CN111047525A - Sar遥感图像到光学遥感图像的翻译方法 - Google Patents

Sar遥感图像到光学遥感图像的翻译方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法，在训练阶段，构建包括生成器网络和判别器网络的对抗神经网络；对SAR遥感图像进行预处理，将预处理图像及对应的光学遥感图像构成训练集；根据多幅SAR遥感图像所属的地物不同将训练集分成若干个子集；针对任一子集，将子集中的预处理图像输入到对抗神经网络中，对生成器网络和判别器网络交替训练，得到子集对应的对抗神经网络预测模型；在测试阶段，对待翻译的SAR遥感图像进行预处理，并根据其所属的地物，选择相应的对抗神经网络预测模型；将预处理图像输入到相应的对抗神经网络预测模型中，生成器输出翻译结果；优点是翻译结果的精度高、视觉效果好，且能适用于分辨率较高的SAR遥感图像的翻译。

Description

SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法
技术领域
本发明涉及一种SAR(合成孔径雷达)遥感图像的处理技术，尤其是涉及一种基于对抗神经网络的SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)是主动式遥感成像，其具有不受白天黑夜的影响成像，可以全天候工作等优点，因此，SAR遥感图像目前被广泛应用。
SAR遥感图像与光学遥感图像不同，其反映的是地物的后向散射特性，虽然其更能体现地物的粗糙程度和含水量，具有纹理、形状等特性，但是相比于光学遥感图像，SAR遥感图像的可读性较差，不像光学遥感图像那样直接易懂，解读SAR遥感图像需要专业的知识，如果不是熟悉SAR遥感图像的人，则很难从SAR遥感图像上解读出什么有用的信息。因此，将SAR遥感图像翻译到光学遥感图像有利于解读SAR遥感图像。
然而，由于SAR遥感图像与光学遥感图像的地物特点差异较大，因此将SAR遥感图像翻译生成光学遥感图像极具挑战性。目前，SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法研究相对较少，目前针对该难题，通常先对SAR遥感图像进行分类，再根据光学遥感图像的纹理特点对不同地物类别进行纹理替换，来模拟光学遥感图像。然而，由于生成的纹理精度不高，因此导致这种方法只能适用于分辨率较低的场景中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于对抗神经网络的SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法，其翻译结果的精度高、视觉效果好，其能够适用于分辨率较高的SAR遥感图像的翻译。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法，其特征在于包括训练阶段和测试阶段两个过程；
所述的训练阶段过程的具体步骤为：
步骤1_1：构建一个对抗神经网络：该对抗神经网络包括生成器网络和判别器网络；生成器网络由依次连接的第一卷积层、第二卷积层、第三卷积层、第四卷积层、第五卷积层、第六卷积层、第七卷积层、第八卷积层、第九卷积层、第一反卷积层、第二反卷积层、第三反卷积层、第四反卷积层、第五反卷积层、第六反卷积层、第七反卷积层、第八反卷积层、第九反卷积层组成，第一卷积层的输入端接收待处理的灰度图像，第八卷积层与第二反卷积层之间进行跳跃连接，第七卷积层与第三反卷积层之间进行跳跃连接，第六卷积层与第四反卷积层之间进行跳跃连接，第五卷积层与第五反卷积层之间进行跳跃连接，第四卷积层与第六反卷积层之间进行跳跃连接，第三卷积层与第七反卷积层之间进行跳跃连接，第二卷积层与第八反卷积层之间进行跳跃连接，第一卷积层与第九反卷积层之间进行跳跃连接，第九反卷积层的输出端输出一幅三通道图像；判别器网络由依次连接的第十卷积层、第十一卷积层、第十二卷积层、第十三卷积层、第十四卷积层组成，第十卷积层的输入端接收待处理的灰度图像和一幅三通道图像，第十四卷积层的输出端输出一个数值给sigmoid函数，sigmoid函数输出一个区间[0,1]内的值；
其中，第一卷积层的卷积核的窗口尺寸为5×5、步长为1×1、深度为64，第二卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为64，第三卷积层、第七反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为64，第四卷积层、第六反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为128，第五卷积层、第五反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为256，第六卷积层、第四反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为512，第七卷积层、第八卷积层、第九卷积层、第一反卷积层、第二反卷积层、第三反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为1024，第八反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为64，第九反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为3，第十反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为48，第十一反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为96，第十二反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为192，第十三反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为384，第十四反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为1；
步骤1_2：获取多幅同尺寸的SAR遥感图像及对应的光学遥感图像；然后对每幅SAR遥感图像进行预处理，得到每幅SAR遥感图像的预处理图像；再将多幅SAR遥感图像的预处理图像及对应的光学遥感图像构成训练集；
步骤1_3：根据多幅SAR遥感图像所属的地物的不同，将训练集分成若干个子集，一个子集对应一个地物；
步骤1_4：针对任一个子集，获取该子集对应的对抗神经网络预测模型，具体过程为：将该子集中的每幅光学遥感图像作为标签图像，并将对应的预处理图像作为待处理的灰度图像输入到对抗神经网络中，对生成器网络和判别器网络交替进行训练，训练过程中使用的损失函数为
Figure BDA0002277068410000041
在该子集中的所有预处理图像处理完毕后得到该子集对应的对抗神经网络预测模型；其中，L表示损失函数值，E[]表示数学期望，x表示待处理的灰度图像，y表示标签图像，D(x,y)表示判别器网络的输入为x和y时判别器网络的输出，G(x)表示生成器网络的输入为x时生成器网络的输出，D(x,G(x))表示判别器网络的输入为x和G(x)时判别器网络的输出，λ1和λ2均为权重系数，
Figure BDA0002277068410000042
SSIM(G(x),y)表示G(x)与y的结构相似度值，符号“||||L1”为求L1范数运算符号；
所述的测试阶段过程的具体步骤为：
步骤2_1：对待翻译的SAR遥感图像进行预处理，得到待翻译的SAR遥感图像的预处理图像；
步骤2_2：根据待翻译的SAR遥感图像所属的地物，选择相应的对抗神经网络预测模型；然后将待翻译的SAR遥感图像的预处理图像作为所选择的对抗神经网络预测模型中的生成器的输入，所选择的对抗神经网络预测模型中的生成器输出翻译结果。
所述的步骤1_2中，对每幅SAR遥感图像进行预处理的过程为：首先，对每幅SAR遥感图像进行几何校正；然后，对每幅几何校正后的SAR遥感图像进行LEE滤波处理，将每幅滤波处理后的SAR遥感图像作为预处理图像。
所述的步骤2_1中，对待翻译的SAR遥感图像进行预处理的过程为：首先，对待翻译的SAR遥感图像进行几何校正；然后，对几何校正后的SAR遥感图像进行LEE滤波处理，将滤波处理后的SAR遥感图像作为预处理图像。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明方法在训练阶段构建了一个对抗神经网络，并训练得到对抗神经网络预测模型，在测试阶段直接利用对抗神经网络预测模型对待翻译的SAR遥感图像进行预测，由于对抗神经网络具有更好的拟合能力，因此通过对抗神经网络预测模型能够生成更加精细的翻译结果，翻译结果的精度高、视觉效果好，使得本发明方法能够适用于分辨率较高的SAR遥感图像的翻译。
2)本发明方法对SAR遥感图像进行几何校正，然后再对几何校正后的SAR遥感图像进行LEE滤波处理，LEE滤波处理抑制了SAR遥感图像的相干斑噪声，使得本发明方法在训练阶段能更好地学习到SAR遥感图像中的特征，使得训练得到的对抗神经网络预测模型能生成精度更高的翻译结果。
附图说明
图1为本发明方法的总体实现框图；
图2为本发明方法中构建的对抗神经网络的组成结构示意图；
图3a为一幅SAR遥感图像；
图3b为图3a所示的SAR遥感图像对应的光学遥感图像；
图3c为利用本发明方法对图3a所示的SAR遥感图像进行处理，翻译得到的光学遥感图像。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的一种SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法，其总体实现框图如图1所示，其包括训练阶段和测试阶段两个过程。
所述的训练阶段过程的具体步骤为：
步骤1_1：构建一个对抗神经网络：如图2所示，该对抗神经网络包括生成器网络和判别器网络；生成器网络由依次连接的第一卷积层、第二卷积层、第三卷积层、第四卷积层、第五卷积层、第六卷积层、第七卷积层、第八卷积层、第九卷积层、第一反卷积层、第二反卷积层、第三反卷积层、第四反卷积层、第五反卷积层、第六反卷积层、第七反卷积层、第八反卷积层、第九反卷积层组成，第一卷积层的输入端接收待处理的灰度图像，第八卷积层与第二反卷积层之间进行跳跃连接，第七卷积层与第三反卷积层之间进行跳跃连接，第六卷积层与第四反卷积层之间进行跳跃连接，第五卷积层与第五反卷积层之间进行跳跃连接，第四卷积层与第六反卷积层之间进行跳跃连接，第三卷积层与第七反卷积层之间进行跳跃连接，第二卷积层与第八反卷积层之间进行跳跃连接，第一卷积层与第九反卷积层之间进行跳跃连接，第九反卷积层的输出端输出一幅三通道图像；判别器网络由依次连接的第十卷积层、第十一卷积层、第十二卷积层、第十三卷积层、第十四卷积层组成，第十卷积层的输入端接收待处理的灰度图像和一幅三通道图像，第十四卷积层的输出端输出一个数值给sigmoid函数，sigmoid函数输出一个区间[0,1]内的值。
