基于深度学习的遥感影像语义分割研究

高分辨率遥感图像的语义分割是遥感应用领域中的重要任务之一。针对经典语义分割网络在高分辨率遥感图像语义分割中存在边缘目标分割不准确、多尺度目标分割困难等问题，提出了一种基于改进空洞空间金字塔池的编码器-解码器结构网络(SMANet)。编码部分使用带有注意力机制的残差网络，使得网络充分提取图像的特征信息，其次通过多并行空洞空间金字塔模块（MASPP）获得特征图有关类别和空间上下文的更详细.信息；解码部分以自底向上方式将深层次语义信息逐步融入到低层次高分辨率图像中。使用WHDLD公开数据集对该算法进行实验，获得了6418%的平均交并比，实验结果表明SMANet优于目前主流的语义分割网络。     

基于多尺度特征融合模型的遥感图像建筑物分割

针对传统深度网络模型难以精确提取建筑物边缘轮廓特征及对不同尺寸建筑物无法自适应提取的问题,提出一种膨胀卷积特征提取的多尺度特征融合深度神经网络模型(Multiscale-feature fusion Deep Neural Networks with dilated convolution,MDNNet)对遥感图像建筑物自动分割的方法。首先在ResNet101模型中引入膨胀卷积扩大提取视野保留更多特征图像分辨率;其次利用多尺度特征融合模块获取多个尺度的建筑物特征并将不同尺度的特征融合;最终利用特征解码模块将特征图恢复到原始输入图像尺寸,实现遥感图像建筑物精确分割。在WHU遥感图像数据集的实验结果表明,提出模型有效克服道路、树木和阴影等因素影响,分割结果有效保留建筑物边界细节信息,有效提升分割精度,像素准确率PA达到0.864,平均交并比mIoU达到0.815,召回率Recall达到0.862。     

基于深度学习算法的高分辨率无人机遥感图像自动分割

高分辨率无人机遥感图像自动分割对于图像的目标识别与检测具有重要意义,为提升图像分割精度,提出基于深度学习算法的高分辨率无人机遥感图像自动分割方法。采用直方图均衡化算法增强遥感图像后,构建基于编/解码器架构的深度学习网络语义分割模型,针对增强后的图像,在编码环节中引入残差模块强化对分割目标有效的特征;在解码环节中,采用多尺度融合模块将低层特征的局部细节信息和高层特征的语义信息相融合。同时针对遥感图像内地物类别不均衡的现象,以带权重的交叉熵为模型损失函数,克服模型选择偏好问题,提升模型分割精度。实验结果显示该方法可准确分割遥感图像内不同类型目标,分割精度达到95%以上。     

改进YOLOv5s的遥感图像目标检测

针对遥感图像中感兴趣目标特征不明显、背景信息复杂、小目标居多导致的目标检测精度较低的问题,本文提出了一种改进YOLOv5s的遥感图像目标检测算法（Swin-YOLOv5s）。首先,在骨干特征提取网络的卷积块中加入轻量级通道注意力结构,抑制无关信息的干扰;其次,在多尺度特征融合的基础上进行跨尺度连接和上下文信息加权操作来加强待检测目标的特征提取,将融合后的特征图组成新的特征金字塔;最后,在特征融合的过程中引入Swin Transformer网络结构和坐标注意力机制,进一步增强小目标的语义信息和全局感知能力。将本文提出的算法在DOTA数据集和RSOD数据集上进行消融实验,结果表明,本文提出的算法能够明显提高遥感图像目标检测的平均准确率。     

多模态特征融合的遥感图像语义分割网络

遥感图像语义分割是指通过对遥感图像上每个像素分配语义标签并标注,从而形成分割图的过程,在国土资源规划、智慧城市等领域有着广泛的应用。高分辨率遥感图像存在目标大小尺度不一与阴影遮挡等问题,单一模态下对相似地物和阴影遮挡地物分割较为困难。针对上述问题,提出了将IRRG（infrared、red、green）图像与DSM（digital surface model）图像融合的遥感图像语义分割网络MMFNet。网络采用编码器-解码器的结构,编码层采用双输入流的方式同时提取IRRG图像的光谱特征和DSM图像的高度特征。解码器使用残差解码块（residual decoding block,RDB）提取融合后的特征,并使用密集连接的方式加强特征的传播和复用。提出复合空洞空间金字塔（complex atrous spatial pyramid pooling,CASPP）模块提取跳跃连接的多尺度特征。在国际摄影测量与遥感学会（international society for photogrammetry and remote sensing,ISPRS）提供的Vaihingen和Potsdam数据集上进行了实验,MMFNet分别取得了90.44%和90.70%的全局精确度,相比较与DeepLabV3+、OCRNet等通用分割网络和CEVO、UFMG_4等同数据集专用分割网络具有更高的分割精确度。     

遥感图像语义分割的多特征注意力融合网络

针对高分辨率遥感图像中存在背景复杂、目标大小不一、类间具有相似性的问题，提出一种用于遥感图像语义分割的多特征注意力融合网络(Multi-feature Attention Fusion, MAFNet)。MAFNet基于编码和解码结构，在编码阶段，采用空间金字塔池化获取多尺度的上下文信息，同时融合特征通道之间的关联信息，提高特征图的语义表征能力；在解码阶段，基于注意力机制将高层特征与低层特征自适应地融合，逐级恢复目标的细节特征。在公开的数据集Potsdam和Vaihingen上设计了对比实验，PA值分别达到了89.6%和89.1%,验证了该方法的有效性。     

增强细节的RGB‐IR多通道特征融合语义分割网络

现有基于深度学习的语义分割方法对于遥感图像的地物边缘分割不准确,小地物分割效果较差,并且RGB图像质量也会严重影响分割效果。提出一种增强细节的RGB-IR多通道特征融合语义分割网络MFFNet。利用细节特征抽取模块获取RGB和红外图像的细节特征并进行融合,生成更具区分性的特征表示并弥补RGB图像相对于红外图像所缺失的信息。在融合细节特征和高层语义特征的同时,利用特征融合注意力模块自适应地为每个特征图生成不同的注意力权重,得到具有准确语义信息和突出细节信息的优化特征图。将细节特征抽取模块和特征融合注意力模块结构在同一层级上设计为相互对应,从而与高层语义特征进行融合时抑制干扰或者无关细节信息的影响,突出重要关键细节特征,并在特征融合注意力模块中嵌入通道注意力模块,进一步加强高低层特征有效融合,产生更具分辨性的特征表示,提升网络的特征表达能力。在公开的Postdam数据集上的实验结果表明,MFFNet的平均交并比为70.54%,较MFNet和RTFNet分别提升3.95和4.85个百分点,并且对于边缘和小地物的分割效果提升显著。     

基于改进SSD算法的遥感图像目标检测

在遥感图像目标检测领域,多数目标检测算法针对小目标检测时效果不佳,为此,提出一种多尺度特征融合的遥感图像目标检测算法。利用SSD算法的基础网络进行特征提取,形成特征图金字塔。设计特征图融合模块,融合浅层特征图的位置信息和深层特征图的语义信息,从而保留丰富的上下文信息。设计冗余信息去除模块,通过卷积操作进一步提取特征图中的特征,并对特征信息进行筛选,以减少特征图融合时带来的混叠效应。在遥感图像数据集NWPU VHR-10上的实验结果表明,该算法的平均检测精度高达93.9%,其针对遥感图像小目标的检测性能优于Faster R-CNN和SSD等算法。     

融合深度信息的室内场景分割算法

针对室内复杂场景中, 图像语义分割存在的特征损失和双模态有效融合等问题, 提出了一种基于编码器-解码器架构的融合注意力机制的轻量级语义分割网络. 首先采用两个残差网络作为主干网络分别对RGB和深度图像进行特征提取, 并在编码器中引入极化自注意力机制, 然后设计引入双模态融合模块在不同阶段对RGB特征和深度特征进行有效融合, 接着引入并行聚合金字塔池化以获取区域之间的依赖性. 最后, 采用3个不同尺寸的解码器将前面的多尺度特征图进行跳跃连接并融合解码, 使分割结果含有更多的细节纹理. 将本文提出的网络模型在NYUDv2数据集上进行训练和测试, 并与一些较先进RGB-D语义分割网络对比, 实验证明本文网络具有较好分割性能.     

