Please wait a minute...
 
自然资源遥感  2023, Vol. 35 Issue (3): 80-87    DOI: 10.6046/zrzyyg.2022164
  技术方法 本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索 |
顾及地学特征的遥感影像语义分割模型性能评价方法
刘立1,2(), 董先敏1,2(), 刘娟1
1.自然资源部第三地理信息制图院,成都 610100
2.自然资源部数字制图与国土信息应用重点实验室,成都 610100
A performance evaluation method for semantic segmentation models of remote sensing images considering surface features
LIU Li1,2(), DONG Xianmin1,2(), LIU Juan1
1. The Third Geographical Information Mapping Institute of Natural Resources Ministry, Chengdu 610100, China
2. Key Laboratory on Digital Mapping and Land Information Application, Natural Resources Ministry, Chengdu 610100, China
全文: PDF(4774 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

深度语义分割目前已经被广泛应用于国土遥感监测和遥感解译生产领域,针对现有语义分割结果质量评价方法无法反映语义分割结果在空间几何特征上保持情况的客观问题,文章从遥感解译与测绘生产的实际需求出发,提出了一种顾及地学特征的遥感影像语义分割模型性能评价方法——连通相似性指数(connectivity similarity, CSIM),从遥感地物图斑连通相似性层面,将地学特征嵌入语义分割模型性能评价体系。该方法可以定量评估遥感影像语义分割结果与实际样本标签的图斑连通相似性程度,准确描述预测分类结果中图斑完整性的保持情况,从而更加客观地判断预训练模型是否适用于测绘生产的遥感解译工作。经过大量实践证实,该评价方法可以更好地实时监测和控制模型训练,有效地指导从预训练模型集合中选取最优性能的模型,准确地评估顾及地物几何特征的遥感影像预测结果的真实质量,对深度学习赋能遥感解译与测绘生产具有重要作用。

服务
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章
刘立
董先敏
刘娟
关键词 性能评价语义分割地学特征遥感解译深度学习    
Abstract

Deep semantic segmentation has been widely applied in land monitoring and interpretation based on remote sensing images. However, existing quality evaluation methods cannot reflect the preserved spatial geometric features of semantic segmentation results. Based on the practical demand for remote sensing image interpretation, surveying, and mapping, this study proposed a method for the performance evaluation of semantic segmentation models for remote sensing images considering geoscience features: the connectivity similarity index (CSIM). From the perspective of the connectivity similarity of surface feature spots in remote sensing images, the CSIM method embedded the surface features into the performance evaluation system of semantic segmentation models. The CSIM method allows for quantitatively evaluating the connectivity similarity of spots between the semantic segmentation results of remote sensing images and the actual sample labels, thus accurately describing the preserved spot integrity in the predicted classification results. Therefore, the CSIM method can objectively determine the applicability of a pre-training model to remote sensing image interpretation in surveying and mapping production. As substantiated by a lot of practice, the CSIM method can monitor and control the model training in real time, effectively guide the selection of the optimal pre-training model, and accurately evaluate the quality of remote sensing image interpretation results considering geoscience features. Therefore, the CSIM method is critical for deep-learning-enabled remote sensing image interpretation, surveying, and mapping.

