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专利号: 2018114116726
申请人: 西安建筑科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.粒子群优化多核支持向量回归的光谱反射率重建方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,采集多光谱图像获取通道响应G数据,利用分光光度计获取光谱反射率数据,建立数据集;

步骤2,通过样本选取方法确定训练样本个数;

步骤3,构造多核核函数;

所述多核核函数的构造过程是:

3.1),根据光谱数据本身具有高维度、小样本、数据不规则的特点,分别利用全局核函数和局部核函数对RAL色卡的反射率进行重建;

3.2),根据步骤3.1)的重建结果,分析每个核函数的重建精度;

3.3),根据步骤3.2)每个核函数的重建精度分析结果,结合全局核函数和局部核函数的特点,选择出:

多项式核函数:

t d

K(x,y)=(xy+1)   (1)t

式中,x,y为n维输入值,x为输入向量x的转置,d为多项式核函数的阶数;

柯西核函数:

式中,x,y为n维输入值,σ为柯西核函数的宽度;

将式(1)和式(2)的函数进行非线性组合,构造出具有泛化能力和学习能力的多核核函数:

式中,d为多项式核函数的阶数,柯西核函数的宽度为σ,其中σ主要控制各个支持向量之间的关联关系,Kcp为本发明多核核函数的表示;

建立支持向量回归模型,根据回归决策函数公式中, 和 是拉格朗日乘子,b为偏移量,SV为支持向量;

利用粒子群优化方法优化参数,对多项式核函数的阶数d、柯西核函数的宽度σ进行优化,同时对支持向量回归模型中的惩罚因子C进行优化;

结合经过粒子群优化方法优化参数后的多核核函数,得到最终的回归决策函数:步骤3,利用最终的回归决策函数对反射率进行重建,并与所述步骤1中的反射率数据进行对比分析。

2.根据权利要求1所述的粒子群优化多核支持向量回归的光谱反射率重建方法,其特征在于,所述步骤1中建立数据集的具体过程是:将分光光度计对准RAL色卡每个色块,测取光谱反射率数据;利用多光谱成像设备,获取每个色块的多光谱图像,从而获取每个通道下图像的响应值G数据。

3.根据权利要求1所述的粒子群优化多核支持向量回归的光谱反射率重建方法,其特征在于,所述利用粒子群优化方法优化参数的具体过程是:每个待优化问题解都是搜索空间中的“粒子”,每个粒子都有自身适应度和记忆功能,可判断当前位置的好坏程度并记录所搜索到的最佳位置,通过与其它粒子之间的协作与信息传递,使整体粒子达到最佳适应的位置,用数学模型表示为:vi(k+1)=w*vi(k)+c1*rand()*(Pibest‑xi(k))+c2*rand()*(gbest‑xi(k))xi(k+1)=xi(k)+vi(k+1)    (6)其中vi(k)、vi(k+1)、xi(k)、xi(k+1)分别是第i个粒子当前时刻、下一时刻的速度和位置;rand()是[0,1]之间的随机数,c1、c2是学习因子,分别表示粒子的自我认知和社会认知能力,通常值取为2;w为惯性权值;当前时刻的个体极值记为Pibest,全局极值记为gbest;

4.1)初始化粒子群,多核函数Kcp与支持向量回归函数SVR中的待优化参数(d,σ,C)作为搜索空间的一个粒子,随机化粒子的速度和位置,设定粒子群规模、最大迭代次数以及学习因子、惯性权重;采用粒子群优化算法对以上待优化参数进行优化;

4.2)计算适应度,适应度函数表示为 每个粒子的当前适应值与其个体极值Pibest进行对比;若当前MSE值较高,则用当前位置更新其个体极值Pibest所在位置,否则保留原值;同理,确定全局极值gbest最佳位置;

4.3)更新,根据式(6)更新每个粒子的速度与位置;

4.4)判断是否满足终止条件,算法达到最大迭代次数或者所得解不再发生变化就终止迭代,否则返回步骤4.3);

4.5)根据步骤4.4)获得最优参数值,作为最终回归决策函数的参数。

4.根据权利要求1所述的粒子群优化多核支持向量回归的光谱反射率重建方法,其特征在于,建立支持向量回归模型的具体过程是:训练样本集为S={(x1,y1),...,(xi,yi)},n

其中xi∈R 为输入向量,yi∈R为对应的输出值,在引入损失函数ε的基础上,寻找一个回归超平面函数f(x)=ω·x+b;其中,ω·x表示为内积运算,ω为权值系数向量,b为偏移量;为了确定ω、b值,通过最小化正则风险函数原则,转化为求目标函数最优化问题:式中,C是支持向量回归模型中的惩罚因子,它决定了函数光滑程度与函数值误差超过ε管道的样本点数目之间的平衡,从而使所建立的模型达到最好的推广性;ξi, 为松弛因子,即允许存在不满足约束条件的训练样本存在;上式(7)为一个凸二次规划问题,为了求解引入拉格朗日函数:

式中, 、 γi、 为拉格朗日乘子,由上式可得到如下对偶问题:求解式(9)得到最优的拉格朗日乘子 、 当乘子 , 时,所对应的样本称为支持向量Support Vector,即SV;由支持向量计算出偏移量b,即,为了计算的可靠性,对支持向量分别求b值,然后求他们的平均值,即有,式中,NNSV为标准支持向量的个数,得到的回归决策函数为:根据式(4)可知,核函数是影响回归决策函数的因素之一,根据不同的问题环境,核函数的针对性、选择性及适应性也不同,从而导致决策函数回归预测的效果有所差异;为使决策函数既具有全局性又具有局部性,在支持向量回归机中引入多核核函数;因此,式(4)引入粒子群优化方法优化参数后的多核核函数,得到最终的回归决策函数为: