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国土资源遥感  2018, Vol. 30 Issue (1): 22-29    DOI: 10.6046/gtzyyg.2018.01.04
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基于面向对象与深度学习的典型地物提取
金永涛1,3(), 杨秀峰1,3, 高涛2, 郭会敏2, 刘世盟1
1.北华航天工业学院,廊坊 065000
2.航天恒星科技有限公司,北京 100086
3.河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心,廊坊 065000
The typical object extraction method based on object-oriented and deep learning
Yongtao JIN1,3(), Xiufeng YANG1,3, Tao GAO2, Huimin GUO2, Shimeng LIU1
1.North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China
2.Space Star Technology Co., LTD,Beijing 100086, China
3.Collaborative Innovation Center of Aerospace Remote Sensing Information Processing and Application of Hebei Province,Langfang 065000,China
全文: PDF(1149 KB)   HTML  
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摘要 

针对遥感图像地物分割问题面向对象方法可以将不同地物分割到不同的对象之中,在很大程度上解决了农作物、林地、水体、道路、建筑物等典型地物的混分问题,但面向对象方法对于形状、纹理等特征描述仍不够全面,信息量还不足以支撑完整的地物分类、识别。提出一种将面向对象与深度学习相结合的新方法,选用卷积神经网络Caffe框架,对训练样本数据进行深度学习,掌握不同对象的纹理等特性,形成深度学习模型,反过来指导对象分类。实验表明,新方法可以有效解决典型地物分不准的问题。

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金永涛
杨秀峰
高涛
郭会敏
刘世盟
关键词 面向对象深度学习卷积神经网络目标识别    
Abstract

The object-oriented method solves the problem of segmentation of objects, divides different features into different objects and to a great extent separates the cultivated land, forest land, water, roads, buildings and other typical objects which are inseparable; nevertheless, the object oriented method for features such as shape, texture description is not comprehensive, the amount of information is not enough to support the whole classification and recognition. In this paper, a new method of combining object-oriented and deep learning is proposed, in which the Caffe framework of convolution neural network is used to study the training sample data in depth and, by grasping the texture of different objects and forming deep learning model, guides the classification of objects. The experiment shows that the new method can effectively solve the problem of the low classification accuracy.

Key wordsobject-oriented    deep learning    convolution neural network    object recognition
收稿日期: 2017-06-03      出版日期: 2018-02-08
:  TP79  
基金资助:国家高分辨率对地观测系统重大专项“基于高分数据的京津冀一体化协同发展区域监测技术”(编号: 67-Y20A07-9002-16/17)、河北省科技计划“基于北斗系统和高分遥感数据的县域集成信息服务平台关键技术研究”(编号: 16210310D)和河北省军民结合产业发展专项资金“协同创新中心—基于国产高分数据的县域农业遥感监测与分析”(编号: JMJHZX-2016-01)共同资助
作者简介:

