CN113239786A - 基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,包括步骤:对样本集中的遥感影像进行处理,制作训练样本;搭建乡村别墅识别与提取网络模型;将训练样本输入所述乡村别墅识别与提取网络模型,得到训练后的识别与提取网络模型;将待识别的遥感影像输入训练后的识别与提取网络模型,并将其输出的数据与待识别的遥感影像进行叠加,获得乡村别墅识别与提取结果。其显著效果是:将深度特征提取、特征金字塔网络、编码—解码转换机制、目标候选区生成、目标检测与分割过程都融入到一个端到端的深度网络模型中,对于遥感图像乡村别墅识别与提取,具有良好的识别与提取效果。
Description
技术领域
本发明涉及到目标识别、图像分割技术领域,具体涉及一种基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法。
背景技术
随着遥感卫星、传感器技术的飞速发展,遥感技术已经进入迅猛发展的阶段,卫星对地观测能力大幅提高,对遥感图像中目标识别与提取的研究已经成为图像处理工程的一个热点。遥感图像分割技术是提取遥感图像中各种目标的重要手段,分割的主要目的是将高分辨遥感图像中的每个像素划分为不同的类别,达到像素级的分类效果,准确获取乡村别墅信息,对城市规划、资源勘探有着重要的作用。
然而,传统的图像分割方法只能在特定环境下具有较好的识别与提取效果,传统的分割方法只考虑像素点灰度值本身的特征,一般不考虑空间特征,因此对噪声比较敏感,鲁棒性不高。对于像遥感图像这样复杂的图像,阈值分割的效果并不理想,遥感图像中的乡村别墅具有丰富的空间特征,如何利用这些空间特征信息将影响识别与提取效果。传统分割方法在分割时会引入很多没有意义的阴影或区域,有的甚至会出现噪声点,对分割效果造成干扰,无法精准地区分前景目标和背景。同时,传统的图像分割方法大多利用图像的表层信息,遥感图像所包含的信息量远大于普通图像,遥感图像中的目标更小、边界更模糊,整幅遥感图像的分辨率又更大,给分割带来了更大的难度,传统的图像分割方法难以适用于遥感图像中乡村别墅的识别与提取。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,以蒙版分割网络为基础,在此基础上改进了骨干网络,在骨干网络中增加多尺度特征提取模块,将编码—解码转换机制应用于对特征金字塔,并将深度增强学习应用于目标定位,能够显著提高遥感图像中乡村别墅识别与提取的精度。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,其关键在于包括如下步骤:
步骤1、对样本集中的遥感影像进行处理,制作训练样本;
步骤2、搭建包括特征提取网络模块、转换特征金字塔模块、区域建议网络模块、感兴趣区域对齐层模块以及全卷积网络模块的乡村别墅识别与提取网络模型,其中:
所述特征提取网络模块用于提取遥感影像中乡村别墅的多尺度特征;
所述转换特征金字塔模块用于将提取出的多尺度特征进行多方向特征增强,并对增强后的特征按尺寸进行排序,将相同大小的特征拼接到一起,同时通过卷积将增强后的特征维度恢复到输入时的相同维度;
所述区域建议网络模块用于生成锚框和提取出感兴趣区域;
所述感兴趣区域对齐层模块用于采用非线性插值法,将区域建议网络模块提取的感兴趣区域与特征提取网络模块提取的特征图中对应区域进行对齐处理;
所述全卷积网络模块用于从感兴趣区域预测分割掩膜,并采用分割掩膜对区域建议网络模块提取的感兴趣区域进行分类和边界框定位;
步骤3、将训练样本输入所述乡村别墅识别与提取网络模型,得到训练后的识别与提取网络模型;
步骤4、将待识别的遥感影像输入训练后的识别与提取网络模型,并将其输出的数据与待识别的遥感影像进行叠加,获得乡村别墅识别与提取结果。
进一步的,所述训练样本的具体制作过程为:
a)选择数据源,并从数据源中获取样本集;
b)使用ArcGIs软件对样本集中的遥感影像进行标注,标签格式为黑白二值图;
c)将标注好的遥感影像裁剪至所需大小;
d)将黑白二值图标签格式转为coco格式,获得训练样本。
进一步的,所述训练样本由训练集和测试集构成,所述训练集用于训练构建的乡村别墅识别与提取网络模型,所述测试集用于评估训练后所述乡村别墅识别与提取网络模型的性能。
进一步的,所述特征提取网络模块进行多尺度特征提取时的形式为:
