基于多特征集成的SAR图像分割算法研究

【摘要】随着合成孔径雷达(SAR)系统的迅速发展,获得的SAR图像数据也越来越多,而对SAR图像理解与解译能力则相对滞后。SAR图像分割是SAR图像解译的关键部题之一,也是SAR图像自动理解与解译的基础和前提,受到各国研究者的广泛关注,成为近年来的研究热点。相比于其它种类图像(如光学或红外图像),SAR图像所固有的特点(如相干斑噪声明显,同类目标差异较大,异类目标非常接近,多尺度目标的同时存在,数据规模庞大等)给分割工作带来了严峻的挑战。因此,开展SAR图像分割问题的研究对于促进SAR技术的发展具有重要意义。本论文针对SAR图像的特点,从特征提取到算法设计,完整的对SAR图像分割问题进行研究,提出了多种基于多特征集成的SAR图像分割算法。本论文主要创新点概括如下：1.提出了一种基于上下文分析的非均衡合并SAR图像分割算法。该算法采用了自底向上(Bottom-up)和自上而下(Top-down)相结合的策略。在自底向上方面,本算法集成了多种SAR图像特征,这些特征从不同的角度出发来刻画和表示SAR图像中的目标；在自上而下方面,本算法根据格式塔理论,提出了三条规则来对超像素的上下文进行分析,对不同的特征进行组织和集成。这三条规则体现了借鉴于认知心理学的先验知识,实现了一种新颖的、有效的方法来对超像素的上下文进行建模,是对超像素合并的一种自上而下的全局性约束。根据所提出的上下文和多种图像特征,本算法设计了两阶段的合并策略,包括：1)粗合并阶段(CoarseMergingStage,CMS);2)细合并阶段(FineMergingStage,FMS)。这种策略能够在算法的效率和准确性之间做到很好的平衡。实验表明CMS算法能够快速的合并大量具有歧义的超像素,而FMS能够获得更加准确的分割结果。2.提出了一种基于特征子空间迭代优化的SAR图像分割算法,该算法具有以下特点：1)集成了多种SAR图像特征,以准确的表示SAR图像中的不同目标；2)提出了一种分阶段集成的相似度计算方法,该方法分别在特征水平(FeatureLevel)和相似度水平(SimilarityLevel)计算基于独立特征的相似度和基于多特征集成的相似度,从而有效的避免不同特征、不同维数之间的相互影响,提高超像素之间相似度计算的准确性；3)提出了基于偏好的自适应空间约束项,该空间约束项能够根据图像中上下文的内容自适应的计算超像素与其上下文邻域的空间关系,使超像素更接近于上下文中的同类目标,可以避免传统平均策略对图像细节的损失,从而使分割结果更加准确、更具鲁棒性。4)根据构造的目标函数,提出了基于特征子空间的迭代优化算法,该算法能够对不同特征子空间进行迭代优化,从而保持不同属性的特征在其对应子空间中的分布结构,避免相互的干扰,在保持算法分割效率的同时,提高算法迭代优化的准确度。3.对基于特征域的优化技术进行更深入的研究,提出了两种新的免疫克隆优化算法,分别是：免疫调节克隆选择算法和基于正交试验设计的克隆选择优化算法。然后,根据迭代最小化算法和免疫克隆选择优化算法各自的优势,本文将其进行了有机结合,提出了一种基于特征域的混合优化方法,并将其应用于SAR图像的分割问题中。这种方法既能够在各个特征子空间中沿着梯度最速下降的方向进行迭代搜索,也能够在整个高维空间中进行基于克隆选择优化的全局启发式搜索,从而同时兼有了迭代最小化算法的高效性,以及免疫克隆选择算法的鲁棒性。对比实验表明,这种混合的优化算法能够有效的提高算法的搜索精度,避免算法陷入局部极值,明显的提高了分割算法的性能。4.提出了一种基于空间域与特征域的无监督分层迭代算法,其主要出发点是结合基于特征域分割算法与基于空间域分割算法各自的优势,取长补短,以达到对SAR图像最佳分割的目的。在合并超像素时,该算法采用了分层迭代的策略：设计了一种改进的模糊c均值聚类算法,对超像素的外观特征进行迭代优化,当得到聚类结果后,对同类超像素的空间上下文进行分析,使用区域增长算法在全局范围内对相似的超像素进行合并,直到不存在满足合并条件的超像素为止,再重新进行聚类。