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自然资源遥感  2021, Vol. 33 Issue (4): 252-257    DOI: 10.6046/zrzyyg.2021017
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基于U-Net网络和GF-6影像的尾矿库空间范围识别
张成业1,2(), 邢江河1, 李军1,2(), 桑潇1
1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083
2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083
Recognition of the spatial scopes of tailing ponds based on U-Net and GF-6 images
ZHANG Chengye1,2(), XING Jianghe1, LI Jun1,2(), SANG Xiao1
1. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China
2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China
全文: PDF(3498 KB)   HTML  
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摘要 

利用遥感手段实现尾矿库空间范围的快速识别对我国尾矿库监测监管具有重要意义。以U-Net网络框架为基础,提出了基于深度学习的尾矿库空间范围遥感智能识别方法,利用国产高分六号影像在云南省红河哈尼族彝族自治州开展了应用验证。结果表明,该方法对尾矿库空间范围识别的精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1-score值分别达到0.874,0.843和0.858,显著优于随机森林、支持向量机、最大似然法; 尾矿库空间范围识别的耗时与上述3种方法保持相同的数量级水平。该方法在全国尾矿库空间范围变化的遥感快速监测中具有广阔的应用前景。

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张成业
邢江河
李军
桑潇
关键词 深度神经网络高分六号尾矿库遥感识别    
Abstract

It is of great significance for the monitoring and supervision of tailing ponds in China to realize the rapid recognition of the spatial scopes of tailing ponds using the remote sensing technique. Based on the U-Net framework, this paper proposes a deep learning-based intelligent recognition method of the spatial ranges of tailing ponds using the remote sensing technique. The method proposed was verified in Honghe Hani and Yi Autonomous Prefecture in Yunnan Province using Chinese GF-6 satellite images. The results show that the precision, recall rate, and F1-score of the method were 0.874, 0.843, and 0.858, respectively, which were significantly better than those obtained using the methods of random forest, support vector machine, and maximum likelihood. Furthermore, the time consumption of the new method kept the same order of magnitude as that of the three methods. Therefore, the method proposed in this study has a broad application prospect in the rapid monitoring of the spatial scopes of tailing ponds in China.

Key wordsdeep neural network    GF-6 satellite    tailing pond    recognition based on remote sensing images
收稿日期: 2021-01-14      出版日期: 2021-12-23
ZTFLH:  TP79  
基金资助:高分辨率对地观测重大专项航空观测系统项目“基于高分航空应用校飞数据的生态环境应用技术研究”(30-H30C01-9004-19/21);中央高校基本科研业务费项目“露天矿区生态环境协同演变遥感大数据监测与分析”(2021YQDC02);“空天遥感大数据驱动的矿区生态环境演变量化分析”(2021JCCXDC05)
通讯作者: 李军
作者简介: 张成业(1991-),男,博士,副教授,主要从事矿区生态环境遥感、遥感图像智能处理等研究。Email: czhang@cumtb.edu.cn
引用本文:   
张成业, 邢江河, 李军, 桑潇. 基于U-Net网络和GF-6影像的尾矿库空间范围识别[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(4): 252-257.
ZHANG Chengye, XING Jianghe, LI Jun, SANG Xiao. Recognition of the spatial scopes of tailing ponds based on U-Net and GF-6 images. Remote Sensing for Natural Resources, 2021, 33(4): 252-257.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2021017      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2021/V33/I4/252
Fig.1  研究区位置及GF-6 B3(R), B2(G),B1(B)合成影像
波段名称 波长/nm 空间分辨率/m 幅宽/km
全色波段 450~900 2 90
多光谱波段 450~520 8 90
绿 520~590 8 90
630~690 8 90
近红外 770~890 8 90
Tab.1  GF-6卫星全色/多光谱图像的详细参数
Fig.2  本文技术路线图
Fig.3  研究区内的尾矿库样本示例
Fig.4  GF-6卫星影像尾矿库空间范围识别的网络结构
分类器 参数设置
深度学习网络 学习率: 0.000 01,学习率衰减方式: CosineAnnealingLR,优化器: Adam
随机森林 决策树个数: 100,决策树最大深度: 15
支持向量机 惩罚系数: 100,核函数: poly,正则化参数: L2正则化
最大似然法 高斯贝叶斯分类器
Tab.2  4种识别算法的参数设置
Fig.5  尾矿库识别结果及参考范围
方法 真实结果/
像元
识别结果/像元 Precision Recall F1-
score
尾矿库 非尾矿库
本文方法 尾矿库 384 533 71 585 0.874 0.843 0.858
非尾矿库 55 402 15 217 120
随机森林 尾矿库 363 962 92 156 0.815 0.798 0.806
非尾矿库 82 570 15 189 952
支持向量机 尾矿库 330 776 125 342 0.805 0.725 0.763
非尾矿库 79 948 15 192 574
最大似然法 尾矿库 312 467 143 651 0.794 0.685 0.735
非尾矿库 80 981 15 191 541
Tab.3  不同方法的精度对比
类别 配置
CPU Intel(R) Xeon(R) Gold5118 CPU @2.30 GHz
显卡 NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti
RAM 32 GB
操作系统 Windows10
Tab.4  计算机配置参数
方法 运行时间/s
本文方法 20
随机森林 35
支持向量机 65
最大似然法 13
Tab.5  不同方法的运行时间
[1] 沃廷枢, 汪贻水, 肖垂斌, 等. 尾矿库手册[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2013:1-13.
