识别问题,也可以处理纯聚
类,还可以处理识别、聚类兼有的混合问题;改进了
隶属函数和超盒尺寸限制参数,使之更加合理。
2.3 GFMM拓扑结构
GFMM拓扑结构见图1。
此,遥感多源信息融合是近几年来国际遥感界研究
的热点,并成为解决多源海量数据分析以提取有用
信息的关键技术之一。
1.2 多源遥感数据的分类融合方法
利用多源遥感图像信息进行目标的识别决策的
资助项目:南京林业大学引进人才基金项目(2002029)
收稿日期:2008 ̄7—16
3 基于CFMM网的多源遥感数据
融合方法
设有II1个输入样本,样本以下标从小到大顺序
出现。学习算法分若干个周期,每个周期包括两个
・
23.
山西水土保持科技 2008年第3期
3.1.3 Step!.3超盒相交检验
设新建或扩张过的超盒为 。,检验其是否与
阵u
其他超盒相交。分两种情况:
(1)class( )=0,对O 中除 之外的所有
超盒 ,检验是否与 。相交。若相交,转Step1.4,
否则转Step1.5。
(2)class(莒,。)>0,对@ 中与 异类的那些
}
超盒 进行检验。若相交,转Step1.4,否则转
图1 GFMM拓扑结构
阶段:超盒产生与调整阶段,网络运行检验阶段。
3.1超盒产生与调整阶段
3.1.1 Step1.1超盒初始化
由于m个样本,所以网络至多需要m个超盒。
又因为一开始网络中不存在任何超盒,故令m个初
始超盒的极小与极大点分别为:
:
[1,j o o ̄Q*,1 :[,…一,0]
3.1.2 Step1.2超盒的扩张
Step1.2.1输入样本(X^,d^),统计在此之前
这时已经建立(初始状态已改变)的超盒,记它们组
成的集合为0 ,令@ ::0 。
Step1.2.2如0^ := ,任选一初始状态未改
变的超盒为莒…转Step1.2.5;否则采用下式计算:
bj・(%, , )=ma xb ̄(Xh)
…
Step1.2.3检验超盒莒…是否满足以下扩张
条件:
.
V(max( , u)一min(Wji, ))≤0
若不满足,令:
O =0 \{ ,+}
然后转Step1.2.2。如满足,则开展下一步。
Stepl。2.4如d^=0转Step1.2.6。否则,分以
下三种情况处理:
‘(1)若class(莒 +)=0,令class(雷卜)=d^并转
Step1.2.6;
(2)若c2 ( 。)=d^,转Step1.2.6;
(3)其他,令O =O \{ 。},转Step1.2.2。
Step1.2.5建立新超盒:B 。=Xh
new
=ml ̄n / old
胁
,
1)
=max( old, 1),i=1,…,凡
并令0 =0 u{曰 。},转Step1.2.3。
Step1.2.6调整(扩张)超盒 :
:rain( , )
嘱=max( old, ),i=1,…,n
・
24・
Step1.5。
3.1.4 Step1.4超盒的收缩
对检查出来的相交异类超盒,收缩其中之一或
二者收缩至不相交,然后转Step1.2.1。
3.1.5 Step1.5网络运行检验
如h=m,转网络运行检验阶段,否则,令h=h
+1,转Step1.2.1。
3.2相交检验
设最小相交区间长度初值为艿 ,对i=1,2,…,
进行如下计算。分四种情况:
(1)如vii< “<Wji<w“ 则令6一:min(
一
6 )
(2)如 “<vii<W < 则令 一=min(w“
一
,
)
(3)如 Vki<wji<W 则令6一=min(min( “
一
,
Wj 一Vki), )
(4)如 < <Wji<W 则令6~=min(min(wji
一
W 一 ), )
如6 一6一>0,那么参数△=i,且令 :6一,
以此来表示两个盒子在第△维上的投影的重叠,然
后进行下一维检验。如出现以上四种以外情况,表
明不重叠,也就是说两个盒子不相交。
3.3超盒的收缩
相交检验直到第n维检验完之后,如△>0,两
盒子相交,这时要进行对两个盒子压缩。为了尽可
能少地改变已形成的超盒形状,需对第△维进行压
缩。公式如下:
(1)如 诅< 地<Wja<W 贝4令 new=口 new
old .+ old
d
一
2
(2)如 珏< <w地<
贝0令 地new=呓
WkA
old
+
. old
—‘
2
(3)如 < 地<w托<
且(W格一 )<
( 一 地) 贝0令 ne = new
(4)如 < <W <
且(W 一 )>
2008年9月 高文君等基于GFMM网的多源遥感数据融合
(wia一 怂) 贝0令 mttel ̄= 怂new
框架。
(5)如 地<
( 越一 ) 贝0令
<wjz<W地 且(W越一 )<
= ∞Ftel
对算法GFMM融合分类方法的性能进行分析
是本文的最终目的。利用VC编程,综合考虑分类
精度及分类速度,通过实验,最终得出:GFMM对训
练区域很挑剔,训练区域直接影响到分类结果,显然
也是算法本身的原因。它不要求很大量的训练,只
是要求很有代表性就可以。
参考文献
[1]张青贵.人工神经网络导论[Mj.北京:中国水利水
电出版社,2004.