这两个迭代子算法分层交替进行,既可以挖掘特征的分布结构信息,避免欠分割或过分割,又可以有效利用SAR图像的多种信息,提高算法对歧义目标的鲁棒性,从而实现了一种直接的、有效的方式来组织和集成SAR图像多种特征。5.提出了一种无监督两阶段SAR图像分割方法,对基于空间域的分割算法与基于特征域的分割算法进行结合。该算法包含两个阶段,分别为：1)粗合并阶段；2)细分类阶段。在第一阶段中,本文提出了一种新的基于上下文分析的区域迭代合并(Context-basedRegionIterativeMerging,CRIM)算法,以利用尽量多种的特征,来对超像素进行合并。该子算法的一个优势是能够快速的、对大量位于真实分割区域内部的超像素进行合并,从而提高特征表示的准确度,减轻细分类算法的计算负担。与传统的区域合并算法相比,CRIM算法能够集成更多的信息,并且采用了一种新颖的全局停止指标来决定CRIM算法的输出。这种指标能够从全局的角度出发,计算SAR图像分割区域的均匀一致性。在细分类阶段,本章采用了之前提出的基于混合优化策略的模糊聚类算法来对图像空间中剩余的超像素进行分类,以达到最终分割的目的。
【作者】余航；
【导师】焦李成；
【作者基本信息】西安电子科技大学，电路与系统，2014，博士
【关键词】SAR图像分割；特征提取；相似度度量；区域合并算法；模糊聚类算法；

【参考文献】
[1]程越楷.创业投资机构对被投资企业投资行为及其绩效的影响[D].浙江大学,2013.
[2]高泽生.铝钛硼生产中形成的副产品——氟铝酸钾的有效利用[J].轻金属.1992(06)
[3]王玉林.基于CAN总线的矿用广播对讲系统研究与设计[D].湖南科技大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[4]刘谦.异化劳动学说与剩余价值理论的辩证统一[D].河北大学,政治经济学,2014,硕士.
[5]钱程远.APE1小分子抑制剂的筛选鉴定及其抗肿瘤活性研究[D].第三军医大学,肿瘤学,2014,博士.
[6]李敏.基于对外汉语中高级阶段复合词的修辞派生义研究[D].湖南师范大学,对外汉语,2014,硕士.
[7]李静.生态文明视域下高校生态道德教育研究[D].燕山大学,思想政治教育,2013,硕士.
[8]白恩慈.HPCCG的性能建模及预测[D].哈尔滨工业大学,计算数学,2013,硕士.
[9]任兆华,王君连,刘松斌,翟庆志,穆慧灵.除尘风机的高压变频节能改造[J].冶金自动化,2011,01:65-68.
[10]廖连莹.基于键合图的混合动力电动汽车用电机的建模与仿真[D].武汉理工大学,车辆工程,2004,硕士.
[11]史文丽.基于数据融合的共调控基因挖掘方法研究[D].哈尔滨工业大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[12]张亚宁.空气+氧气型旋流煤粉燃烧器设计与试验研究[D].华中科技大学,热能工程,2013,硕士.
[13]俞忠达.阀芯阀套搭接量评价系统的研制[D].哈尔滨工业大学,机械制造及其自动化,2014,硕士.
[14]吴西.金纳米颗粒的光学性质及其用于细胞标记和肿瘤治疗[D].复旦大学,光学,2012,博士.
[15]周平.液晶投影仪照明系统的研究[D].浙江大学,光学工程,2004,硕士.
[16]黄朝军.建行吉林省分行电子银行业务经营管理研究[D].吉林大学,工商管理,2014,硕士.
[17]赵希梅.立体视检查软件设计及应用研究[D].中国海洋大学,信息与信号处理,2003,硕士.
[18]吴婷.长沙同升湖实验学校国际教育的个案研究[D].湖南师范大学,教育（专业学位）,2012,硕士.
[19]霍岩.中国家电产业国际营销策略选择分析[D].吉林大学,国际商务,2013,硕士.