Key wordsmodel performance evaluation    semantic segmentation    geoscience feature    remote sensing interpretation    deep learning
收稿日期: 2022-04-27      出版日期: 2023-09-19
ZTFLH:  TP79  
基金资助:四川省重点研发计划项目“面向国土空间规划的自然资源三维智能化管控关键技术研究与应用”(2022YFS0450);自然资源科技创新发展项目“自然资源技术融合研究与应用示范”(121204007000204101)
通讯作者: 董先敏(1994-),女,研究生,工程师,主要从事行业地理信息服务应用研究。Email: 1390470924@qq.com
作者简介: 刘 立(1989-),男,本科,工程师,主要从事自然资源调查监测与地理信息工程应用研究。Email: 274114486@qq.com
引用本文:   
刘立, 董先敏, 刘娟. 顾及地学特征的遥感影像语义分割模型性能评价方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 80-87.
LIU Li, DONG Xianmin, LIU Juan. A performance evaluation method for semantic segmentation models of remote sensing images considering surface features. Remote Sensing for Natural Resources, 2023, 35(3): 80-87.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2022164      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2023/V35/I3/80
指标 意义
准确率 正确预测的样本占总样本的比例
精确率 “正确被预测为正”占所有“实际被预测为正”的比例
召回率 “正确被预测为正”占所有“应该被预测为正”的比例
Tab.1  常用评价指标
Fig.1  真实标签和预测标签对比示意图
指标 图1(b) 图1(c) 图1(d)
准确率 0.78 0.78 0.78
精确率 1 1 1
召回率 0.56 0.56 0.56
Tab.2  预测标签评价指标结果
Fig.2  性能指标评价方法对比
Fig.3  连通图斑示意图
Fig.4  空间相交关系
Fig.5  空间校准示意图
Fig.6  动态连通区规整
Fig.7  测试影像与真实标签
参数 数值
样本数量/个 20 000
样本大小/像素 256×256
通道 RGB 3通道
网络模型 Res-UNet
批尺寸/个 16
预设训练时期/次 200
Tab.3  模型训练实验参数
Fig.8  模型训练评估指标演变
Fig.9  不同时期模型预测标签连通图斑对比情况
Fig.10  目标模型集合CSIM评价值
Fig.11  不同时期测试影像局部区域的预测二值图像
[1] 龚健雅, 许越, 胡翔云, 等. 遥感影像智能解译样本库现状与研究[J]. 测绘学报, 2021, 50(8):1013-1022.
doi: 10.11947/j.AGCS.2021.20210085
Gong J Y, Xu Y, Hu X Y, et al. Status analysis and research of sample database for intelligent interpretation of remote sensing image[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2021, 50(8):1013-1022.
doi: 10.11947/j.AGCS.2021.20210085
[2] Rawat W, Wang Z H. Deep convolutional neural networks for image classifycation:A comprehensive review[J]. Neural Computation, 2017, 29(9):2352-2449.
doi: 10.1162/neco_a_00990
[3] Yuan Q Q, Shen H F, Li T W, et al. Deep learning in environmental remote sensing:Achievements and challenges[J]. Remote Sensing of Environment, 2020, 241:111716.
doi: 10.1016/j.rse.2020.111716
[4] Zhang L P, Zhang L F, Du B. Deep learning for remote sensing data:A technical tutorial on the state of the art[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 2016, 4(2):22-40.
doi: 10.1109/MGRS.2016.2540798
[5] 洪亮, 冯亚飞, 彭双云, 等. 面向对象的多尺度加权联合稀疏表示的高空间分辨率遥感影像分类[J]. 测绘学报, 2022, 51(2):224-237.
doi: 10.11947/j.AGCS.2022.20190290
Hong L, Feng Y F, Peng S Y, et al. Classification of high spatial resolution remote sensing imagery based on object-oriented multiscale weighted sparse representation[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(2):224-237.
[6] Zhang P L, Lyu Z Y, Shi W Z. Object-based spatial feature for classification of very high resolution remote sensing images[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2013, 10(6):1572-1576.
doi: 10.1109/LGRS.2013.2262132
[7] 段嘉鑫. 基于上下文信息的图像分割结果质量评价方法研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2021.
Duan J X. Research on evaluation method of image segmentation results quality based on context information[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology, 2021.
[8] 党宇. 基于卷积神经网络的地表覆盖分类自动质量评价方法研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2018.
Dang Y. Study on automatic evaluation method of land cover classification based on convolutional neural network[D]. Xuzhou: University of Mining and Technology of China, 2018.
[9] 郑明国, 蔡强国, 秦明周, 等. 一种遥感影像分类精度检验的新方法[J]. 遥感学报, 2006, 10(1):39-48.
Zheng M G, Cai Q G, Qin M Z, et al. A new approach to accuracy assessment of classifications of remotely sensed data[J]. Journal of Remote Sensing, 2006, 10(1):39-48.
[10] 欧阳松. 地学知识嵌入的遥感影像深度语义分割方法研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2021.
Ouyang S. The methodology research on geographic knowledge-guided deep semantic segmentation of remote sensing imagery[D]. Wuhan: Wuhan University, 2021.
[11] 陶超, 阴紫薇, 朱庆, 等. 遥感影像智能解译:从监督学习到自监督学习[J]. 测绘学报, 2021, 50(8):1122-1134.
doi: 10.11947/j.AGCS.2021.20210089