基于神经网络的遥感图像海陆语义分割方法

针对海陆语义分割中陆地、码头形状多样,背景目标复杂等情况造成的像素分类错误、边界分割模糊等问题,提出了一种新的基于深度卷积神经网络的遥感图像海陆语义分割方法。该方法以端对端的训练方式实现了对目标的逐像素分类,为了解决海陆分割中像素分类错误,设计以不同尺度图像为输入的三个并行的编码结构,通过融合不同尺度的特征图,丰富特征代表算子的语义信息,增大像素分类准确率。为了解决海陆分割中边界分割模糊,通过设计能够融合编码结构中低层精细位置信息的解码结构,对特征图进行更加精确的上采样,恢复像素的密集位置信息,提高海陆分割准确度。为有效验证所提网络框架的优势,构建了海陆分割数据集HRSC2016-SL进行算法性能比较。与最新的语义分割算法相比,所提算法取得了更好的分割结果。     

DeepLab V3+改进的树木图像分割

针对树木图像分割需要预处理、人机交互和分割精度低等问题,提出基于改进的DeepLab V3+的街道树木图像分割方法。在编码端使用带有扩张卷积的扩张残留网络并添加密集连接方式提取中阶特征图,传递给设计有交互信息传递的空洞空间卷积池化金字塔,增强了不同感受野之间的相关性,采用多尺度拼接融合方法形成高阶特征图。在解码端,对多增加的中阶特征图和高阶特征图进行上采样后调整通道数,与低阶特征图进行跨层拼接融合,使高分辨率图像的细节信息得到更好的补充。在自制树木图像分割数据集以及Cityscapes公共数据集上的精度相较DeepLab V3+以及其它主流网络有所提高。     

RGB-D双模态特征融合语义分割

针对复杂室内场景中，现有RGB图像语义分割网络易受颜色、光照等因素影响以及RGB-D图像语义分割网络难以有效融合双模态特征等问题，提出一种基于注意力机制的RGB-D双模态特征融合语义分割网络AMBFNet(attention mechanism bimodal fusion network)。该网络采用编-解码器结构，首先搭建双模态特征融合结构（AMBF）来合理分配编码支路各阶段特征的位置与通道信息，然后设计双注意感知的上下文（DA-context）模块以合并上下文信息，最后通过解码器将多尺度特征图进行跨层融合，以减少预测结果中类间误识别和小尺度目标丢失问题。在SUN RGB-DNYU和NYU Depth v2(NYUDV2)两个公开数据集上的测试结果表明，相较于残差编解码（RedNet）、注意力互补网络（ACNet）、高效场景分析网络（ESANet）等目前较先进的RGB-D语义分割网络，在同等硬件条件下，该网络具有更好的分割性能，平均交并比（MIoU）分别达到了47.9%和50.0%。     

结合注意力机制的HRNet图像语义分割算法

目前主流的语义分割算法中依然存在小尺寸目标丢失、分割不精确等问题，针对这些问题本文基于HRNet网络模型进行改进，融入注意力机制生成更有效的特征图，对于原模型中低分辨率图像直接向高分辨率图像融合而产生的特征图细节不足的问题，提出多级上采样机制，让不同分辨率图像之间的融合方式更平滑从而得到更好的融合效果，同时使用深度可分离卷积减少模型的参数。本文模型全程保持了图像较高的分辨率，保留了特征图的空间信息，提升了对小尺寸目标的分割效果。在PASCAL VOC2012增强版数据集上的mIoU值达到80.87%，和原模型相比，精度提升了1.54个百分点。     