[20]罗捷.我国农业上市公司经营绩效研究[D].山西财经大学,产业经济学,2014,硕士.
[21]林伟星.苏辙绍圣以后诗歌的文本分析[D].福建师范大学,中国古代文学,2004,硕士.
[22]曾见清.劳动者权益保护视野下的民营企业社会责任研究[D].西南政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[23]汤满成.小学教师培训研究[D].北京交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[24]崔小秋.HX银行南京分行债务融资工具承销业务发展及策略研究[D].南京农业大学,工商管理,2013,硕士.
[25]刘恒.侵彻引信的空穴识别算法及电路设计[D].中北大学,兵器工程,2014,硕士.
[26]张义兵.基于DSP单相串联混合型有源电力滤波器设计研究[D].湖南大学,电路与系统,2003,硕士.
[27]齐毅.保网公司开发项目管理研究[D].华中科技大学,工商管理,2013,硕士.
[28]张维,林文钊,陈焰.业务运营支撑系统下一步建设思路探讨[J].电信工程技术与标准化,2003,12:66-71.
[29]蒋涛,孙红辉,周友杰,李艾华.数据挖掘在柴油机故障诊断中的应用[J].机械,2004,07:53-55.
[30]高永慧,路莹,韩强,张刚,姜文龙.石墨烯薄层对有机电致发光器件性能的影响[J].江苏大学学报(自然科学版),2014,03:339-342.
[31]杨滢滢.美国非常规货币政策与中国通货膨胀的研究[D].南京大学,金融学,2013,硕士.
[32]范亚苹.数字信号调制方式的自动识别[D].中国矿业大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[33]李亿.思想政治教育语言艺术研究[D].兰州大学,思想政治教育,2013,硕士.
[34]贺丹.企业社会责任风险控制研究[D].山西财经大学,会计学,2013,硕士.
[35]万舒超.家长式领导、团队认同、关系、团队公民行为作用机制研究[D].浙江大学,2010.
[36]牛鹤丽.加味桂枝汤治疗冠心病稳定型心绞痛的临床疗效观察及对超敏C反应蛋白的影响[D].黑龙江中医药大学,中西医结合心血管内科（专业学位）,2013,硕士.
[37]赵鑫潞.改编曲《进行曲》的音乐结构与演奏实践[D].河北师范大学,艺术,2014,硕士.
[38]孙永兴.粒径可控球形密实银粉的制备研究[D].南京理工大学,材料工程,2012,硕士.
[39]王冬梅.菲茨杰拉德与他的“美国梦”[D].吉林大学,比较文学与世界文学,2004,硕士.
[40]刘冰.齿轮的车齿加工仿真分析[D].西安工业大学,机械电子工程,2014,硕士.
[41]王楠.益气化瘀解毒方内外结合疗法对SPID气虚血瘀证的疗效评价及对模型大鼠抗粘连机制的研究[D].北京中医药大学,中医妇科学,2014,硕士.
[42]李瑞芳.王季同的科学与佛学思想研究[D].华东师范大学,科学技术史,2013,硕士.
[43]王雪莹.20-HETE通过蛋白激酶C和NADPH氧化酶诱导乳鼠心肌细胞凋亡[D].东北师范大学,生理学,2012,硕士.
[44]刘春奎.GX公司内部控制现状及解决方案研究[D].西南交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[45]任俐.室内花卉应用专家系统数据库的研究[D].东北林业大学,2004.
[46]鲁建.长沙新振升集团有限公司信用风险管理研究[D].湖南大学,高级管理人员工商管理（EMBA）,2013,硕士.
[47]王鑫厅,王炜,刘佳慧,梁存柱,张韬.植物种群空间分布格局测定的新方法:摄影定位法[J].植物生态学报,2006,04:571-575.
[48]韩睿斌.主奴辩证法中的“承认”问题探究[D].吉林大学,马克思主义哲学,2013,硕士.
[49]郭晓琳.植物激素诱导的叶根信号传递对黑麦草再生的调控[D].河南科技大学,生态学,2014,硕士.
[50]孙波.恶意页面安全检测系统[D].天津大学,计算机技术,2013,硕士.