光学学报, 2017, 37 (11): 1128001, 网络出版: 2018-09-07   

基于深度残差网络的高光谱遥感数据霾监测 下载: 1254次

Hyperspectral Data Haze Monitoring Based on Deep Residual Network
作者单位
1 上海交通大学航空航天学院, 上海 200240
2 上海卫星工程研究所十五室, 上海 201108
3 上海市气象科学研究所卫星遥感应用技术研究室, 上海 200030
图 & 表

图 1. 苏州地区高光谱数据和站点位置示意图。(a)站点位置示意图;(b) 2015年2月28日150通道; (c) 2015年3月18日179通道

Fig. 1. Diagrams of hyperspectral data and site location of Suzhou. (a) Diagram of station location; (b) February 28, 2015, passage 150; (c) March 18, 2015, passage 179

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图 2. 苏州城区下垫面下不同霾状况平均光谱曲线

Fig. 2. Average spectral curves at underlying surface of Suzhou under different haze conditions

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图 3. 霾(红色)与非霾(蓝色)的随机抽样光谱曲线

Fig. 3. Random sampling spectral curves of haze (red) and non-haze (blue)

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图 4. PCA特征下的霾(红色)与非霾(蓝色)散点图

Fig. 4. Scatter plots of haze (red) and non-haze (blue) with PCA characteristics

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图 5. 残差学习示意图

Fig. 5. Schematic of residual learning

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图 6. 高光谱霾监测深度残差网络整体框架

Fig. 6. Framework of deep residual network for hyperspectral haze monitoring

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图 7. 残差模块内部结构示意图

Fig. 7. Schematic of internal structure of residual block

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图 8. 不同网络深度下的CNN和ResNet性能对比图

Fig. 8. Comparison of performance of CNN and ResNet with different network depths

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图 9. DBN结构分析

Fig. 9. Structure analysis of DBN

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图 10. 大训练样本下网络性能对比结果。(a)训练误差;(b)测试误差

Fig. 10. Comparison of network performance with large training sampling. (a) Training error; (b) test error

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图 11. BP与CNN-13、Resnet-13的大训练样本对比实验结果

Fig. 11. Experiment results of large training samples of BP, CNN-13 and ResNet-13

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图 12. 苏州地区2015年1月26日霾监测结果。(a) 站点位置示意图;(b) SVM结果;(c) DBN结果;(d) Resnet结果

Fig. 12. Haze monitoring results of Suzhou on January 26, 2015. (a) Diagram of site location; (b) result of SVM; (c) result of DBN; (d) result of Resnet

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图 13. 上海地区2015年1月4日霾监测结果图。(a) 站点位置示意图;(b) SVM结果;(c) DBN结果;(d) Resnet结果

Fig. 13. Results of Shanghai haze monitoring on January 4, 2015. (a) Diagram of site location; (b) result of SVM; (c) result of DBN; (d) result of Resnet

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表 1不同霾识别方法的对比实验结果

Table1. Experimental results of haze recognition with different methods

Number of experimentsSVMBPDBNCNNsResNet
OAKappaOAKappaOAKappaOAKappaOAKappa
10.93980.90710.93880.90530.94920.92170.94730.91940.96080.9398
20.94190.91090.94050.90810.94980.92290.94630.91810.96710.9495
30.94740.91890.94840.92020.95120.92480.95000.92330.96190.9414
Average0.94300.91230.94260.91120.95010.92310.94790.92030.96330.9436

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表 2霾分类混淆矩阵

Table2. Confusion matrix of haze classification

TermResNet resultCNNs result
NonMildModerateSevereNonMildModerateSevere
Non24961721481027432406342520141636
Mild372612076925360822812041634810
Moderate3919324192555074393223912240
Severe20311532867115501232874
Total25746512615996133329102574561261599613332910
Classification accuracy /%96.9595.7396.2899.8793.4795.4594.8999.89
Overall accuracy /%96.7194.63

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陆永帅, 李元祥, 刘波, 刘辉, 崔林丽. 基于深度残差网络的高光谱遥感数据霾监测[J]. 光学学报, 2017, 37(11): 1128001. Yongshuai Lu, Yuanxiang Li, Bo Liu, Hui Liu, Linli Cui. Hyperspectral Data Haze Monitoring Based on Deep Residual Network[J]. Acta Optica Sinica, 2017, 37(11): 1128001.

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