面向深度学习的遥感影像样本库建设技术研究_饶杨莉.pdf

1、第 46 卷 第 4 期2023 年 4 月测 绘 与 空 间 地 理 信 息G E O M A T I C S&S P A T I A L I N F O R M A T I O N T E C H N O L O G YVol.46,No.4Apr.,2023收 稿 日 期:2021-11-08基 金 项 目:典 型 自 然 资 源 要 素 遥 感 影 像 样 本 库 建 设 方 法 研 究(Y2020ZL07)资 助作 者 简 介:饶 杨 莉(1987-),女,四 川 成 都 人,高 级 工 程 师,硕 士,2013 年 毕 业 于 西 南 交 通 大 学 地 图 学 与 地 理 信 息

2、 系 统 专 业,主 要 从 事地 理 信 息 系 统 应 用 等 方 面 的 研 究 工 作。面 向 深 度 学 习 的 遥 感 影 像 样 本 库 建 设 技 术 研 究饶 杨 莉1,张 玉 金1,周 兴 霞1,陈 飞2(1.自 然 资 源 部 第 三 航 测 遥 感 院,四 川 成 都 6 1 0 1 0 0;2.北 京 超 图 软 件 股 份 有 限 公 司,北 京 1 0 0 0 1 5)摘 要:针 对 深 度 学 习 样 本 制 作 技 术 稀 缺 以 及 样 本 复 用 性 差 等 问 题,本 文 围 绕 自 然 资 源 督 察 业 务、测 绘 生 产 项 目等 需 求,面 向

3、深 度 学 习 算 法 和 模 型,基 于 多 源 多 时 相 卫 星 遥 感 影 像,结 合 已 有 地 理 国 情 监 测 数 据、基 础 地 理 信 息数 据 等 资 料,对 水 体、林 地、推 填 土 等 典 型 自 然 资 源 要 素,开 展 了 遥 感 影 像 处 理、样 本 数 据 制 作、质 量 控 制、成 果 入库 等 方 面 的 技 术 研 究,初 步 建 立 了 一 套 面 向 深 度 学 习 的 遥 感 影 像 样 本 库 建 设 技 术 体 系,有 效 促 进 了 样 本 数 据 的统 一 管 理、重 复 利 用 和 动 态 更 新。关 键 词:深 度 学 习;遥 感

4、 影 像 样 本 库;自 然 资 源 要 素;多 源 多 时 相 影 像中 图 分 类 号:P209 文 献 标 识 码:A 文 章 编 号:1672-5867(2023)04-0038-05R e s e a r c h o n t h e C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y o f R e m o t e S e n s i n g I m a g e S a m p l e D a t a b a s e f o r D e e p L e a r n i n gRAO Yangli1,ZHANG Yujin1,ZHOU Xingxia

5、1,CHEN Fei2(1.T h e T h i r d I n s t i t u t e o f P h o t o g r a m m e t r y a n d R e m o t e S e n s i n g,M N R,C h e n g d u 6 1 0 1 0 0,C h i n a;2.S u p e r M a p S o f t w a r e C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 1 5,C h i n a)A b s t r a c t:In view of the scarcity of deep learning sample

6、production technology and the poor reusability of samples,the research focu-ses on the needs of natural resource inspection business,surveying and mapping production projects,etc.,for deep learning algo-rithms and models.Based on multi-source and multi-temporal satellite remote sensing images,combin

7、ed with existing geographic conditions monitoring data,basic geographic information data and other data,the technical research on remote sensing image process-ing,sample data production,quality control,and storage of results has been carried out for typical natural resource elements such as water,fo

8、rest land and push fill.A set of remote sensing image sample database construction technology system oriented to deep learn-ing has been initially established,which effectively promots the unified management,reuse and dynamic update of sample data.K e y w o r d s:deep learning;remote sensing image s

9、ample database;natural resource elements;multi-source and multi-temporal ima-ges0 引 言深 度 学 习 作 为 人 工 智 能(Artificial Intelligence,AI)的核 心 技 术,近 年 来 在 图 像 分 类、目 标 检 测 等 领 域 展 现 出 巨大 优 势,利 用 深 度 学 习 技 术 进 行 影 像 解 译、视 觉 分 析 等 方面 的 研 究 也 越 来 越 多1。深 度 学 习 用 于 智 能 识 别 的 技 术主 要 包 括 场 景 分 类、语 义 分 割 和 目 标 检 测

