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基于KNN的地基可见光云图分类方法

朱彪 杨俊 吕伟涛 陈丽英 马颖 姚雯 张义军

朱彪, 杨俊, 吕伟涛, 等. 基于KNN的地基可见光云图分类方法. 应用气象学报, 2012, 23(6): 721-728..
引用本文: 朱彪, 杨俊, 吕伟涛, 等. 基于KNN的地基可见光云图分类方法. 应用气象学报, 2012, 23(6): 721-728.
Zhu Biao, Yang Jun, Lü Weitao, et al. Ground-based visible cloud image classification method based on KNN algorithm. J Appl Meteor Sci, 2012, 23(6): 721-728.
Citation: Zhu Biao, Yang Jun, Lü Weitao, et al. Ground-based visible cloud image classification method based on KNN algorithm. J Appl Meteor Sci, 2012, 23(6): 721-728.

基于KNN的地基可见光云图分类方法

资助项目: 

中国气象科学研究院基本科研业务费项目 2011Z002

国家自然科学基金项目 41105121

国家自然科学基金项目 41105122

详细信息
    通信作者:

    朱彪, E-mail: zhubiao0502@163.com

Ground-based Visible Cloud Image Classification Method Based on KNN Algorithm

  • 摘要: 云图的自动分类是实现地基云自动化观测的技术保障。该文探讨了一种先将云图分为积状云、层状云和卷云3大类的分类方案,通过对3大云类和晴空这4种天空类型的纹理特征、颜色特征和形状特征进行分析,选取了21个特征参量,并采用K最近邻分类器 (K-Nearest Neighbor,KNN), 在不同的K取值情况下对这几类天空类型进行了分类识别。结果表明:新的分类方案是可行的,且当纹理特征、颜色特征和形状特征结合使用时获取了比单独利用纹理特征、颜色特征和形状特征以及它们两两组合时更好的识别效果。当K=7且使用21个特征参量时,KNN算法对积状云、层状云、卷云和晴空的识别最好, 识别正确率分别为91.1%,74.4%,70.0%和100.0%,平均正确率为83.9%。
  • 图  1  提取纹理、颜色和形状特征量识别率统计分布

    Fig. 1  Statistical distribution of recognition rate when the texture features are used in conjunction with shape and shape features

    图  2  几种典型的误分类情况

    (a) 积状云误判为层状云, (b) 层状云误判为积状云, (c) 卷云误判为积状云

    Fig. 2  Typical misclassification

    (a) cumulus are mistaken for stratus, (b) stratus are mistaken for cumulus, (c) cirrus are mistaken for cumulus

    表  1  云图分类表

    Table  1  Types of cloud image

    分类 积状云 层状云 卷云
    高云 卷积云 卷层云 卷云
    中云 高积云
    (蔽光高积云除外)
    高层云,
    蔽光高积云
    低云 积云,积雨云,
    积云性层积云,堡状层
    积云,荚状层积云
    层云,雨层云,
    透光层积云,
    蔽光层积云
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    表  2  云图特征量平均值统计表

    Table  2  Average values of characteristic parameters

    特征量 积状云 层状云 卷云 晴空
    Tamura粗糙度 0.8911 0.8697 0.8652 0.6877
    Tamura对比度 0.3967 0.2079 0.2737 0.0941
    Tamura方向度 0.4167 0.3057 0.3776 0.0398
    GLCM对比度 0.1865 0.1535 0.1614 0.1471
    GLCM相关 0.9774 0.9282 0.9617 0.7906
    GLCM能量 0.3464 0.5426 0.4382 0.7296
    GLCM局部平稳 0.9841 0.9869 0.9862 0.9930
    GLCM熵 0.4183 0.5546 0.3698 0.2945
    色调 (一阶分量) 0.5987 0.3735 0.6377 0.6628
    饱和度 (一阶分量) 0.3237 0.1717 0.4548 0.6817
    亮度 (一阶分量) 0.6561 0.7358 0.6617 0.6565
    色调 (二阶分量) 0.2154 0.2841 0.0985 0.0070
    饱和度 (二阶分量) 0.4041 0.1201 0.3183 0.0996
    亮度 (二阶分量) 0.4429 0.2905 0.2790 0.1488
    不变矩1 0.6811 0.6798 0.6990 0.7125
    不变矩2 0.2807 0.3230 0.3148 0.3017
    不变矩3 0.3445 0.2352 0.3579 0.2435
    不变矩4 0.2943 0.2036 0.3063 0.2067
    不变矩5 0.3256 0.2177 0.3106 0.2135
    不变矩6 0.0097 0.0153 0.0096 0.0140
    不变矩7 0.2382 0.1528 0.2355 0.1740
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    表  3  K=5时,提取纹理特征量的分类混淆矩阵