其中，第一卷积层的卷积核的窗口尺寸为5×5、步长为1×1、深度为64，第二卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为64，第三卷积层、第七反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为64，第四卷积层、第六反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为128，第五卷积层、第五反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为256，第六卷积层、第四反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为512，第七卷积层、第八卷积层、第九卷积层、第一反卷积层、第二反卷积层、第三反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为1024，第八反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为64，第九反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为3，第十反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为48，第十一反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为96，第十二反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为192，第十三反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为384，第十四反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为1。
步骤1_2：获取多幅同尺寸的SAR遥感图像及对应的光学遥感图像；为了消除由大气散射所引起的辐射误差和由卫星姿态变化、地形起伏、地球自转和曲率等因素引起的地球畸变和几何畸变，然后对每幅SAR遥感图像进行预处理，得到每幅SAR遥感图像的预处理图像；再将多幅SAR遥感图像的预处理图像及对应的光学遥感图像构成训练集。
在此具体实施例中，步骤1_2中，对每幅SAR遥感图像进行预处理的过程为：首先，利用ENVI5.3软件对每幅SAR遥感图像进行几何校正；然后，对每幅几何校正后的SAR遥感图像进行LEE滤波处理，将每幅滤波处理后的SAR遥感图像作为预处理图像。
步骤1_3：根据多幅SAR遥感图像所属的地物的不同，将训练集分成若干个子集，一个子集对应一个地物。
步骤1_4：针对任一个子集，获取该子集对应的对抗神经网络预测模型，具体过程为：将该子集中的每幅光学遥感图像作为标签图像，并将对应的预处理图像作为待处理的灰度图像输入到对抗神经网络中，对生成器网络和判别器网络交替进行训练，训练过程中使用的损失函数为
Figure BDA0002277068410000081
在该子集中的所有预处理图像处理完毕后得到该子集对应的对抗神经网络预测模型；其中，L表示损失函数值，E[]表示数学期望，x表示待处理的灰度图像，y表示标签图像，D(x,y)表示判别器网络的输入为x和y时判别器网络的输出，G(x)表示生成器网络的输入为x时生成器网络的输出，D(x,G(x))表示判别器网络的输入为x和G(x)时判别器网络的输出，λ1和λ2均为权重系数，在本实施例中取λ1＝λ2＝100，
Figure BDA0002277068410000082
SSIM(G(x),y)表示G(x)与y的结构相似度值，符号“||||L1”为求L1范数运算符号。
所述的测试阶段过程的具体步骤为：
步骤2_1：对待翻译的SAR遥感图像进行预处理，得到待翻译的SAR遥感图像的预处理图像。
在此具体实施例中，步骤2_1中，对待翻译的SAR遥感图像进行预处理的过程为：首先，利用ENVI5.3软件对待翻译的SAR遥感图像进行几何校正；然后，对几何校正后的SAR遥感图像进行LEE滤波处理，将滤波处理后的SAR遥感图像作为预处理图像。
步骤2_2：根据待翻译的SAR遥感图像所属的地物，选择相应的对抗神经网络预测模型；然后将待翻译的SAR遥感图像的预处理图像作为所选择的对抗神经网络预测模型中的生成器的输入，所选择的对抗神经网络预测模型中的生成器输出翻译结果。
为了进一步说明本发明方法的有效性和可行性，对本发明方法进行实验。
SAR遥感图像来源于哨兵一号卫星数据，对应的光学遥感图像来源于哨兵二号卫星数据，并由慕尼黑理工大学的M.Schmitt进行配对整理，构成数据集，数据集包括13000幅SAR遥感图像及对应的光学遥感图像。从数据集中随机选取3000幅SAR遥感图像，对这3000幅SAR遥感图像进行预处理，将3000幅预处理图像及对应的光学遥感图像构成训练集；将数据集中剩下的10000幅SAR遥感图像及对应的光学遥感图像构成测试集。在训练阶段，设置训练周期为200。
使用SSIM和PSNR两种客观评价指标对实验结果进行分析。利用本发明方法对测试集中的每幅SAR遥感图像进行翻译，在测试集的生成结果中，平均SSIM值达到0.3530，SSIM值的95％置信区间为(0.348，0.358)；平均PSNR值达到17.6747，PSNR值的95％置信区间为(17.551，17.798)，这充分说明了利用本发明方法得到的翻译结果的精度高。
图3a给出了测试集中的一幅SAR遥感图像；图3b给出了图3a所示的SAR遥感图像对应的光学遥感图像；图3c给出了利用本发明方法对图3a所示的SAR遥感图像进行处理，翻译得到的光学遥感图像。对比图3b和图3c，可以看出利用本发明方法得到的翻译结果的视觉效果好。

Claims (3)

1.一种SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法，其特征在于包括训练阶段和测试阶段两个过程；