(6)如 柚<
( m一 地) 贝0令
<wja<w地 且(w地一 )>
=
3.4网络运行阶段
设网络已经过训练,权矩阵 , 均已确定。将
第h个矢量 输入以后,计算它属于每个超盒的隶
属度bj。
1
E(x ) 2 n fmax(0,1一
max(0,ymin(1, ^ 一wji)))+
max(0,1一max(0,Tmin(1, 一
[2]朱述龙,张占睦编著.遥感图像获取与分析[M].北
京:科学出版社,2003.
)))1
f3]袁金国,王卫.多源遥感数据融合应用研究[J].
地球信息科学,2005,7(3):97~103.
然后用下式计算属于第 个类C 的程度:
c& 6
[4]罗忠.多源遥感数据融合的现状[J].测试技术学
报,1999,13(1):32~38.
(0)=…= ,z (0):1
[5]史忠植.知识发现[M].清华大学出版社,2005.
[6]徐慧,等.Visual C++数字图像实用工程案例精
4小结
多源遥感信息融合是一种自动化信息综合处理
技术,是数据融合技术在遥感领域的综合应用。多
源遥感信息融合重在融合方法的研究,而目前国内
外在该领域仍处于研究发展阶段,尚无成型的理论
4-"七-6"七七七七 七女七 七七七七 七七七 -6"
选[M].北京:人民邮电出版社,2004.
作者简介
高文君(1984_):女,学士,助理工程师;通讯地
址:山西省太原市郝家沟街汇隆花园,030013
七七七 -6" 七 七 -6"-6" 七
-
(上接第l6页) 小区护埂:采用混凝土预制块(长X宽X厚=
^一径流箱高,In;
一
60×50×10 C1TI,顶部做成倾角60。的单面刃形斜
坡)砌筑,水泥沙浆勾缝而成,护埂宽10 cm,基础深
30 cm,高出地面30 cm,基础两侧的回填土要夯实。
护埂顶部斜面朝外,防止护埂处的降雨因滴溅进入
总量水体积,m。。
设计分流孔孔底高度1.0 ITI,分流箱及集流箱
长×宽=1.0 111×1.5 nq,其核算结果见表2。
表2分流箱与集流箱核算结果表
h(m)
1.1
小区内部,影响观测精度。
集流槽、挡水墙、引水管、分流箱和集流箱采用
混凝土整体浇筑,表面M12.5水泥沙浆抹面。
建观测房面积30 m ,用于化验分析、存放设备
与耗材。
4 8
h (m)
1 0
0(m)
1.0
b(m)W 2%(m )W&(ITI。)
1.5 4 53
W设>W ,集流箱、分流箱尺寸符合设计要求。
考虑到制作误差因素,使用中,首先必须对各箱
逐一进行量测,而后根据实际尺寸,对观测成果进行
计算。
4.5径流场建筑物
布设小区数量:5个小区(其中含一个标准小
区)。
小区外侧为便于观测需要修建简易道路(台
阶)0.2 km,并进行必要的硬化。建设观测便道连
通交通道路及径流场小区,并设置D u型排水渠
100 m
坡度:原地面坡度为10。,调整后为15。。
规模:500 cm×2 000 onq。
作者简介
马宝祥(1966-):男,工程师;通讯地址:甘肃省
天水市,741000
水土保持措施:乔木林、灌木林、人工草地、乔灌
草混交等措施各布设一个小区。