    Table  3  Confusion matrix using texture features alone when K is set to 5

    天空类型 积状云 层状云 卷云 晴空
    积状云 57.8%(52) 21.1%(19) 21.1%(19) 0.0%(0)
    层状云 7.8%(7) 72.2%(65) 13.3%(12) 6.7%(6)
    卷云 25.6%(23) 22.2%(20) 51.1%(46) 1.1%(1)
    晴空 1.1%(1) 10.0%(9) 1.1%(1) 87.8%(79)
     注:括号内为相应的样本数。
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    表  4  K=11时,提取颜色特征量的分类混淆矩阵

    Table  4  Confusion matrix using color features alone when K is set to 11

    天空类型 积状云 层状云 卷云 晴空
    积状云 82.2%(74) 5.6%(5) 12.2%(11) 0.0%(0)
    层状云 11.1%(10) 77.8%(70) 10.0%(9) 1.1%(1)
    卷云 24.4%(22) 8.9%(8) 58.9%(53) 7.8%(7)
    晴空 0.0%(0) 0.0%(0) 1.1%(1) 98.9%(89)
     注:括号内为相应的样本数。
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    表  5  K=1时,提取形状特征量的分类混淆矩阵

    Table  5  Confusion matrix using shape features alone when K is set to 1

    天空类型 积状云 层状云 卷云 晴空
    积状云 32.2%(29) 28.9%(26) 31.1%(28) 7.8%(7)
    层状云 20.0%(18) 41.1%(37) 18.9%(17) 20.0%(18)
    卷云 26.7%(24) 21.1%(19) 35.6%(32) 16.7%(15)
    晴空 3.3%(3) 15.6%(14) 13.3%(12) 67.8%(61)
     注:括号内为相应的样本数。
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    表  6  K=51时,提取纹理和颜色特征量的分类混淆矩阵

    Table  6  Confusion matrix when the texture features are used in conjunction with color features and K is set to 51

    天空类型 积状云 层状云 卷云 晴空
    积状云 86.7%(78) 6.7%(6) 6.7%(6) 0.0%(0)
    层状云 11.1%(10) 76.7%(69) 11.1%(10) 1.1%(1)
    卷云 23.3%(21) 6.7%(6) 68.9%(62) 1.1%(1)
    晴空 0.0%(0) 0.0%(0) 1.0%(1) 98.9%(89)
     注:括号内为相应的样本数。
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    表  7  K=31时,提取纹理和形状特征量的分类混淆矩阵

    Table  7  Confusion matrix when the texture features are used in conjunction with shape features and K is set to 31

    天空类型 积状云 层状云 卷云 晴空
    积状云 61.1%(55) 21.1%(19) 17.8%(16) 0.0%(0)
    层状云 8.9%(8) 65.6%(59) 17.8%(16) 7.8%(7)
    卷云 22.2%(20) 18.9%(17) 55.6%(50) 3.3%(3)
    晴空 0.0%(0) 7.8%(7) 2.2%(2) 90.0%(81)
     注:括号内为相应的样本数。
    下载: 导出CSV

    表  8  K=31时,提取颜色和形状特征量的分类混淆矩阵

    Table  8  Confusion matrix when the color features are used in conjunction with shape features and K is set to 31

    天空类型 积状云 层状云 卷云 晴空
    积状云 88.9%(80) 4.4%(4) 6.7%(6) 0.0%(0)
    层状云 12.2%(11) 76.7%(69) 10.0%(9) 1.1%(1)
    卷云 16.7%(15) 11.1%(10) 63.3%(57) 8.9%(7)
    晴空 0.0%(0) 0.0%(0) 6.6%(6) 93.4%(84)
     注:括号内为相应的样本数。
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    表  9  K=7时,提取纹、颜色和形状特征量的分类混淆矩阵

    Table  9  Confusion matrix when the texture features are used in conjunction with color and shape features and K is set to 7

    天空类型 积状云 层状云 卷云 晴空
    积状云 91.1%(82) 5.6%(5) 3.3%(3) 0.0%(0)
    层状云 12.2%(11) 74.4%(67) 11.1%(10) 2.2%(2)
    卷云 20.0%(18) 7.8%(7) 70.0%(63) 2.2%(2)
    晴空 0.0%(0) 0.0%(0) 0.0%(0) 100.0%(90)
     注:括号内为相应的样本数。
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-02-14
  • 修回日期:  2012-08-03
  • 刊出日期:  2012-12-31

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