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自然资源遥感  2024, Vol. 36 Issue (1): 58-66    DOI: 10.6046/gtzyyg.2022362
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结合空间语义注意力的二段式遥感图像修复网络
刘宇佳1(), 谢诗哲2, 杜阳3, 严瑾4,5(), 南燕云4, 温中凯3,6
1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院,阜新 123000
2.中国地质大学(北京)信息工程学院,北京 100083
3.南京航空航天大学航天学院,南京 210016
4.中国地震应急搜救中心,北京 100049
5.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048
6.中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 100094
A two-stage remote sensing image inpainting network combined with spatial semantic attention
LIU Yujia1(), XIE Shizhe2, DU Yang3, YAN Jin4,5(), NAN Yanyun4, WEN Zhongkai3,6
1. School of Geomatics, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
2. School of Information Engineering, China University of Geosciemces(Beijing), Beijing 100083, China
3. College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China
4. National Earthquake Response Support Service, Beijing 100049, China
5. College of Resource Environment and Toursim, Capital Normal University, Beijing 100048, China
6. Institute of Remote Sensing Satellite, CAST,Beijing 100094, China
全文: PDF(23370 KB)   HTML  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

高分辨率遥感图像的缺失区域中地物种类复杂多样、空间异质性高,导致图像修复结果中存在纹理模糊和结构扭曲的问题,且在边界和复杂纹理区域尤为突出。因此提出一种结合空间语义注意力的二段式遥感图像修复网络。该网络由粗修复网络和精修复网络串联而成,旨在使用粗略修复网络提供的先验信息,引导精修复网络对缺失区域的复原。在粗修复网络中,构建多级损失结构以强化网络训练的稳定性; 在精修复网络中,提出一种新的空间语义注意力机制,并依据网络特征的分布特点,区别性将空间语义注意力嵌入在编码器和解码器中,以确保局部特征的连续性和全局语义信息的相关性。实验结果表明,所提方法相比于现有其他算法可以进一步提升图像修复效果。

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刘宇佳
谢诗哲
杜阳
严瑾
南燕云
温中凯
关键词 二段式网络遥感图像修复空间语义注意力局部特征连续性全局语义信息相关性    
Abstract

In high-resolution remote sensing images, missing areas feature intricate surface features and pronounced spatial heterogeneity, causing the image inpainting results to suffer texture blurring and structural distortion, particularly for boundaries and areas with complex textures. This study proposed a two-stage remote sensing image inpainting network combined with spatial semantic attention (SSA). The network comprised two networks in series: one for coarse image inpainting and one for fine-scale image inpainting (also referred to as the coarse and fine-scale networks, respectively). This network was designed to guide the fine-scale network to restore the missing areas using the priori information provided by the coarse network. In the coarse network, a multi-level loss structure was constructed to enhance the stability of network training. In the fine-scale network, a novel SSA mechanism was proposed, with SSA being embedded differentially in the encoder and decoder based on the distribution of network features. This ensured the continuity of local features and the correlation of global semantic information. The experimental results show that the network proposed in this study can further improve the image inpainting effects compared to other existing algorithms.

Key wordstwo-stage network    remote sensing image inpainting    spatial semantic attention    continuity of local features    correlation of global semantic information
收稿日期: 2022-09-13      出版日期: 2024-03-13
ZTFLH:  TP751  
基金资助:国家自然科学基金项目“基于无人机遥感和移动定位数据潮汐特征的地震人员精细化评估伤亡方法研究”(42061073);中国地震应急搜救中心青年科技基金项目“灾后建筑物震害提取与灾情研究——以川滇某县为例”(SJ2101)
通讯作者: 严 瑾(1993-),女,博士研究生,工程师,主要从事灾害遥感解译和应急救援方面的研究。Email: yanjin_1221@126.com
作者简介: 刘宇佳(1996-),女,硕士研究生,主要从事遥感等科研和应用方面的研究。Email: lyj836310336@163.com
引用本文:   
刘宇佳, 谢诗哲, 杜阳, 严瑾, 南燕云, 温中凯. 结合空间语义注意力的二段式遥感图像修复网络[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 58-66.
LIU Yujia, XIE Shizhe, DU Yang, YAN Jin, NAN Yanyun, WEN Zhongkai. A two-stage remote sensing image inpainting network combined with spatial semantic attention. Remote Sensing for Natural Resources, 2024, 36(1): 58-66.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/gtzyyg.2022362      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2024/V36/I1/58
Fig.1  典型的遥感数据信息缺失情况
Fig.2  结合空间语义注意力的二段式深度对抗网络
Fig.3  SSA求解过程示意图
Fig.4  本文多种掩模方式
序号 实际 CSA LBP AOT 本文方法
a
b
c
d
Tab.1  GF-2数据的实验结果
指标 图像 CSA LBP AOT 本文方法 指标 图像 CSA LBP AOT 本文方法
SSIM a 0.906 6 0.903 8 0.913 3 0.915 3 PSNR a 26.033 0 26.286 1 26.958 4 28.025 6
b 0.935 0 0.928 7 0.924 8 0.935 5 b 27.785 0 26.694 4 27.256 7 27.801 7
c 0.949 8 0.925 3 0.933 0 0.958 5 c 29.439 7 28.106 6 28.921 1 29.627 4
d 0.939 2 0.926 9 0.929 2 0.949 8 d 28.701 5 28.029 9 28.795 4 28.849 8
测试集
平均
0.932 6 0.921 2 0.925 1 0.939 8 测试集
平均
27.989 8 27.279 3 27.982 9 28.576 1
Tab.2  GF-2数据中不同方法的质量评价指标
序号 实际 CSA LBP AOT 本文方法
a
b
c
d
Tab.3  航空影像数据的实验结果
指标 图像 CSA LBP AOT 本文方法 指标 图像 CSA LBP AOT 本文方法
SSIM a 0.904 2 0.908 8 0.898 1 0.908 8 PSNR a 30.789 4 31.348 7 30.516 7 31.191 0
b 0.827 1 0.806 5 0.818 7 0.819 3 b 20.882 2 21.473 0 21.164 2 21.233 8
c 0.839 5 0.835 5 0.838 9 0.850 9 c 23.670 7 23.552 4 24.275 7 23.798 9
d 0.814 1 0.796 9 0.818 4 0.832 3 d 21.256 1 20.545 1 21.294 7 21.871 7
测试集
平均
0.846 2 0.836 9 0.843 5 0.852 8 测试集
平均
24.149 6 24.229 8 24.312 8 24.523 9
Tab.4  多种方法在航空数据上的评价指标
序号 实际 CSA LBP AOT 本文方法
a
b
c
d
Tab.5  自然数据上的实验结果
指标 图像 CSA LBP AOT 本文方法 指标 图像 CSA LBP AOT 本文方法
SSIM a 0.912 8 0.905 3 0.889 5 0.915 4 PSNR a 21.243 1 30.824 1 29.337 9 31.262 9
b 0.697 6 0.688 9 0.695 9 0.701 8 b 21.201 7 19.898 7 20.862 0 21.239 3
c 0.723 6 0.710 4 0.722 6 0.729 7 c 22.083 0 21.654 8 21.663 1 22.597 9
d 0.811 2 0.797 0 0.811 6 0.817 8 d 24.034 8 23.673 8 24.136 5 24.161 0
测试集
平均
0.786 3 0.775 4 0.779 9 0.791 2 测试集
平均
22.140 7 24.012 9 23.999 9 24.815 3
Tab.6  多种方法在自然数据上的评价指标
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