10、2,三 者 所 利 用的 样 本 形 式 有 很 大 区 别,本 次 研 究 主 要 采 用 语 义 分 割 技术。国 内 外 已 有 的 语 义 分 割 样 本 数 据 集 大 多 针 对 房 屋 建筑,要 素 类 型 单 一,且 在 采 用 影 像、采 集 标 准、存 储 方 式 等方 面 存 在 差 异。此 外,样 本 数 据 作 为 深 度 学 习 智 能 分 类除 模 型 算 法 外 最 重 要 的 支 撑,其 质 量 和 数 量 在 很 大 程 度上 决 定 了 自 动 提 取 的 精 度。但 是,目 前 国 内 外 对 于 面 向深 度 学 习 的 样 本 制 作 技 术 方 面

11、 的 研 究 很 少,还 没 有 一 定的 建 库 标 准 可 供 参 照,样 本 的 复 用 性 较 差。随 着 AI+遥 感 技 术 的 广 泛 应 用,自 然 资 源 要 素 的 智 能识 别 与 提 取 成 为 构 建 自 然 资 源 监 管 决 策 应 用 体 系、实 现实 时 监 测 与 精 准 督 察 新 模 式、提 升 地 表 覆 盖 相 关 业 务 效能、提 高 自 然 资 源 测 绘 地 理 信 息 数 据 保 障 的 重 要 途 径。因 此,研 究 基 于 多 源 多 时 相 卫 星 遥 感 影 像,结 合 已 有 基 础数 据 资 料,围 绕 水 体、林 地、推 填 土

12、 等 典 型 自 然 资 源 要 素,面 向 深 度 学 习 算 法 和 模 型,初 步 建 立 了 一 套 切 实 可 行 的样 本 规 模 化 生 产 技 术 体 系,实 现 了 多 源 多 时 相 自 然 资 源要 素 遥 感 影 像 样 本 库 构 建,能 够 有 效 统 一 管 理 样 本 数 据,提 高 其 重 复 利 用 率,提 高 样 本 训 练 模 型 的 普 适 性,进 而 提升 自 然 资 源 要 素 智 能 化 提 取 能 力,推 动 自 然 资 源 调 查 与监 管 智 能 化 建 设3。1 样 本 设 计1.1 样 本 内 容面 向 深 度 学 习 的 遥 感 影

13、像 样 本 库 数 据 内 容 主 要 包 含以 下 几 类:1)样 本 矢 量 图 斑(shp):根 据 遥 感 影 像 采 集 的 各 类 自然 资 源 要 素 图 斑,包 括 水 体、林 地、推 填 土 等,坐 标 系 及 投影 信 息 与 对 应 的 原 始 影 像 一 致。2)样 本 标 签(label):由 样 本 矢 量 图 斑 通 过 数 据 转 换得 到 栅 格 格 式 的 标 签 数 据,NoData 值 设 置 为 127,分 辨 率、坐 标 系 及 投 影 信 息 与 对 应 的 原 始 影 像 一 致。3)样 本 影 像(src):利 用 样 本 标 签 裁 剪 原

14、始 遥 感 影 像并 经 降 位 处 理 所 得,大 小 与 样 本 标 签 完 全 一 致,数 据 深 度为 8 bit,NoData 值 设 置 为 255,分 辨 率、坐 标 系 及 投 影 信 息同 对 应 的 原 始 遥 感 影 像。4)标 准 尺 寸 样 本 数 据:样 本 标 签 和 样 本 影 像 经 过 裁切 所 得 的 尺 寸 为 600 600 个 像 素,可 直 接 用 于 模 型 训 练的 数 据,包 括 标 准 尺 寸 样 本 影 像 数 据 集 及 其 对 应 的 标 准尺 寸 标 签。5)深 度 学 习 模 型(model):包 括 模 型 文 件 及 其 配

15、置 文件,两 者 需 配 套 使 用 进 行 后 续 智 能 分 类。1.2 样 本 大 小深 度 学 习 通 常 由 低 层 到 高 层 从 影 像 中 提 取 特 征,分别 获 取 其 边 缘 特 征、局 部 特 征、整 体 特 征,样 本 需 能 够 体现 地 物 的 全 部 特 征4。因 此,单 块 样 本 建 议 越 大 越 好,尽可 能 包 含 丰 富 多 样 的 地 物 特 征 信 息,具 体 实 施 过 程 中 样本 大 小 应 不 小 于 3 5003 500 个 像 素,特 殊 情 况 的 分 类 需求 应 确 保 单 块 样 本 不 小 于 600600 个 像 素。1.

