关键词:
高分辨率遥感影像
道路提取
深度学习模型
多任务
大范围
跨区域
摘要:
近年来,随着IKONOS、Quick Bird、Worldview、GJ-1、GF-7等一系列国内外高分辨率遥感卫星的成功发射,使得我们可以获取海量的高分辨率遥感影像资源。高分辨率遥感影像具有空间信息丰富,获取技术成熟,影像分辨率高,覆盖范围广等优势,已经成为道路提取的主要数据来源。面对海量遥感数据,目前最为广泛使用的是基于深度学习的方法,深度学习的出现使得自学习特征成为现实,开启了数据驱动的“表示学习”范式,避免了传统方法依赖于专家知识设计特征,自动化程度低,人工干预大的问题。然而深度学习方法依赖于海量数据来训练模型,而高分辨率遥感影像空间分辨率高,影像信息高度细节化,会给道路识别带来很多干扰。例如:1)高分辨率遥感影像上道路提取面临三个典型任务,道路面分割,中心线提取和边界探测,目前深度学习方法未能有效实现三个任务的统一表达;2)复杂的高分辨率遥感影像上建筑物,树木等其它地物会给道路带来遮挡、阴影等干扰,造成道路识别结果不连续;3)在大范围道路提取应用时,由于不同地区影像数据分布差异大,深度学习模型的泛化能力十分有限,导致模型输出结果中存在严重的道路缺失现象。因此,论文针对深度学习模型在高分辨率遥感影像道路提取中存在的问题,基于深度学习强大的自学习能力和特征表达能力,从道路提取任务中所面临的多任务表达,道路不连续,跨区域大范围道路提取时道路缺失严重三个问题出发,开展面向高分辨率遥感影像大范围道路提取的深度学习方法研究,主要研究内容与创新之处包括:(1)全面分析了高分辨率遥感影像的特点以及道路提取所面临的实际应用挑战,总结了当前国内外高分辨率遥感影像道路提取方法,以及存在的问题,并介绍了深度学习模型的基本理论方法,详细分析深度卷积神经网络在高分辨率遥感影像道路提取中的应用。(2)在道路提取多任务缺乏统一表达方面,针对道路提取多个任务缺乏统一提取框架问题,论文基于道路面,道路中心线和道路边界的共生关系,建立三个任务之间的关联,提出了一个级联的道路多任务一体化提取框架。在该框架中,道路面分割网络为主干网络,中心线提取网络和边界探测网络在结合道路面分割结果的基础上分别结合多层次的低层特征进行学习。同时,针对高分辨率遥感影像上存在很多干扰,造成道路识别困难,该框架采用上下文感知模块来捕获长距离的空间上下文信息,从而提升道路的拓扑连通性,在模型优化方面,采用困难样本挖掘损失提升模型对于困难道路样本的识别能力。该框架不仅可以同时完成道路面分割,中心线提取和边界探测三个任务,也可以使得三个任务相互约束相互增益。(3)在遮挡,阴影等导致道路不连续方面,针对深度学习模型卷积运算的感受野有限,导致存在局部干扰时道路识别结果不连续的问题,论文提出了融合多尺度残差学习的全局感知高分辨率遥感影像道路提取方法,从两个方面来增大模型捕捉长距离依赖关系的能力,一方面在残差模块内,使用多尺度残差学习,提取多尺度特征的同时增大网络感受野,另一方面基于残差块内所学习到的丰富特征,在残差模块之间,采用全局感知操作从空间和通道两个维度来捕获长距离依赖关系,两个模块相互增益,可以显著改善道路识别结果不连续的问题。(4)在跨区域大范围道路提取时道路缺失严重方面,针对不同地区影像数据分布差异较大,导致道路提取模型性能急剧下降,道路缺失严重问题。论文基于对抗学习的思想进行域适应,提出了一个全局-局部对抗学习的跨域道路提取框架,来增强深度学习模型的泛化能力,一方面在特征输出层采用对抗学习,通过混淆域判别器使其无法识别特征来自源域还是目标域,来引导生成器生成域不变特征;另一方面在对抗学习中,根据每一个像素的识别难易程度,自适应地调整对抗损失,从而自动减慢或加速对抗学习的过程,调节对于不同难度样本的对齐力度。同时针对开源地图OSM数据向所有人提供道路矢量线数据,可以作为每个地区重要的道路先验知识,提出一种开源数据驱动下的特定域表达框架,一方面构建域特定的表达模型,对齐不同域空间结构特征的同时,学习域特定的纹理信息,另一方面利用开源的OSM道路线数据生成目标域样本,提升模型对于目标域道路的识别能力。(5)构建基于深度学习的高分辨率遥感影像道路提取原型系统。利用开源数据构建全球道路数据集,并结合从多个应用需求出发提出的基于深度学习的高分辨率遥感影像道路提取方法,构建满足不同应用需求的高分辨率遥感影像道路提取系统,扩展所提方法在大范围影像上的应用。本文面向高分辨率遥感影像道路提取,从道路提取任务中所面临的多任务缺乏统一表达,遮挡,阴影等导致道路不连续,跨区域大范围道路提取时道路缺失严重三个问题出发,开展面向高分辨率遥感影像大范围道路提取的深度学习方法研究,能够显著增强从高分辨遥感影像上进行道路识别的效果,进一步推动了高分辨率遥感影像道路提取在实际中的应用,这对于维持城市功能和社会经济的