所述的训练阶段过程的具体步骤为：
步骤1_1：构建一个对抗神经网络：该对抗神经网络包括生成器网络和判别器网络；生成器网络由依次连接的第一卷积层、第二卷积层、第三卷积层、第四卷积层、第五卷积层、第六卷积层、第七卷积层、第八卷积层、第九卷积层、第一反卷积层、第二反卷积层、第三反卷积层、第四反卷积层、第五反卷积层、第六反卷积层、第七反卷积层、第八反卷积层、第九反卷积层组成，第一卷积层的输入端接收待处理的灰度图像，第八卷积层与第二反卷积层之间进行跳跃连接，第七卷积层与第三反卷积层之间进行跳跃连接，第六卷积层与第四反卷积层之间进行跳跃连接，第五卷积层与第五反卷积层之间进行跳跃连接，第四卷积层与第六反卷积层之间进行跳跃连接，第三卷积层与第七反卷积层之间进行跳跃连接，第二卷积层与第八反卷积层之间进行跳跃连接，第一卷积层与第九反卷积层之间进行跳跃连接，第九反卷积层的输出端输出一幅三通道图像；判别器网络由依次连接的第十卷积层、第十一卷积层、第十二卷积层、第十三卷积层、第十四卷积层组成，第十卷积层的输入端接收待处理的灰度图像和一幅三通道图像，第十四卷积层的输出端输出一个数值给sigmoid函数，sigmoid函数输出一个区间[0,1]内的值；
其中，第一卷积层的卷积核的窗口尺寸为5×5、步长为1×1、深度为64，第二卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为64，第三卷积层、第七反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为64，第四卷积层、第六反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为128，第五卷积层、第五反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为256，第六卷积层、第四反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为512，第七卷积层、第八卷积层、第九卷积层、第一反卷积层、第二反卷积层、第三反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为1024，第八反卷积层的卷积核的窗口尺寸为4×4、步长为2×2、深度为64，第九反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为3，第十反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为48，第十一反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为96，第十二反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为192，第十三反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为384，第十四反卷积层的卷积核的窗口尺寸为3×3、步长为1×1、深度为1；
步骤1_2：获取多幅同尺寸的SAR遥感图像及对应的光学遥感图像；然后对每幅SAR遥感图像进行预处理，得到每幅SAR遥感图像的预处理图像；再将多幅SAR遥感图像的预处理图像及对应的光学遥感图像构成训练集；
步骤1_3：根据多幅SAR遥感图像所属的地物的不同，将训练集分成若干个子集，一个子集对应一个地物；
步骤1_4：针对任一个子集，获取该子集对应的对抗神经网络预测模型，具体过程为：将该子集中的每幅光学遥感图像作为标签图像，并将对应的预处理图像作为待处理的灰度图像输入到对抗神经网络中，对生成器网络和判别器网络交替进行训练，训练过程中使用的损失函数为
Figure FDA0002277068400000021
在该子集中的所有预处理图像处理完毕后得到该子集对应的对抗神经网络预测模型；其中，L表示损失函数值，E[]表示数学期望，x表示待处理的灰度图像，y表示标签图像，D(x,y)表示判别器网络的输入为x和y时判别器网络的输出，G(x)表示生成器网络的输入为x时生成器网络的输出，D(x,G(x))表示判别器网络的输入为x和G(x)时判别器网络的输出，λ1和λ2均为权重系数，
Figure FDA0002277068400000031
SSIM(G(x),y)表示G(x)与y的结构相似度值，符号“|| ||L1”为求L1范数运算符号；
所述的测试阶段过程的具体步骤为：
步骤2_1：对待翻译的SAR遥感图像进行预处理，得到待翻译的SAR遥感图像的预处理图像；
步骤2_2：根据待翻译的SAR遥感图像所属的地物，选择相应的对抗神经网络预测模型；然后将待翻译的SAR遥感图像的预处理图像作为所选择的对抗神经网络预测模型中的生成器的输入，所选择的对抗神经网络预测模型中的生成器输出翻译结果。
2.根据权利要求1所述的SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法，其特征在于所述的步骤1_2中，对每幅SAR遥感图像进行预处理的过程为：首先，对每幅SAR遥感图像进行几何校正；然后，对每幅几何校正后的SAR遥感图像进行LEE滤波处理，将每幅滤波处理后的SAR遥感图像作为预处理图像。
3.根据权利要求1所述的SAR遥感图像到光学遥感图像的翻译方法，其特征在于所述的步骤2_1中，对待翻译的SAR遥感图像进行预处理的过程为：首先，对待翻译的SAR遥感图像进行几何校正；然后，对几何校正后的SAR遥感图像进行LEE滤波处理，将滤波处理后的SAR遥感图像作为预处理图像。
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