Wo T S, Wang Y S, Xiao C B, et al. Manual of tailings pond[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2013:1-13.
[2] Rotta S, Henrique L, Alcantara E, et al. The 2019 Brumadinho tailings dam collapse:Possible cause and impacts of the worst human and environmental disaster in Brazil[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2020,90:102119.
doi: 10.1016/j.jag.2020.102119
[3] 郝利娜, 张志, 何文熹, 等. 鄂东南尾矿库高分辨率遥感图像识别因子研究[J]. 国土资源遥感, 2012,24(3):154-158.doi: 10.6046/gtzyyg.2012.03.27.
doi: 10.6046/gtzyyg.2012.03.27
Hao L N, Zhang Z, He W X, et al. Tailings reservoir recognition factors of the high resolution remote sensing image in southeastern of Hubei[J]. Remote Sensing for Land and Resources, 2012,24(3):154-158.doi: 10.6046/gtzyyg.2012.03.27.
doi: 10.6046/gtzyyg.2012.03.27
[4] Ma B D, Chen Y T, Zhang S, et al. Remote sensing extraction method of tailings ponds in ultra-low-grade iron mining area based on spectral characteristics and texture entropy[J]. Entropy, 2018,20(5):345.
doi: 10.3390/e20050345
[5] Hao L N, Zhang Z, Yang X X. Mine tailing extraction indexes and model using remote-sensing images in southeast Hubei Province[J]. Environmental Earth Sciences, 2019,78(15):493.
doi: 10.1007/s12665-019-8439-1
[6] 曹兰杰, 吴兵, 汪金花, 等. 面向对象的高分一号铁尾矿遥感信息提取与分析[J]. 测绘与空间地理信息, 2019,42(4):98-101.
Cao L J, Wu B, Wang J H, et al. Object-oriented information extraction and analysis of the iron tailings with GF-1 remote sensing image[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2019,42(4):98-101.
[7] Fuentes M, Millard K, Laurin E. Big geospatial data analysis for Canada’s air pollutant emissions inventory (APEI):Using google earth engine to estimate particulate matter from exposed mine disturbance areas[J]. Giscience & Remote Sensing, 2019,57(2):245-257.
[8] 王立廷. 支持向量机结合面向对象提取尾矿库的应用研究[D]. 北京:中国地质大学(北京), 2018.
Wang L T. Research on application of support vector machine combined with object oriented method for tailing pond extraction[D]. Beijing:China University of Geosciences (Beijing), 2018.
[9] Orimoloye I R, Ololade O O. Spatial evaluation of land-use dynamics in gold mining area using remote sensing and GIS technology[J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2020,17(11):4465-4480.
doi: 10.1007/s13762-020-02789-8
[10] 闫凯, 沈汀, 陈正超, 等. 基于深度学习的SSD模型尾矿库自动提取[J]. 中国科学院大学学报, 2020,37(3):360-367.
Yan K, Shen T, Chen Z C, et al. Automatic extraction of tailing pond based on SSD of deep learning[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences, 2020,37(3):360-367.
[11] Li Q T, Chen Z C, Zhang B, et al. Detection of tailings dams using high-resolution satellite imagery and a single shot multibox detector in the Jing-Jin-Ji region,China[J]. Remote Sensing, 2020,12(16).
[12] 王建伟, 刘红军, 郭科. 基于粗糙集理论的矿产资源地质调查综合评价模型及其应用——以滇东南地区为例[J]. 资源科学, 2014,36(8):1608-1617.