16、3 样 本 规 模成 功 训 练 一 个 深 度 网 络 需 要 训 练 大 量 样 本,因 此,样本 规 模 原 则 上 越 大 越 好,考 虑 到 实 际 生 产 效 率 问 题,具 体实 施 时 样 本 量 尽 可 能 控 制 在 0.20.5 景,可 在 一 景 影 像中 选 取 一 块 满 足 样 本 规 模 要 求 的 区 域,也 可 选 取 多 块 区域,累 加 后 满 足 样 本 规 模 需 求 即 可。1.4 样 本 类 别综 合 考 虑 影 像 上 呈 现 的 地 表 覆 盖 状 况、生 产 效 率、算法 实 现 可 能 性 等 因 素,为 提 高 各 类 样 本 数 据

17、的 多 样 性、增强 训 练 模 型 的 鲁 棒 性 和 泛 化 能 力5,确 定 样 本 类 别 为 单一 类 型,即 对 水 体、林 地、推 填 土 等 要 素 类 型 分 别 进 行 样本 数 据 的 采 集 制 作。2 资 料 收 集2.1 多 源 遥 感 影 像收 集 到 覆 盖 成 都 市 的 多 源 多 时 相 遥 感 影 像,具 体 包括 分 辨 率 为 0.5 m 的 高 景 一 号(GJ-1),分 辨 率 为 0.8 m的 北 京 二 号(BJ-2)、高 分 二 号(GF-2)以 及 分 辨 率 为 2 m的 资 源 三 号(ZY-3)、高 分 一 号(GF-1)卫 星 影

18、 像,主 要 来源 于 20162020 年 地 理 国 情 监 测 项 目 以 及 四 川 省 遥 感 影像 统 筹 推 送,包 括 未 经 正 射 纠 正 的 原 始 全 色 影 像 和 多 光谱 影 像 以 及 经 正 射 纠 正 后 的 融 合 影 像,获 取 时 间 涵 盖 春夏 秋 冬 4 个 季 节。该 数 据 主 要 用 于 典 型 自 然 资 源 要 素 样 本 采 集 与制 作。2.2 地 理 国 情 监 测 数 据收 集 到 成 都 市 的 地 理 国 情 监 测 数 据,内 含 地 表 覆 盖分 类 图 斑,现 势 性 为 2020 年 6 月 30 日。国 情 数 据

19、 地 表 覆盖 分 类 体 系 共 分 为 8 个 一 级 类、47 个 二 级 类 和 88 个 三 级类,其 中,一 级 类 的 分 类 体 系 见 表 1。表 1 地 理 国 情 监 测 地 表 覆 盖 分 类 体 系(一 级 类)T a b.1 L a n d c o v e r c l a s s i f i c a t i o n s y s t e m f o r g e o g r a p h i c a l c o n d i t i o n s m o n i t o r i n g(f i r s t c l a s s)编 码 名 称01 种 植 土 地03 林 草 覆

20、 盖05 房 屋 建 筑(区)06 铁 路 与 道 路07构 筑 物08 人 工 堆 掘 地09 荒 漠 与 裸 露 地10 水 域 提 取 该 数 据 地 表 覆 盖 分 类 图 斑 中 与 林 地、水 体、推 填土 等 相 关 的 要 素 数 据,作 为 样 本 矢 量 图 斑 采 集 的 本 底 数据 或 参 考 数 据。2.3 基 础 地 理 信 息 数 据收 集 到 成 都 市 的 基 础 地 理 信 息 数 据,主 要 包 括 1 1 000、1 2 000、1 10 000 等 比 例 尺 的 DLG 数 据,数 据 格 式有 DWG/MDB/GDB,内 含 点、线、面 3 种