进一步的,所述特征提取网络模块进行多尺度特征提取时包括分离操作和链接操作,所述分离操作用于将特征分组,所述连接操作则用于将不同的特征进行融合并增强不同组的信息交互。
进一步的,所述多方向特征增强包括对多尺度特征中每层特征分别进行当前层的增强、自上而下将高层特征用于低层特征的增强、自下而上将低层特征用于高层特征的增强。
本发明的显著效果是:
第一,提出了一种多尺度特征提取模块,该模块以蒙版分割网络为基础,在骨干网络加入多尺度特征提取模块提取乡村别墅多尺度特征信息,从而可以提供更充分的感受野,可以高效的提取多尺度特征,进而提升图像分割的性能,增强模型鲁棒性,有效提高了遥感图像中乡村别墅识别与提取的精度。
第二,将编码—解码转换机制应用于对特征金字塔,设计了三种特征增强操作,分别对当前层进行增强、自上而下将高层特征用于低层特征的增强、自下而上将低层特征用于高层特征的增强,从而能够进一步的提高遥感图像中乡村别墅识别与提取的精度。
第三,将增强学习与遥感图像分割结合,将遥感图像中乡村别墅的目标定位转化为马尔科夫决策过程,并采用先验经验训练识别与提取模型,收敛速度快且能够避免局部最优。
第四,本发明将深度特征提取、特征金字塔网络、编码—解码转换机制、目标候选区生成、目标检测与分割过程都融入到一个端到端的深度网络模型中,对于遥感图像乡村别墅识别与提取,具有良好的识别与提取效果。
附图说明
图1是本发明的方法流程图;
图2是所述乡村别墅识别与提取模型的结构示意图;
图3是所述特征提取网络模块的结构示意图;
图4是所述转换特征金字塔模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图1所示,一种基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,具体步骤如下:
步骤1、对样本集中的遥感影像进行处理,制作训练样本;
本例中,所述训练样本的具体制作过程为:
a)以重庆地理信息和遥感应用中心提供的重庆市各区县2019年遥感影像为数据源,并从数据源中获取样本集;
b)使用ArcGIs软件对样本集中的遥感影像进行标注,标签格式为黑白二值图;
c)将标注好的遥感影像裁剪为1024x1024大小;
d)将黑白二值图标签格式转为coco格式,获得训练样本。
优选的,所述训练样本由训练集和测试集构成,所述训练集用于训练构建的乡村别墅识别与提取网络模型,所述测试集用于评估训练后所述乡村别墅识别与提取网络模型的性能。
步骤2、基于蒙版分割网络,搭建包括特征提取网络模块、转换特征金字塔模块、区域建议网络模块、感兴趣区域对齐层模块以及全卷积网络模块的乡村别墅识别与提取网络模型,如图2所示,具体的:
a)以残差模块构成的特征提取网络为骨干网络,加入多尺度特征提取模块从而构建特征提取网络模块,如图3所示,所述特征提取网络模块用于提取遥感影像中乡村别墅的多尺度特征;
该模块可以提供更充分的感受野,可以高效的提取多尺度特征,进而提升图像分割的性能,增强模型鲁棒性。经过1×1卷积后,特征被分成n组,每组具有同等的通道数。每组特征xi将被送入到3×3卷积fi(),输出特征表示为yi,将yi继续拆分并将yi,2与下一组的xi+1一起送入fi+1()。最终的输出特征中小感受野可以聚焦于细节部分,这对于小目标识别很重要,而大感受野特征有助于捕获大目标。
如图3所示,该模块有两个关键操作分离(split)和连接(concat),分离操作用于将特征分组,分离后的两组特征一部分用于恒等映射,一部分用于提取更精细的特征,连接操作则用于将不同的特征进行融合并增强不同组的信息交互。
通过控制组数与通道数约束参数量和计算量。更大的组数意味着更强的多尺度提取性能,而更多的通道数则意味着更丰富的特征,上述特征提取网络模块进行多尺度特征提取时,可以描述成如下形式:
b)搭建如图4所示的转换特征金字塔模块(TFN),所述转换特征金字塔模块(TFN)用于特征金字塔的高效特征交互,将特征金字塔作为输入,进行多方向特征增强,并对增强后的多个特征按尺寸进行排序,将相同大小的特征拼接到一起,同时通过卷积将增强后的特征维度恢复到输入时的相同维度;
具体的,所述多方向特征增强包括对多尺度特征中每层特征分别进行当前层的增强(A-Transformer)、自上而下将高层特征用于低层特征的增强(B-Transformer)、自下而上将低层特征用于高层特征的增强(B-Transformer),从而得到多个增强后的特征。
