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自然资源遥感  2025, Vol. 37 Issue (2): 11-18    DOI: 10.6046/zrzyyg.2023302
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基于样本迭代优化策略的密集连接多尺度土地覆盖语义分割
郑宗生1(), 高萌1(), 周文睆1, 王政翰1, 霍志俊1, 张月维2
1.上海海洋大学信息学院,上海 201306
2.广州气象卫星地面站,广州 510650
Densely connected multiscale semantic segmentation for land cover based on the iterative optimization strategy for samples
ZHENG Zongsheng1(), GAO Meng1(), ZHOU Wenhuan1, WANG Zhenghan1, HUO Zhijun1, ZHANG Yuewei2
1. Department of Information, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
2. Guangzhou Meteorological Satellite Ground Station, Guangzhou 510650, China
全文: PDF(2390 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

针对分割结果小尺度地物遗漏、连续地物缺乏完整性问题,提出密集连接多尺度语义分割模型(densely connected multi-scale semantic segmentation network,DMS-Net),实现土地覆盖分割。通过多尺度密集连接空洞空间卷积金字塔池化(multi-scale dense connected atrous spatial convolution pyramid pooling module,MDCA)和条形池化(spatial pyramid pooling,SP)提取多尺度和空间连续性地物; 利用特征增强双注意力并联模块(position paralleling channel attention module,PPCA)衡量特征权重,实现高效表达; 采用浅层特征级联模块(cascade low-level feature fusion,CLFF)捕捉被忽略的浅层特征,进一步补充细节。实验结果表明: DMS-Net模型在迭代扩充数据集上的总体精度(overall accuracy,OA)达到89.97%,平均交并比(mean intersection over union,mIoU)达到75.59%,高于传统机器学习方法及U-Net,PSPNet,Deeplabv3+等深度学习模型。分割结果显示,地物结构完整且边缘分割明晰,在实现多尺度的土地覆盖遥感信息提取分析中具有较好的实用价值。

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郑宗生
高萌
周文睆
王政翰
霍志俊
张月维
关键词 深度学习全卷积神经网络多尺度语义分割土地覆盖    
Abstract

To address the issues of missing small-scale surface features and incomplete continuous features in segmentation results, this study proposed a densely connected multiscale semantic segmentation network (DMS-Net) model for land cover segmentation. The model integrates a multiscale densely connected atrous spatial convolution pyramid pooling module and strip pooling to extract multiscale and spatially continuous features. A position paralleling Channel attention module (PPCA) is employed to assess feature weights for high-efficiency expression. A cascade low-level feature fusion (CLFF) module is applied to capture neglected low-level features, further complementing details. Experimental results demonstrate that the DMS-Net model achieved an overall accuracy (OA) of 89.97 % and a mean intersection over union (mIoU) of 75.59 % on an iteratively extended dataset, outperforming traditional machine learning methods and deep learning models like U-Net, PSPNet, and Deeplabv3+. The segmentation results of the DMS-Net model reveal structurally complete surface features with clear boundaries, underscoring its practical value in multiscale extraction and analysis of remote sensing information for land cover.

Key wordsdeep learning    fully convolutional neural network    multiscale    semantic segmentation    land cover
收稿日期: 2023-10-16      出版日期: 2025-05-09
ZTFLH:  TP79  
  P237  
基金资助:国家自然科学基金项目“一种面向多模态遥感信息的质量抽样检验方案研究”(41671431);上海市科委地方能力建设项目“复杂潮汐环境下海岛(礁)地物信息提取与精度验证方法及其示范应用”(19050502100);广州气象卫星地面站项目“基于气象卫星遥感的台风中心定位AI模型引进”(D-8006-23-0157)
通讯作者: 高 萌(1996-),女,硕士研究生,主要研究方向为基于深度学习的遥感图像分类。Email:952250950@qq.com
作者简介: 郑宗生(1979-),男,博士,副教授,主要研究方向为遥感图像处理。Email:zszheng@shou.edu.cn
引用本文:   
郑宗生, 高萌, 周文睆, 王政翰, 霍志俊, 张月维. 基于样本迭代优化策略的密集连接多尺度土地覆盖语义分割[J]. 自然资源遥感, 2025, 37(2): 11-18.
ZHENG Zongsheng, GAO Meng, ZHOU Wenhuan, WANG Zhenghan, HUO Zhijun, ZHANG Yuewei. Densely connected multiscale semantic segmentation for land cover based on the iterative optimization strategy for samples. Remote Sensing for Natural Resources, 2025, 37(2): 11-18.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2023302      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2025/V37/I2/11
Fig.1  研究区域概况图
Fig.2  研究技术路线图
Fig.3  DMS-Net网络结构
Fig.4  密集连接多尺度信息模块图(MDCA_SP)
空洞率组合 连接方式 F1-score 总体精度
绿地 耕地 水体 主干道 建筑 其他 OA mIoU
[3,6,12,18,24] 密集连接 91.14 89.03 92.25 76.69 80.05 82.03 85.57 73.59
传统连接 88.57 89.33 92.60 72.50 78.40 83.13 85.16 72.31
[6,12,18,24] 密集连接 89.80 89.90 93.07 79.10 78.62 83.95 86.10 74.16
传统连接 90.80 88.38 91.36 76.80 74.65 83.35 84.26 73.04
[3,12,24] 密集连接 89.47 90.02 93.04 78.99 73.76 84.14 86.16 73.85
传统连接 90.70 89.12 92.58 75.58 73.53 85.99 85.43 72.71
[3,6,12,18] 密集连接 90.71 90.28 93.05 78.85 87.05 87.19 89.97 75.59
传统连接 89.56 89.94 92.79 78.77 83.19 83.85 86.02 74.04
Tab.1  不同卷积率组合实验精度比较
分组 DMS-Net a组 b组 c组
MDCA_SP ×
PPCA ×
CLFF ×
OA/% 89.97 87.71 86.22 86.76
mIoU/% 75.59 73.92 72.25 73.70
Mean F1-score/% 88.02 85.26 85.16 85.13
Tab.2  消融实验结果
方法 F1-score 总体精度
绿地 耕地 水体 主干道 建筑 其他 OA mIoU
SVM 79.13 78.88 85.36 51.56 69.47 69.33 71.72 60.58
U-Net 89.72 87.23 92.70 76.28 82.22 84.39 85.22 72.19
PSPNet 88.20 88.82 90.24 76.09 85.98 83.68 84.53 70.89
Deeplabv3+ 87.18 88.25 91.77 75.11 85.17 86.49 85.57 71.01
DMS-Net 90.71 90.28 93.05 78.85 87.05 87.19 89.97 75.59
Tab.3  信息提取方法效果比较
图像类型 区域a 区域b 区域c 区域d 区域e
NIR,R,G
真实标签
SVM
DMS-Net
Deeplabv3+
PSPNet
U-Net
Tab.4  区域细节分割结果可视化结果
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