21、几 何 类 型。针 对不 同 比 例 尺、不 同 项 目 的 需 求 不 同,其 DLG 分 类 体 系 也 有所 差 异,一 般 分 为 10 个 一 级 类、59 个 二 级 类、多 个 三 级类,其 中,一 级 类 的 分 类 体 系 见 表 2。表 2 数 字 线 划 图(D L G)分 类 体 系(一 级 类)T a b.2 D i g i t a l L i n e G r a p h i c(D L G)c l a s s i f i c a t i o n s y s t e m(f i r s t c l a s s)编 码 名 称01 定 位 基 础02 水 系 及 附 属

22、 设 施03 居 民 地 及 附 属 设 施04 交 通 及 附 属 设 施05 管 线06 境 界 与 政 区07 地 貌 与 土 质08 植 被09 地 名10 符 号 及 辅 助 提 取 该 数 据 面 状 图 斑 中 与 林 地、水 体、推 填 土 等 相 关的 要 素 数 据,作 为 样 本 矢 量 图 斑 采 集 的 本 底 数 据 或 参 考数 据。9 3 第 4 期 饶 杨 莉 等:面 向 深 度 学 习 的 遥 感 影 像 样 本 库 建 设 技 术 研 究3 建 库 技 术 流 程遥 感 影 像 样 本 库 建 设 总 体 工 艺 流 程 如 图 1 所 示。图 1 遥 感

23、 影 像 样 本 库 建 设 总 体 工 艺 流 程F i g.1 O v e r a l l t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f r e m o t e s e n s i n g i m a g e s a m p l e d a t a b a s e c o n s t r u c t i o n3.1 遥 感 影 像 处 理3.1.1 影 像 纠 正针 对 收 集 影 像 中 还 未 正 射 纠 正 的 原 始 卫 星 影 像(包含 全 色 影 像 和 多 光 谱 影 像),数 据 分 发 时 已 经 过 辐 射 定标、大 气 校

24、正 等 处 理,实 际 使 用 时 还 需 对 其 进 行 纠 正 与 融合 处 理。一 般 采 用 人 工 刺 点 或 影 像 特 征 匹 配 的 方 式 获 取影 像 控 制 点、连 接 点,经 区 域 网 平 差 后 解 算 出 高 精 度 外 参数,然 后 使 用 解 算 的 外 参 数 和 DEM 数 据 进 行 全 色 影 像 正射 纠 正,再 利 用 纠 正 后 的 全 色 影 像 对 多 光 谱 影 像 进 行 配准 纠 正,得 到 整 景 全 色、多 光 谱 数 字 正 射 影 像 成 果,最 后经 融 合 处 理 得 到 整 景 多 波 段 融 合 影 像,具 体 如 图

25、2 所 示。图 2 遥 感 影 像 正 射 纠 正 流 程F i g.2 O r t h o r e c t i f i c a t i o n p r o c e s s o f r e m o t e s e n s i n g i m a g e3.1.2 影 像 增 强为 提 升 模 型 训 练 以 及 智 能 解 译 精 度,还 需 对 多 源 正射 影 像 进 行 系 列 增 强 处 理,改 善 影 像 质 量,增 强 影 像 特征,减 少 辐 射 值 差 异,主 要 包 括 影 像 降 位、直 方 图 匹 配、多尺 度 重 采 样 等 处 理。1)影 像 降 位研 究 所 用 影

26、 像 均 为 RGB 的 16 位 无 符 号 整 型 数 据,各波 段 数 值 在0,65 535 之 间,数 据 分 布 范 围 较 广,各 像 元特 征 差 异 较 大,模 型 训 练 时 较 难 正 确 提 取 学 习 影 像 特 征信 息,易 造 成 训 练 结 果 不 可 靠;另 外,16 位 的 遥 感 影 像 数据 量 较 大,模 型 训 练 时 迭 代 收 敛 时 间 较 长,影 响 训 练 与 解译 效 率。因 此,在 模 型 训 练 与 自 动 解 译 之 前,需 对 遥 感 影像 进 行 降 位 压 缩 处 理,将 其 数 据 深 度 从 16 位 转 为 8 位,使影

27、 像 像 元 数 值 分 布 在0,255 之 间,一 般 可 采 用 百 分 比 截断、最 大 最 小 值 拉 伸 等 方 法 进 行 降 位 处 理。2)直 方 图 匹 配受 卫 星 传 感 器、太 阳 光 照、大 气 等 因 素 影 响,同 一 地区 的 遥 感 影 像 在 特 征 上 存 在 较 大 差 异6,主 要 体 现 在 色调、光 谱、地 物 特 征 上 不 一 致,将 会 直 接 影 响 智 能 解 译 效果。因 此,在 智 能 解 译 效 果 不 理 想 的 情 况 下,有 必 要 对 待解 译 遥 感 影 像 进 行 直 方 图 匹 配,减 少 色 彩 上 的 差 异,提