c)所述区域建议网络模块用于通过softmax函数和增强学习定位操作,生成锚框和提取出感兴趣区域;
d)所述感兴趣区域对齐层模块用于采用非线性插值法,将区域建议网络模块提取的感兴趣区域与特征提取网络模块提取的特征图中对应区域进行对齐处理,从而对区域建议网络模块筛选的感兴趣区域进行分类和边界框的回归,并使用全卷积网络模块从感兴趣区域预测分割掩膜。
通过上述的乡村别墅识别与提取网络模型,将遥感图像乡村别墅的目标定位转化为马尔科夫决策过程,采用先验经验训练智能体。乡村别墅识别与提取模型目标定位过程从起始位置,在每个动作决策时刻,智能体基于决策策略从动作集合中选取动作,依据动作状态进行变化转移,直至目标定位完成,目标检测过程的状态由两部分构成:定位智能体所观察到的图像当前区域和定位智能体的历史动作,并使用全卷积网络从感兴趣区域预测分割掩膜实现分类和边界框定位。
步骤3、设置初始参数,将训练样本中的训练集输入所述乡村别墅识别与提取网络模型,并通过不断调整参数,得到一个性能较好的乡村别墅识别与提取网络模型,之后用测试集来评估该模型的性能,直到获得所需性能的训练后的识别与提取网络模型;
步骤4、将待识别的遥感影像输入训练后的识别与提取网络模型,生成shp文件,把生成的shp文件通过ArcGIs软件与待识别的遥感影像进行叠加,获得乡村别墅识别与提取结果。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1、对样本集中的遥感影像进行处理,制作训练样本;
步骤2、搭建包括特征提取网络模块、转换特征金字塔模块、区域建议网络模块、感兴趣区域对齐层模块以及全卷积网络模块的乡村别墅识别与提取网络模型,其中:
所述特征提取网络模块用于提取遥感影像中乡村别墅的多尺度特征;
所述转换特征金字塔模块用于将提取出的多尺度特征进行多方向特征增强,并对增强后的特征按尺寸进行排序,将相同大小的特征拼接到一起,同时通过卷积将增强后的特征维度恢复到输入时的相同维度;
所述区域建议网络模块用于生成锚框和提取出感兴趣区域;
所述感兴趣区域对齐层模块用于采用非线性插值法,将区域建议网络模块提取的感兴趣区域与特征提取网络模块提取的特征图中对应区域进行对齐处理;
所述全卷积网络模块用于从感兴趣区域预测分割掩膜,并采用分割掩膜对区域建议网络模块提取的感兴趣区域进行分类和边界框定位;
步骤3、将训练样本输入所述乡村别墅识别与提取网络模型,得到训练后的识别与提取网络模型;
步骤4、将待识别的遥感影像输入训练后的识别与提取网络模型,并将其输出的数据与待识别的遥感影像进行叠加,获得乡村别墅识别与提取结果。
2.根据权利要求1所述的基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,其特征在于:所述训练样本的具体制作过程为:
a)选择数据源,并从数据源中获取样本集;
b)使用ArcGIs软件对样本集中的遥感影像进行标注,标签格式为黑白二值图;
c)将标注好的遥感影像裁剪至所需大小;
d)将黑白二值图标签格式转为coco格式,获得训练样本。
3.根据权利要求1或2所述的基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,其特征在于:所述训练样本由训练集和测试集构成,所述训练集用于训练构建的乡村别墅识别与提取网络模型,所述测试集用于评估训练后所述乡村别墅识别与提取网络模型的性能。
5.根据权利要求1或4所述的基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,其特征在于:所述特征提取网络模块进行多尺度特征提取时包括分离操作和链接操作,所述分离操作用于将特征分组,所述连接操作则用于将不同的特征进行融合并增强不同组的信息交互。
6.根据权利要求1所述的基于增强学习与特征变换的遥感图像乡村别墅识别方法,其特征在于:所述多方向特征增强包括对多尺度特征中每层特征分别进行当前层的增强、自上而下将高层特征用于低层特征的增强、自下而上将低层特征用于高层特征的增强。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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