基于双向门控尺度特征融合的遥感场景分类

针对遥感影像数据集的图像在形状、纹理和颜色上存在较大差别,以及因拍摄高度和角度不同存在的尺度差异导致遥感场景分类精度不高的问题,提出利用主动旋转聚合来融合不同尺度的特征,并通过双向门控提高底层特征与顶层特征互补性的特征融合补偿卷积神经网络（FAC-CNN）。该网络利用图像金字塔为原始图像生成不同尺度图像后将其输入到分支网络中来提取多尺度特征,并提出主动旋转聚合的方式来融合不同尺度的特征,使融合后的特征具有方向信息,从而提高模型对不同尺度输入以及不同旋转输入的泛化能力,实现模型分类精度的提升。FAC-CNN比基于VGGNet的注意循环卷积网络（ARCNet-VGGNet）和门控双向网络（GBNet）在西北工业大学遥感场景图像分类数据集（NWPU-RESISC）上准确率分别提升了2.05个百分点与2.69个百分点,在航空影像数据集（AID）上准确率分别提升了3.24个百分点与0.86个百分点。实验结果表明,FAC-CNN能有效解决遥感影像数据集存在的问题,提高遥感场景分类的精度。     

孪生注意力门控融合的遥感图像变化检测编解码网络

针对深度卷积神经网络中特征图分辨率降低，进而导致遥感图像小变化区域检测性能差以及难以有效区分外界干扰而产生伪变化等问题，提出了一种孪生注意力门控融合的遥感图像变化检测编解码网络。在编码部分引入了三重注意力网络模块，为进一步解决变化检测图中产生伪变化的问题，提出了注意力门控融合模块，从多个层次选择性地融合特征，在解码部分直接引入深度监督策略，增强了变化检测网络的特征提取能力。通过实验对本文所提网络的有效性进行了验证。     

一种改进的室内场景语义分割网络

针对目前室内场景语义分割网络无法很好融合图像的RGB信息和深度信息的问题,提出一种改进的室内场景语义分割网络。为使网络能够有选择性地融合图像的深度特征和RGB特征,引入注意力机制的思想,设计了特征融合模块。该模块能够根据深度特征图和RGB特征图的特点,学习性地调整网络参数,更有效地对深度特征和RGB特征进行融合;同时使用多尺度联合训练,加速网络收敛,提高分割准确率。通过在SUNRGB-D和NYUDV2数据集上验证,相比于包含深度敏感全连接条件随机场的RGB-D全卷积神经网络（DFCN-DCRF）、深度感知卷积神经网络（Depth-aware CNN）、多路径精炼网络（RefineNet）等目前主流的语义分割网络,所提网络具有更高的分割精度,平均交并比（mIoU）分别达到46.6%和48.0%。     

MDA-Net:一种结合双路径注意力机制的医学图像分割网络

准确的医学图像分割对于疾病的诊断和治疗规划至关重要,但由于医学图像形态复杂,且图像内不同对象结构差异大,导致其在医学图像分割效果上并不明显.针对这一问题,提出了一种MDA-Net网络,其包含Mobile-NetV2、CAM、PAM这3个模块,以Mobile-NetV2作为骨干网络,提取图片初级信息.通过通道注意力模块(CAM)对每个特征图通道之间所有关联的特征信息加以整理,从而使相互依赖的特征图有选择性地加以突出.位置注意力模块(PAM)通过对每个像素区域进行特征加权和,选择性地聚合每个区域的特征.在解码部分采用转置卷积将骨干网络中的低层次信息和经过CAM、PAM得到的高层次信息进行融合,以此来丰富分割特征图的语义信息.在IBSI数据集和LUNA数据集上的实验效果表明,MDA-Net与其它医学图像分割模型相比,有更好的效果.     