Tao C, Yin Z W, Zhu Q, et al. Remote sensing image intelligent interpretation:From supervised learning to self-supervised learning[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2021, 50(8):1122-1134.
[12] 龚健雅. 人工智能时代测绘遥感技术的发展机遇与挑战[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2018, 43(12):1788-1796.
Gong J Y. Chances and challenges for development of surveying and remote sensing in the age of artificial intelligence[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(12):1788-1796.
[13] 叶利华, 王磊, 张文文, 等. 高分辨率光学遥感场景分类的深度度量学习方法[J]. 测绘学报, 2019, 48(6):698-707.
doi: 10.11947/j.AGCS.2019.20180434
Ye L H, Wang L, Zhang W W, et al. Deep metric learning method for high resolution remote sensing image scene classification[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2019, 48(6):698-707.
doi: 10.11947/j.AGCS.2019.20180434
[14] 常亮, 邓小明, 周明全, 等. 图像理解中的卷积神经网络[J]. 自动化学报, 2016, 42(9):1300-1312.
Chang L, Deng X M, Zhou M Q, et al. Convolutional neural networks in image understanding[J]. Acta Automatica Sinica, 2016, 42(9): 1300-1312.
[15] 曹玉东, 刘海燕, 曹旭, 等. 基于深度学习的图像质量评价方法综述[J]. 计算机工程与应用, 2021, 57(23):27-36.
doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.2106-0228
Cao Y D, Liu H Y. Cao X, et al. Overview of image quality assessment method based on deep learning[J]. Computer Engineering and Applications, 2021, 57(23):27-36.
doi: 10.3778/j.issn.1002-8331.2106-0228
[16] 钱晓亮, 李佳, 程塨, 等. 特征提取策略对高分辨率遥感图像场景分类性能影响的评估[J]. 遥感学报, 2018, 22(5):758-776.
Qian X L, Li J, Cheng G, et al. Evaluation of the effect of feature extraction strategy on the performance of high-resolution remote sensing image scene classification[J]. Journal of Remote Sensing, 2018, 22(5):758-776.
[17] 李琳, 余胜生. 基于深度学习模型的图像质量评价方法[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2016, 44(12):70-75.
Li L, Yu S S. Image quality evaluation method based on deep learning model[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2016, 44(12):70-75.
[18] 薛廉, 周春兰. 基于监督分类分区域的特征因子提取[J]. 地理空间信息, 2009, 7(2):100-102.
Xue L, Zhou C L. Feature factor extraction based on supervised classification subregions[J]. Geospatial Information, 2009, 7(2):100-102.
[1] 牛祥华, 黄微, 黄睿, 蒋斯立. 基于注意力特征融合的高保真遥感图像薄云去除[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 116-123.
[2] 林佳惠, 刘广, 范景辉, 赵红丽, 白世彪, 潘宏宇. 联合改进U-Net模型和D-InSAR技术采矿沉陷提取方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(3): 145-152.
[3] 张仙, 李伟, 陈理, 杨昭颖, 窦宝成, 李瑜, 陈昊旻. 露天开采矿区要素遥感提取研究进展及展望[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 25-33.
[4] 刁明光, 刘勇, 郭宁博, 李文吉, 江继康, 王云霄. 基于Mask R-CNN的遥感影像疏林地智能识别方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 97-104.
[5] 熊东阳, 张林, 李国庆. 基于最大熵模型的遥感土地利用多分类研究[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 140-148.
[6] 邱磊, 张学志, 郝大为. 基于深度学习的视频SAR动目标检测与跟踪算法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 157-166.
[7] 胡建文, 汪泽平, 胡佩. 基于深度学习的空谱遥感图像融合综述[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(1): 1-14.
[8] 赵凌虎, 袁希平, 甘淑, 胡琳, 丘鸣语. 改进Deeplabv3+的高分辨率遥感影像道路提取模型[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(1): 107-114.
[9] 张可, 张庚生, 王宁, 温静, 李宇, 杨俊. 基于遥感和深度学习的输电线路地表水深预测[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(1): 213-221.
[10] 孟琮棠, 赵银娣, 韩文泉, 何晨阳, 陈锡秋. 基于RandLA-Net的机载激光雷达点云城市建筑物变化检测[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 113-121.
[11] 沈骏翱, 马梦婷, 宋致远, 柳汀洲, 张微. 基于深度学习语义分割模型的高分辨率遥感图像水体提取[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 129-135.
[12] 吕雅楠, 朱红, 孟健, 崔成玲, 宋其淇. 面向高分辨率遥感影像车辆检测的深度学习模型综述及适应性研究[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 22-32.
[13] 谭海, 张荣军, 樊文锋, 张一帆, 徐航. 融合多尺度特征的国产光学影像辐射异常分类检测[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 97-104.
[14] 苏玮, 林阳阳, 岳文, 陈颖彪. 基于U-Net卷积神经网络的广东省海水养殖区识别及其时空变化遥感监测[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 33-41.
[15] 张鹏强, 高奎亮, 刘冰, 谭熊. 联合空谱信息的高光谱影像深度Transformer网络分类[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(3): 27-32.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
京ICP备05055290号-2
版权所有 © 2015 《自然资源遥感》编辑部
地址:北京学院路31号中国国土资源航空物探遥感中心 邮编:100083
电话:010-62060291/62060292 E-mail:zrzyyg@163.com
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发