28、 高自 动 解 译 精 度。3)多 尺 度 重 采 样模 型 训 练 时,针 对 大 规 模 成 片 的 要 素 类 型,例 如 推 填土、林 地 等,单 张 高 分 辨 率 标 准 尺 寸 的 样 本 较 难 显 示 完 整的 要 素 影 像 特 征 信 息,容 易 影 响 模 型 学 习 效 果,造 成 提 取精 度 偏 低。因 此,在 训 练 效 果 不 理 想 情 况 下,可 将 高 分 辨率 标 准 尺 寸 的 样 本 通 过 重 采 样 处 理,生 成 多 种 较 低 分 辨率 的 样 本 数 据,例 如,可 将 1 m 分 辨 率 样 本 重 采 样 成 2 m、5 m、10 m

29、 等 多 尺 度 的 样 本 数 据,然 后 将 其 所 有 数 据 作 为样 本 数 据 集 共 同 参 与 模 型 训 练。自 动 分 类 解 译 时,在 解 译 结 果 较 差 情 况 下,也 可 考 虑将 待 解 译 影 像 进 行 多 尺 度 重 采 样。针 对 大 规 模 成 片 的 要素 类 型,例 如 推 填 土、林 地 等,可 将 遥 感 影 像 重 采 样 到 更低 分 辨 率 后 再 进 行 分 类;针 对 房 屋、水 体 等 存 在 较 多 小 面积 图 斑 且 边 界 较 明 显 的 要 素,则 可 将 遥 感 影 像 重 采 样 到更 高 分 辨 率 后 再 进 行

30、 分 类。3.1.3 影 像 分 析 综 合 分 析 影 像 的 质 量、分 辨 率、时 相 与 季 节,优 先 使用 影 像 质 量 好、待 采 要 素 特 征 信 息 丰 富、可 准 确 判 断 要 素类 型 的 影 像 进 行 样 本 数 据 制 作,至 少 选 用 2 个 季 节 及 以 上的 影 像 数 据。所 使 用 影 像 需 保 证 大 于 等 于 3 个 波 段,一 般为 3 个 或 者 4 个 波 段。3.2 样 本 数 据 制 作3.2.1 样 本 区 选 取综 合 分 析 影 像 上 待 采 集 要 素 的 特 征、数 量 及 分 布 情况,在 质 量 较 好 的 影

31、像 上 选 取 一 块 连 续 或 多 块 独 立 的 可代 表 整 景 影 像 上 该 要 素 形 态 的 局 部 区 域 作 为 样 本 采 集区,但 应 尽 量 包 含 要 素 丰 富 多 样 的 纹 理、几 何 与 光 谱 特 征信 息,以 及 与 周 围 地 物 的 多 种 相 互 关 系,即 同 类 要 素 应 具有 不 同 大 小、形 状、视 角、背 景、光 强 度、颜 色 等 多 样 性。3.2.2 本 底 数 据 制 作为 减 少 人 工 采 集 样 本 工 作 量,提 高 样 本 采 集 效 率 与准 确 性,研 究 采 用 了 3 种 样 本 矢 量 图 斑 本 底 数

32、据 制 作 方法,即 基 于 已 有 数 据 成 果 制 作、基 于 分 类 规 则 半 自 动 提 取结 果 制 作、基 于 深 度 学 习 自 动 解 译 结 果 制 作,并 利 用 样 本区 范 围 外 扩 50 m 及 以 上 的 区 域 裁 剪 提 取 本 底 数 据。3.2.3 样 本 矢 量 图 斑 采 集根 据 水 体、林 地、推 填 土 等 典 型 自 然 资 源 要 素 的 影 像0 4 测 绘 与 空 间 地 理 信 息 2023 年特 征,在 已 有 的 本 底 数 据 基 础 上,参 照 多 源 多 时 相 数 字 正射 影 像,通 过 人 工 目 视 判 读 的 方