第一作者: 金永涛(1978-),男,副教授,主要从事遥感技术与应用、计算机网络与信息安全方面的研究。Email:jsj_jin@126.com

引用本文:   
金永涛, 杨秀峰, 高涛, 郭会敏, 刘世盟. 基于面向对象与深度学习的典型地物提取[J]. 国土资源遥感, 2018, 30(1): 22-29.
Yongtao JIN, Xiufeng YANG, Tao GAO, Huimin GUO, Shimeng LIU. The typical object extraction method based on object-oriented and deep learning. Remote Sensing for Land & Resources, 2018, 30(1): 22-29.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2018.01.04      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2018/V30/I1/22
Fig.1  选取的实验样本区域GF-2影像
分类方法 优点 缺点 两者结合点
面向对象方法 将不同的地物分割到不同的对象之中,对分类起了至关重要的作用,可以建立各种对象特征规则集来提取地物 对于形状、纹理特征描述得不够全面、准确,信息量还不足以支撑地物分类和识别 通过面向对象构建特征规则集可以进行前期的地物提取,并由地物对象构建深度学习所需要的数据训练集; 由于深度学习往往都是通过RGB图像进行训练,没充分考虑遥感图像多波段的特性,结果会有错误和偏差,因此,可以在面向对象通过地物特征集中进行修正
深度学习方法 可以掌握不同地物的形状、纹理、背景等特性,比较准确地区分不同地物,并按照训练结果来分割地物 一方面对于图像分类模型需要大量的数据来训练,特别对于图像分割模型来说,需要大量的标签来标识不同地物,人工标识的话工作量太大; 另一方面,深度学习的结果往往是栅格图像,最终结果很难修正
Tab.1  面向对象与深度学习方法优缺点对比分析
Fig.2  典型地物目标识别技术流程图
Fig.3  多尺度分割结果示意图
序号 层次 类别 判断依据 规则 备注
1 大尺度分割层(分割尺度100,颜色0.7,平滑度0.5) 建筑物 亮度值 亮度>398 建筑物光谱较为高亮,方差较大
2 道路 宽度和长宽比 宽度<17.8,长宽比>12.5 呈条带状,长宽比较大
3 水体 NDWI NDWI>0.5 NDWI用来提取影像中的水体信息,效果较好,NDWI= (B2-B4)/(B4+B2)
4 植被 NDVI NDVI>0 NDVI是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。NDVI=(B4-B3)/(B4+B3)
5 小尺度分割层(分割尺度65,颜色0.7,平滑度0.5) 农作物 提取于植被,形状规则 边界指数>1.5,同质性<12 考虑内部父对象与子对象关系、对象的边界指数、紧致度、同质性等
6 林地 提取于植被,颜色更绿 NDVI>0.45,同质性>32
Tab.2  对象规则集
序号 样本名称 样本 样本数
1 建筑物 612
2 水体 202
3 道路 645
4 农作物 700
5 林地 687
Tab.3  典型地类训练样本
Fig.4  卷积神经网络结构
Fig.5  图像卷积过程示意图
Fig.6  池化运算
Fig.7  基于面向对象分类方法的典型龙虎庄乡地物提取结果图
Fig.8  结合深度学习模型的龙虎庄乡典型地物提取结果图
Fig.9  龙虎庄乡试验区随机点分布图
地物类别 建筑物 农作物 林地 水体 道路 其他 分类总数
建筑物 32 1 3 1 4 1 42
农作物 2 65 22 0 0 0 89
林地 5 20 105 1 1 0 132
水体 1 0 1 12 1 0 15
道路 5 1 1 2 9 0 18
其他 0 0 0 0 1 3 4
实际总数 45 87 132 16 16 4 300
Tab.4  基于面向对象分类方法的典型地物分类混淆矩阵
地物类别 错分误差 漏分误差 制图精度 用户精度
建筑物 23.81 28.89 71.11 76.19
农作物 26.97 25.29 74.71 73.03
林地 20.45 20.45 79.55 79.55
水体 20.00 25.00 75.00 80.00
道路 50.00 43.75 56.25 50.00
其他 25.00 25.00 75.00 75.00
Tab.5  基于面向对象分类方法的地物分类错分误分、漏分误分、制图精度与用户精度
地物类别 建筑物 农作物 林地 水体 道路 其他 分类总数
建筑物 38 0 2 0 2 0 42
农作物 0 69 5 1 1 0 76
林地 5 18 125 0 1 1 150
水体 1 0 0 13 0 0 14
道路 1 0 0 1 12 0 14
其他 0 0 0 1 0 3 4
实际总数 45 87 132 16 16 4 300
Tab.6  结合深度学习模型分类方法的典型地物分类混淆矩阵
地物类别 错分误差 漏分误差 制图精度 用户精度
建筑物 9.52 15.56 84.44 90.48
农作物 9.21 20.69 79.31 90.79
林地 16.67 5.30 94.70 83.33
水体 7.14 18.75 81.25 92.86
道路 14.29 25.00 75.00 85.71
其他 25.00 25.00 75.00 75.00
Tab.7  结合深度学习模型分类方法的地物分类错分误分、漏分误分、制图精度与用户精度
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