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自然资源遥感  2021, Vol. 33 Issue (4): 72-81    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021020
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结合空间约束的卷积神经网络多模型多尺度船企场景识别
于新莉1(), 宋妍1(), 杨淼1, 黄磊2, 张艳杰2
1.中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院,武汉 430074
2.国家卫星海洋应用中心,北京 100081
Multi-model and multi-scale scene recognition of shipbuilding enterprises based on convolutional neural network with spatial constraints
YU Xinli1(), SONG Yan1(), YANG Miao1, HUANG Lei2, ZHANG Yanjie2
1. School of Geography and Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
2. National Satellite Ocean Application Service, Beijing 100081, China
全文: PDF(9885 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

船企场景识别对修复沿岸生态环境、保护水域环境以及促进船舶产业的协调发展具有现实意义,但传统方法基于中、低层次的特征难以实现卫星遥感图像中船企的自动识别。为此,提出了结合空间约束的卷积神经网络多模型多尺度船企场景识别方法。首先分别采用全局尺度的船企场景和局部尺度船坞(台)、厂房和船只样本训练多个卷积神经网络模型,并进行多模型多尺度检测; 进而对局部对象进行像素级定位并计算对象空间距离; 最终结合多尺度检测结果、对象标签组合方式、对象空间距离进行船企场景综合判别与提取。将此方法分别应用于中国江苏省、日本长崎县和爱媛县周边以及韩国木浦市和巨济市周边5个典型造船密集区。结果表明,江苏省整体识别精确度为87%,召回率为85%; 日本研究区整体识别精确度为91%,召回率为87%; 韩国研究区整体识别精确度为85%,召回率为92%。实验结果表明,此方法可以较好地实现遥感船企复杂场景的识别。

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于新莉
宋妍
杨淼
黄磊
张艳杰
关键词 卫星遥感造船企业卷积神经网络多尺度空间距离约束    
Abstract

The scene recognition of shipbuilding enterprises is of practical significance for the restoration of the coastal ecological environment, the protection of water environment, and the promotion of the coordinated development of shipbuilding enterprises. However, it is difficult to realize the automatic recognition of shipbuilding enterprises from satellite remote sensing images based on traditional medium- and low-level features. Therefore, this paper proposes a multi-model multi-scale scene recognition method of shipbuilding enterprises based on a convolutional neural network with spatial constraints and the steps are as follows. Firstly, train multiple convolutional neural network models using the samples of global-scale shipbuilding enterprise scenes and local-scale docks (slipways), workshops, and ships individually, and conduct multi-model multi-scale detection. Then, locate local-scale objects at a pixel level and calculate the spatial distance of the objects. Finally, conduct comprehensive judgment and extraction of the shipbuilding enterprise scenes according to the multi-scale detection results, the combination method of object tags, and the spatial distance of objects. The method was applied to five typical shipbuilding intensive areas in Jiangsu Province, China, the surrounding areas of Nagasaki and Ehime prefectures, Japan, and Mokpo and Geoje cities, South Korea. As a result, the overall recognition accuracy and recall rate were 87% and 85%, respectively in Jiangsu Province, were 91% and 87%, respectively in the study area in Japanese, and were 85% and 92%, respectively in the study area in South Korean. The experimental results show that this method can realize the effective recognition of the complex scenes of shipbuilding enterprises based on remote sensing images.

Key wordssatellite remote sensing    shipbuilding enterprises    convolutional neural networks    multi-scale    spatial distance constraint
收稿日期: 2021-01-15      出版日期: 2021-12-23
ZTFLH:  TP79  
基金资助:海洋领域融合应用示范项目(2020010004);国防科工局民用“十三五”航天预先研究项目“星载高分辨率红外高光谱相机及应用技术”(D040104)
通讯作者: 宋妍
作者简介: 于新莉(1997-),女,硕士,主要研究方向为深度学习、海岸带多源遥感监测等。Email: yu_xinli@cug.edu.cn
引用本文:   
于新莉, 宋妍, 杨淼, 黄磊, 张艳杰. 结合空间约束的卷积神经网络多模型多尺度船企场景识别[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(4): 72-81.
YU Xinli, SONG Yan, YANG Miao, HUANG Lei, ZHANG Yanjie. Multi-model and multi-scale scene recognition of shipbuilding enterprises based on convolutional neural network with spatial constraints. Remote Sensing for Natural Resources, 2021, 33(4): 72-81.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021020      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2021/V33/I4/72
Fig.1  船企内部结构图
地物
类型
解译标志
船坞(台) 是指修造船的专用场地,坞式或台式建筑物,主要分布在水陆交界的位置
船只 位于船坞(台)内或停靠在码头附近,从内部纹理可以明显看出还未构建完整,正在舾装、涂装
厂房 蓝色、灰色或白色的矩形建筑,排列整齐,有规则纹理,比普通房屋面积大,周围存在材料堆放
Tab.1  船企内部解译标志
Fig.2  残差学习单元
Fig.3  多模型检测流程
Fig.4  多模型多尺度船企识别流程
Fig.5  局部对象空间关系约束
Fig.6  船企场景识别流程
样本类型 船企场景 船坞(台) 厂房 船只
样本数量/个 1 032 1 104 1 300 1 008
Tab.2  样本数量
指标 船企场景 船坞(台) 厂房 船只
精确度 99.5 96.3 98.8 97.8
召回率 100 99.2 99.4 98.4
虚警率 0.5 3.7 1.2 2.2
漏警率 0 0.8 0.6 1.6
Tab.3  网络训练结果
Fig.7  江苏省研究区域结果展示
Fig.8  日本研究区域结果展示
Fig.9  韩国研究区域结果展示
基础网络 AlexNet VGG16 ResNet50
精确度 46.63 42.36 87
召回率 73.17 69.92 85
虚警率 53.37 57.64 13
漏警率 26.83 30.08 15
Tab.4  基于不同基础网络模型的江苏省船企识别结果
Fig.10  江苏省船企分布的最终识别结果
正检结果 大型船企 中型船企 滩涂船厂
错检结果 港口码头 沿海工厂 其他
漏检结果 中型船企 小型船企 滩涂船企
Tab.5  江苏省船企识别结果细节展示
Fig.11  日本研究区域的船企识别结果
正检结果 大型船企 中型船企 小型船厂
错检结果 沿海工厂 沿海工厂
漏检结果 中型船企 小型船企 小型船企
Tab.6  日本研究区船企识别结果细节展示
正检结果 大型船企 中型船企 小型船厂
错检结果 港口码头 沿海工厂 其他
漏检结果 小型船企 小型船企
Tab.7  韩国研究区船企识别结果细节展示
Fig.12  韩国研究区域的船企识别结果
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