33、 式,对 样 本 区 内 与 影 像 不一 致 的 矢 量 图 斑 进 行 编 辑 更 新,分 别 制 作 成 水 体、林 地、推 填 土 等 要 素 的 样 本 矢 量 图 斑 数 据。3.2.4 图 斑 属 性 赋 值基 于 采 集 的 样 本 矢 量 图 斑,首 先 删 除 数 据 表 中 多 余字 段,添 加 短 整 型“Code”字 段、文 本 型“Class”字 段;然 后将 所 有 矢 量 图 斑 进 行 合 并 处 理,变 为 1 个 大 的 复 合 图 斑,即 正 样 本 图 斑,并 对 其 属 性 字 段 进 行 赋 值,“Code”赋“1”“Class”赋“水 体”“林

34、地”“推 填 土”;再 导 入 样 本 区 范 围 数据 作 为 负 样 本 图 斑,利 用 正 样 本 图 斑 裁 切 负 样 本 图 斑,并对 其 属 性 表 中 的 负 样 本 图 斑 相 应 属 性 赋 值,“Code”赋“0”,“Class”赋“其 他”。3.2.5 样 本 标 签 制 作利 用 样 本 区 矢 量 范 围 裁 剪 属 性 赋 值 后 的 样 本 矢 量 图斑,得 到 标 准 范 围 的 样 本 矢 量 图 斑 数 据;然 后 运 用 ArcGIS的“Feature to Raster”工 具 将 其 转 为 栅 格 格 式,即 为 样 本 标签 文 件,其 中 转

35、换 字 段“Field”选 择“Code”“Output cell size”同 对 应 原 始 影 像 的 分 辨 率,并 将 其 另 存 为“.png”格 式,NoData 值 设 为 127,分 辨 率 同 对 应 的 原 始 影 像。3.2.6 样 本 影 像 处 理样 本 影 像 处 理 有 2 种 方 式:一 是 先 裁 剪 再 降 位;二 是先 降 位 再 裁 剪。两 者 差 异 不 大,一 般 选 用 第 一 种 方 式,若训 练 分 类 效 果 不 理 想 时,也 可 考 虑 使 用 第 二 种 方 式 处 理。但 需 注 意,裁 剪 后 的 影 像 大 小 需 与 样 本

36、标 签 完 全 一 致,即行 列 数 相 同。方 式 一:先 裁 剪 再 降 位。利 用 样 本 标 签 文 件 裁 剪 对应 的 原 始 整 景 遥 感 影 像,并 将 其 另 存 为“.img”格 式,NoData 值 设 为 65 535,分 辨 率 同 原 始 影 像;然 后 将 其 转 为8 bit 影 像,即 为 样 本 影 像。方 式 二:先 降 位 再 裁 剪。首 先 将 原 始 整 景 影 像 转 为8 bit;然 后 利 用 样 本 标 签 文 件 裁 剪 降 位 处 理 后 的 遥 感 影像,并 将 其 另 存 为“.img”格 式,NoData 值 设 为 255,分

37、辨率 同 原 始 影 像,即 为 样 本 影 像。3.2.7 样 本 数 据 裁 切将 样 本 标 签 和 样 本 影 像 分 别 存 放 在“original”文 件 夹下 名 为“label”“src”的 2 个 文 件 夹 中,然 后 利 用 深 度 学 习智 能 识 别 系 统 对 其 进 行 样 本 裁 切,最 终 得 到 可 直 接 用 于后 续 模 型 训 练 的 标 准 尺 寸 的 小 块 样 本,结 果 保 存 在“train”文 件 夹 中,数 据 存 放 结 构 如 图 3 所 示。其 中,样 本尺 寸 根 据 实 际 深 度 学 习 软 件 需 求 进 行 设 置,本

38、次 研 究 设置 为 600600 像 素。考 虑 到 数 据 安 全 性,一 般 需 将 标 准尺 寸 样 本 数 据 的 坐 标 信 息 删 除。3.2.8 样 本 数 据 增 强样 本 数 据 增 强 的 主 要 目 的 是 丰 富 训 练 样 本,扩 充 样本 数 据 集,增 加 地 物 目 标 的 特 征 多 样 性 和 复 杂 性,避 免 训练 期 间 出 现 过 拟 合 导 致 模 型 泛 化 能 力 不 强,旨 在 提 高 训练 模 型 的 鲁 棒 性7。因 此,通 常 会 在 训 练 时 随 机 对 标 准尺 寸 样 本 影 像 数 据 集 及 其 对 应 的 样 本 标 签

