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一种面向数据不足与类别不平衡的高光谱图像分类的谱-空依赖全局学习框架

Qiqi Zhu Weihuan Deng Zhuo Zheng Yanfei Zhong Qingfeng Guan Weihua Lin Liangpei Zhang Deren Li

摘要

深度学习技术已广泛应用于高光谱图像(HSI)分类,并取得了显著成果。然而,深度神经网络模型通常具有庞大的参数空间,且需要大量标注数据。现有的HSI分类深度学习方法多采用基于局部图像块(patchwise)的学习框架。近期,一种基于全局空间上下文信息的快速无块全局学习(Fast Patch-Free Global Learning, FPGA)架构被提出,用于HSI分类。然而,当样本数据存在不平衡时,FPGA在提取最具判别性的特征方面仍面临挑战。本文提出一种基于全局卷积长短期记忆网络(Global Convolutional Long Short-Term Memory, GCL)与全局联合注意力机制(Global Joint Attention Mechanism, GJAM)的光谱-空间依赖全局学习(Spectral-Spatial Dependent Global Learning, SSDGL)框架,以应对高光谱图像分类中样本不足与数据不平衡的问题。在SSDGL框架中,提出了分层平衡(Hierarchically Balanced, H-B)采样策略与加权Softmax损失函数,以有效缓解样本不平衡问题。为更好地区分不同地物类型间相似的光谱特征,引入GCL模块,用于捕捉光谱特征的长短期依赖关系。为进一步学习最具判别性的特征表示,设计了GJAM模块,以自动识别关键注意力区域。在三个公开高光谱图像数据集上的实验结果表明,SSDGL在样本不足与数据不平衡条件下均展现出强大的分类性能,优于现有多种先进方法。代码已开源,获取地址为:https://github.com/dengweihuan/SSDGL


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