残差密集空间金字塔网络的城市遥感图像分割

目的 遥感图像语义分割是根据土地覆盖类型对图像中每个像素进行分类,是遥感图像处理领域的一个重要研究方向。由于遥感图像包含的地物尺度差别大、地物边界复杂等原因,准确提取遥感图像特征具有一定难度,使得精确分割遥感图像比较困难。卷积神经网络因其自主分层提取图像特征的特点逐步成为图像处理领域的主流算法,本文将基于残差密集空间金字塔的卷积神经网络应用于城市地区遥感图像分割,以提升高分辨率城市地区遥感影像语义分割的精度。方法 模型将带孔卷积引入残差网络,代替网络中的下采样操作,在扩大特征图感受野的同时能够保持特征图尺寸不变;模型基于密集连接机制级联空间金字塔结构各分支,每个分支的输出都有更加密集的感受野信息;模型利用跳线连接跨层融合网络特征,结合网络中的高层语义特征和低层纹理特征恢复空间信息。结果 基于ISPRS （International Society for Photogrammetry and Remote Sensing） Vaihingen地区遥感数据集展开充分的实验研究,实验结果表明,本文模型在6种不同的地物分类上的平均交并比和平均F₁值分别达到69.88%和81.39%,性能在数学指标和视觉效果上均优于SegNet、pix2pix、Res-shuffling-Net以及SDFCN （symmetrical dense-shortcut fully convolutional network）算法。结论 将密集连接改进空间金字塔池化网络应用于高分辨率遥感图像语义分割,该模型利用了遥感图像不同尺度下的特征、高层语义信息和低层纹理信息,有效提升了城市地区遥感图像分割精度。     

无监督纹理遥感图像分形分割仿真

针对无监督纹理遥感图像分形分割时,仅利用光谱信息,没有充分利用遥感图像中的纹理信息造成过分割或是欠分割的问题,提出结合光谱信息和纹理信息的无监督遥感图像分形分割方法。方法首先借助于双边滤波算法建立双边滤波模型,对无监督遥感图像进行平滑处理,利用边缘检测算子获取无监督遥感图像的纹理梯度和光谱梯度,保留遥感图像的纹理信息。将图像纹理梯度和光谱梯度的内积范数作为K-means算法的距离测度,针对K-means算法易陷入局部寻优问题,将遗传算法与K-means算法相结合实现全局寻优,完成无监督纹理遥感图像分形分割。通过在高分辨率遥感图像上的分割对比实验,证明上述方法能充分利用遥感图像的光谱和纹理信息,分割效果良好。     

全卷积神经网络下的多光谱遥感影像分割

目的 传统的遥感影像分割方法需要大量人工参与特征选取以及参数选择,同时浅层的机器学习算法无法取得高精度的分割结果。因此,利用卷积神经网络能够自动学习特征的特性,借鉴处理自然图像语义分割的优秀网络结构,针对遥感数据集的特点提出新的基于全卷积神经网络的遥感影像分割方法。方法 针对遥感影像中目标排列紧凑、尺寸变化大的特点,提出基于金字塔池化和DUC（dense upsampling convolution）结构的全卷积神经网络。该网络结构使用改进的DenseNet作为基础网络提取影像特征,使用空间金字塔池化结构获取上下文信息,使用DUC结构进行上采样以恢复细节信息。在数据处理阶段,结合遥感知识将波段融合生成多源数据,生成植被指数和归一化水指数,增加特征。针对遥感影像尺寸较大、采用普通预测方法会出现拼接痕迹的问题,提出基于集成学习的滑动步长预测方法,对每个像素预测14次,每次预测像素都位于不同图像块的不同位置,对多次预测得到的结果进行投票。在预测结束后,使用全连接条件随机场（CRFs）对预测结果进行后处理,细化地物边界,优化分割结果。结果 结合遥感知识将波段融合生成多源数据可使分割精度提高3.19%;采用基于集成学习的滑动步长预测方法可使分割精度较不使用该方法时提高1.44%;使用全连接CRFs对预测结果进行后处理可使分割精度提高1.03%。结论 针对宁夏特殊地形的遥感影像语义分割问题,提出基于全卷积神经网络的新的网络结构,在此基础上采用集成学习的滑动步长预测方法,使用全连接条件随机场进行影像后处理可优化分割结果,提高遥感影像语义分割精度。