39、 进 行 各 种 几 何图 3 样 本 裁 切 前 后 数 据 存 放 结 构F i g.3 D a t a s t o r a g e s t r u c t u r e b e f o r e a n d a f t e r s a m p l e c u t t i n g变 换(可 由 软 件 自 动 或 人 工 手 动 实 现),主 要 包 括 以 下 几类 方 式(具 体 如 图 4 所 示)8:1)图 像 翻 转:沿 着 水 平 或 垂 直 方 向 翻 转 图 像,改 变 地物 目 标 的 相 对 位 置;2)图 像 旋 转:将 图 像 顺 时 针 旋 转 90、180 或 27

40、0 等,增 强 地 物 目 标 的 角 度 多 样 性;3)图 像 缩 放:以 一 定 比 例 缩 放 图 像(缩 小 0.5 倍,放大 0.5 倍),增 加 地 物 目 标 的 尺 度 多 样 性;4)图 像 加 噪:在 标 准 尺 寸 样 本 影 像 数 据 集 中 添 加 噪声 并 匹 配 对 应 的 样 本 标 签,增 强 神 经 网 络 抗 干 扰 能 力。图 4 数 据 增 强 方 法 部 分 示 意 图F i g.4 P a r t i a l s c h e m a t i c d i a g r a m o f d a t a e n h a n c e m e n t m

41、e t h o d3.2.9 模 型 训 练 与 精 度 验 证首 先 根 据 样 本 数 据 内 容 及 研 究 需 求,结 合 已 有 技 术经 验,修 改 设 置 样 本 模 型 配 置 文 件;再 基 于 裁 切 后 标 准 尺寸 的 小 块 样 本 标 签 和 影 像 数 据、修 改 后 的 配 置 文 件,利 用深 度 学 习 智 能 识 别 系 统 进 行 模 型 训 练;然 后 基 于 样 本 训练 模 型 及 其 对 应 的 配 置 文 件,自 动 解 译 降 位 处 理 后 的 待分 类 遥 感 影 像(8 bit);若 解 译 效 果 不 理 想 则 需 修 改 配 置文

42、 件 参 数 或 增 加 样 本 数 量,重 新 进 行 模 型 训 练 与 分 类解 译。3.3 质 量 控 制针 对 典 型 自 然 资 源 要 素 遥 感 影 像 样 本 数 据 成 果,采用 人 工 对 照 检 查 和 模 型 精 度 评 估 2 种 方 式 进 行 质 量 检 查与 控 制,确 保 其 准 确 性 与 稳 定 性。3.3.1 人 工 对 照 检 查通 过 人 工 手 动 检 查 核 对 影 像、数 据 表 格 或 可 视 化 的1 4 第 4 期 饶 杨 莉 等:面 向 深 度 学 习 的 遥 感 影 像 样 本 库 建 设 技 术 研 究图 形,从 而 判 断 检

43、查 内 容 的 正 确 性9。3.3.2 模 型 精 度 评 估利 用 深 度 学 习 软 件,结 合 样 本 数 据 进 行 模 型 训 练,得到 初 始 模 型,再 利 用 初 始 模 型 进 行 自 动 提 取 分 类,分 类 结果 不 满 足 精 度 要 求 时 补 充 采 集 样 本、制 作 样 本 标 签、训 练模 型、自 动 提 取 分 类,如 此 循 环 迭 代,直 至 分 类 精 度 满 足需 求。3.4 成 果 入 库将 样 本 成 果 数 据 按 照 各 类 数 据 结 构 要 求 进 行 数 据 组织、属 性 值 代 码 化、表 达 标 准 化,之 后 存 储 入 库,

44、形 成 典 型自 然 资 源 要 素 遥 感 影 像 样 本 数 据 库。成 果 可 以 采 用 手 动添 加 或 程 序 批 量 入 库,入 库 后 必 须 满 足 数 据 完 整 性、逻 辑关 系 一 致 性 等 要 求,同 时 记 录 数 据 入 库 日 志。4 结 束 语通 过 围 绕 水 体、林 地、推 填 土 等 典 型 自 然 要 素 开 展 了多 时 相、多 空 间 分 辨 率、多 种 影 像 源 的 遥 感 影 像 样 本 库 建设,初 步 建 立 了 一 套 面 向 深 度 学 习 的 样 本 规 模 化 生 产 技术 体 系,研 究 成 果 将 直 接 应 用 于 国 家