Wang J W, Liu H J, Guo K. Mineral resource geological survey evaluation model based on a rough set theory:A case study in southeastern Yunnan[J]. Resources Science, 2014,36(8):1608-1617.
[13] 潘含江. 我国典型金属矿山尾矿地球化学特征及资源环境评价[D]. 北京:中国地质大学(北京), 2019.
Pan H J. Geochemical characteristics and resource environment assessment of tailings from typical metal mines in China[D]. Beijing:China University of Geosciences(Beijing), 2019.
[14] Yang A X, Zhong B, Hu L F, et al. Radiometric cross-calibration of the wide field view camera onboard GaoFen-6 in multispectral bands[J]. Remote Sensing, 2020,12(6):1037.
doi: 10.3390/rs12061037
[15] 杨可明. 遥感原理与应用[M]. 北京: 中国矿业大学出版社, 2016:231-234.
Yang K M. Remote sensing principle and applications[M]. Beijing: China University of Mining and Technology Press, 2016:231-234.
[16] Ronneberger O, Fischer P, Brox T. U-Net:Convolutional networks for biomedical image segmentation[C]//Medical image Computing and Computer-Assisted Intervention, 2015:234-241.
[17] Deepsense A. Deep learning for satellite imagery via image segmentation[EB/OL].(2017-4-12)[2021-01-12]. https://deepsense.io/deep-learning-for-satellite-imagery-via-image-segmentation/.
[18] Zhu X L, Cheng Z Y, Wang S, et al. Coronary angiography image segmentation based on PSPNet[J]. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 2020,200(4):105897.
doi: 10.1016/j.cmpb.2020.105897
[19] Diaz V, Jairo J, Vlaminck M, et al. Solar panel detection within complex backgrounds using thermal images acquired by UAVs[J]. Sensors, 2020,20(21):6219.
doi: 10.3390/s20216219
[20] Zhang L X, Shen J K, Zhu B J. A research on an improved Unet-based concrete crack detection algorithm[J]. Structural Health Monitoring-An International Journal, 2020: 1475921720940068.
[1] 闫涵, 张毅. 利用GF-6影像结合国土“三调”开展西部地区县域自然资源调查[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(2): 277-286.
[2] 许青云, 李莹, 谭靖, 张哲. 基于高分六号卫星数据的红树林提取方法[J]. 自然资源遥感, 2023, 35(1): 41-48.
[3] 孔爱玲, 张承明, 李峰, 韩颖娟, 孙焕英, 杜漫飞. 基于知识引导的遥感影像融合方法[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(2): 47-55.
[4] 王仁军, 李东颖, 刘宝康. 基于高分六号WFV数据的可可西里湖泊水体识别模型[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(2): 80-87.
[5] 闫驰, 焦润成, 曹颖, 南赟, 王晟宇, 郭学飞. 无人机倾斜摄影在泥石流灾害识别分析中的应用——以北京房山区史家营曹家坊泥石流为例[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(4): 251-257.
[6] 林志玮, 涂伟豪, 黄嘉航, 丁启禄, 周铮雯, 刘金福. 基于FC-DenseNet的低空航拍光学图像树种识别[J]. 国土资源遥感, 2019, 31(3): 225-233.
[7] 王海庆, 李丽, 陈玲, 许文佳, 杨金中, 刘琼. 基于尾矿库调查的西藏自治区金属矿开采强度分析[J]. 国土资源遥感, 2019, 31(2): 218-223.
[8] 高永志, 初禹, 梁伟. 黑龙江省矿集区尾矿库遥感监测与分析[J]. 国土资源遥感, 2015, 27(1): 160-163.
[9] 熊文成, 肖如林, 申文明, 付卓, 史园莉. 国产单极化SAR数据在锰渣尾矿库自动化识别中的应用[J]. 国土资源遥感, 2014, 26(4): 119-124.
[10] 方雪娟, 丁镭, 张志. 大冶陈贵镇小型尾矿库分布特征及其环境影响分析[J]. 国土资源遥感, 2013, 25(1): 155-159.
[11] 郝利娜, 张志, 何文熹, 陈腾. 鄂东南尾矿库高分辨率遥感图像识别因子研究[J]. 国土资源遥感, 2012, 24(3): 154-158.
[12] 林婷, 刘湘南, 谭正. 基于ICA和高光谱指数的水稻Zn污染监测模型[J]. 国土资源遥感, 2011, 23(2): 59-64.
[13] 钟仕全, 陈燕丽, 莫建飞, 陈玉兰. 基于中巴02B星遥感数据的油菜识别技术研究[J]. 国土资源遥感, 2010, 22(2): 77-79.
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