Unsupervised Spatial–Spectral Feature Learning by 3D Convolutional Autoencoder for Hyperspectral Classification

高光谱成像 自编码 模式识别(心理学) 人工智能 计算机科学 特征(语言学) 特征学习 无监督学习 规范化(社会学) 特征提取 卷积神经网络 深度学习 人类学 语言学 哲学 社会学
作者
Shaohui Mei,Jingyu Ji,Yunhao Geng,Zhang Zhi,Li Xu,Qian Du
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:57 (9): 6808-6820 被引量:197
标识
DOI:10.1109/tgrs.2019.2908756
摘要

Feature learning technologies using convolutional neural networks (CNNs) have shown superior performance over traditional hand-crafted feature extraction algorithms. However, a large number of labeled samples are generally required for CNN to learn effective features under classification task, which are hard to be obtained for hyperspectral remote sensing images. Therefore, in this paper, an unsupervised spatial-spectral feature learning strategy is proposed for hyperspectral images using 3-Dimensional (3D) convolutional autoencoder (3D-CAE). The proposed 3D-CAE consists of 3D or elementwise operations only, such as 3D convolution, 3D pooling, and 3D batch normalization, to maximally explore spatial-spectral structure information for feature extraction. A companion 3D convolutional decoder network is also designed to reconstruct the input patterns to the proposed 3D-CAE, by which all the parameters involved in the network can be trained without labeled training samples. As a result, effective features are learned in an unsupervised mode that label information of pixels is not required. Experimental results on several benchmark hyperspectral data sets have demonstrated that our proposed 3D-CAE is very effective in extracting spatial-spectral features and outperforms not only traditional unsupervised feature extraction algorithms but also many supervised feature extraction algorithms in classification application.
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