45、 自 然 资 源 调 查 与 督察 业 务 服 务,推 动 国 家 自 然 资 源 督 察 的 信 息 化、智 能 化 建设10,同 时 也 可 以 推 广 应 用 至 全 球 地 理 信 息 资 源 建 设、地理 国 情 监 测、实 景 三 维 中 国 以 及 其 他 需 要 对 要 素 进 行 识别 与 提 取 的 项 目 中,进 而 推 动 测 绘 地 理 信 息 的 智 能 化发 展。参 考 文 献:1 王 海 龙.基 于 深 度 学 习 的 快 速 目 标 检 测 算 法 研 究D.哈 尔 滨:哈 尔 滨 工 业 大 学,2018.2 徐 金 晓,方 圆.深 度 学 习 在 高 分

46、辨 率 遥 感 影 像 解 译 中的 应 用 研 究J.通 信 电 源 技 术,2019,36(8):68-69.3 自 然 资 源 部.关 于 印 发 自 然 资 源 科 技 创 新 发 展 规 划 纲要 的 通 知J.自 然 资 源 通 讯,2018(22):13-31.4 孙 启 新.面 向 卷 积 神 经 网 络 场 景 解 译 的 地 质 灾 害 遥 感影 像 样 本 库 建 设 研 究 D.西 安:西 安 交 通 大学,2019.5 黄 毅,金 立 左.基 于 深 度 学 习 的 空 域 弱 小 目 标 检 测J.信 息 技 术 与 信 息 化,2020(6):217-220.6

47、黄 启 厅,覃 泽 林,曾 志 康.多 源 多 时 相 遥 感 影 像 相 对辐 射 归 一 化 方 法 研 究 J.地 球 信 息 科 学 学 报,2016(5):606-614.7 倪 良 波.基 于 深 度 学 习 的 多 时 相 遥 感 目 标 变 化 检 测 及分 类 研 究D.贵 州:贵 州 大 学,2020.8 邹 源.基 于 卷 积 神 经 网 络 的 高 分 辨 率 遥 感 影 像 分 类D.成 都:成 都 市 理 工 大 学,2020:1-58.9 王 杰,曹 瑞 华,王 霞.地 理 信 息 数 据 生 产 质 量 控 制 方法 探 索J.现 代 制 造 技 术 与 装 备

48、,2011(1):10-12.10 周 成 刚.自 然 资 源 督 察 业 务 信 息 化 系 统 建 设 D.西安:长 安 大 学,2019.编 辑:张 曦(上 接 第 3 7 页)参 考 文 献:1 张 晓 东,李 德 仁,龚 健 雅,等.遥 感 影 像 与 GIS 分 析 相 结合 的 变 化 检 测 方 法J.武 汉 大 学 学 报(信 息 科 学 版),2006(3):266-269.2 CHEN J,CHEN X,CUI X,et al.Change vector analysis in posterior probability space:A new method for la

49、nd cover change detectionJ.IEEE Geoscience and Remote Sens-ing Letters,2011,8(2):317-321.3 吴 海 平,温 礼,邓 凯,等.基 于 深 度 学 习 的 高 分 辨 率 遥 感影 像 自 动 变 化 检 测J.测 绘 与 空 间 地 理 信 息,2021,44(7):102-106.4 雷 涛,张 肖,加 小 红,等.基 于 模 糊 聚 类 的 图 像 分 割 研 究进 展J.电 子 学 报,2019,47(8):1776-791.5 云 红 全,章 启 恒,田 振 坡,等.基 于 图 像 融 合 的 高

50、分 全 色遥 感 影 像 变 化 检 测J.测 绘 与 空 间 地 理 信 息,2019,42(4):105-109.6 LI BN,CHUI CK,CHANG S,et al.Integrating spatial fuzzy clustering with level set methods for automated medi-cal image segmentation J.Computers in biology and medicine,2011,41(1):1-10.7 胡 玉 玺,李 轶 鲲,杨 萍.基 于 上 下 文 敏 感 的 贝 叶 斯 网 络及 方 向 关 系 的 遥