發(fā)布時間：2020-11-19 18:30

　　 隨著高分辨率遙感影像來源不斷豐富,影像獲取越來越容易,海量數(shù)據(jù)中蘊含的地物信息已經(jīng)在地圖測繪、資源勘探、環(huán)境監(jiān)控、國土資源調(diào)查、變化檢測和災(zāi)害評估等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。建筑物作為城鎮(zhèn)地物信息的重要組成部分,人工提取和更新這些信息浪費大量人力、物力和財力,因此如何能夠精確、快速、自動化地從衛(wèi)星影像中提取建筑物信息,成為遙感領(lǐng)域的重點研究方向之一。在過去一些方法中,從遙感影像中提取建筑物大多基于人工設(shè)計的特征,如紋理、光譜、陰影和形狀等,但是由于建筑物的屋頂覆蓋物不同、結(jié)構(gòu)走向不一致、空間分布各異等特征,使得這些提取方法適用性不強。近幾年,深度學(xué)習(xí)的迅速發(fā)展使得眾多學(xué)者將其運用到遙感影像處理中,并且取得了一定的成果。因此本論文對深度學(xué)習(xí)語義分割領(lǐng)域相關(guān)算法進行了深入研究與分析,主要的研究工作如下:(1)闡述了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理以及訓(xùn)練方法。解決了高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)匱乏的問題,詳細介紹了構(gòu)建遙感影像建筑物數(shù)據(jù)集的相關(guān)操作,主要分為圖像預(yù)處理和圖像增廣兩個部分,其中包括圖像去噪、圖像增強、數(shù)據(jù)擴充和數(shù)據(jù)集劃分等,增強了數(shù)據(jù)集的豐富性和多樣性。(2)研究和探索了現(xiàn)有的幾種比較流行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點,并在它們基礎(chǔ)上進行改進,設(shè)計了一種多分辨率特征融合的語義分割網(wǎng)絡(luò)MRNet。該網(wǎng)絡(luò)由并行多分辨率子網(wǎng)結(jié)構(gòu)和多尺度特征融合結(jié)構(gòu)組成,這兩種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)不同層級的特征并行訓(xùn)練,關(guān)注不同尺度的建筑物,使信息融合更加多樣,加強了不同分辨率特征圖信息的流動,有利于丟失信息的重建,比金字塔結(jié)構(gòu)更加高效。最后提出一種邊界損失函數(shù),使模型在訓(xùn)練過程中能夠更多地關(guān)注建筑物邊界,有效地改善了邊界鋸齒問題。(3)基于條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)的思想,設(shè)計了一種生成分割對抗網(wǎng)絡(luò)ResUNet-GAN,以對抗的方式實現(xiàn)分割任務(wù)。其中生成網(wǎng)絡(luò)ResUNet在編碼器階段使用殘差模塊,有效地解決了訓(xùn)練過程梯度消失的問題,同時加深了網(wǎng)絡(luò)層數(shù),有利于特征的提取,在中間加入跳躍連接,有利于多尺度信息融合,最后再加入判別網(wǎng)絡(luò)SimNet進行交替訓(xùn)練,實驗證明了判別器對于分割網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化起到了一定的效果,分割對抗架構(gòu)在一定程度上能夠提升建筑物提取的精度。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：P237
【部分圖文】：

2卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理9（dilation）：空洞填充間隔。如下為輸出特征圖尺寸(outH)計算公式：2(1)1inoutHpaddingdilationkernalsizeHstride+=+（2-2）具體卷積操作如圖2-1所示，其中卷積核為3×3，步長stride為2：圖2-1卷積計算示意圖Figure2-1Convolutioncalculationdiagram2.1.2池化層池化層也被叫做下采樣層，主要目的是對特征圖降維并擴大感受野，降低參數(shù)量，防止過擬合。特征圖縮小的過程中可以對冗余信息進行過濾，得到不隨空間位置變化而畸變的特征，提升模型的泛化能力。池化層不改變特征圖通道數(shù)，只改變特征圖尺寸，計算公式如下：1()lljjxdownx=（2-3）其中down()°+表示池化函數(shù)，其余參數(shù)如上節(jié)。常用的池化方法為均值池化和最大值池化。均值池化是對感受野領(lǐng)域內(nèi)取平均，能夠很好地保留背景信息，減少因鄰域大小受限造成的估計值方差增大。最大值池化是對感受野領(lǐng)域內(nèi)取最大值，主要目的是為了保留更多的紋理信息，減少卷積層參數(shù)誤差造成的估計均值偏移。池化與卷積相同，池化層也有池化核大孝步長和邊界填充等參數(shù)。具體計算方式如圖2-2所示，其中池化核2×2，步長為2。圖2-2池化示意圖Figure2-2Poolingdiagram

2卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理9（dilation）：空洞填充間隔。如下為輸出特征圖尺寸(outH)計算公式：2(1)1inoutHpaddingdilationkernalsizeHstride+=+（2-2）具體卷積操作如圖2-1所示，其中卷積核為3×3，步長stride為2：圖2-1卷積計算示意圖Figure2-1Convolutioncalculationdiagram2.1.2池化層池化層也被叫做下采樣層，主要目的是對特征圖降維并擴大感受野，降低參數(shù)量，防止過擬合。特征圖縮小的過程中可以對冗余信息進行過濾，得到不隨空間位置變化而畸變的特征，提升模型的泛化能力。池化層不改變特征圖通道數(shù)，只改變特征圖尺寸，計算公式如下：1()lljjxdownx=（2-3）其中down()°+表示池化函數(shù)，其余參數(shù)如上節(jié)。常用的池化方法為均值池化和最大值池化。均值池化是對感受野領(lǐng)域內(nèi)取平均，能夠很好地保留背景信息，減少因鄰域大小受限造成的估計值方差增大。最大值池化是對感受野領(lǐng)域內(nèi)取最大值，主要目的是為了保留更多的紋理信息，減少卷積層參數(shù)誤差造成的估計均值偏移。池化與卷積相同，池化層也有池化核大孝步長和邊界填充等參數(shù)。具體計算方式如圖2-2所示，其中池化核2×2，步長為2。圖2-2池化示意圖Figure2-2Poolingdiagram

皇竅咝員浠唬?嗨樸詼嗖愀兄???筆??的維度上升到一定級別時，即使添加再多的層級，網(wǎng)絡(luò)的擬合能力也十分有限，因此加入激活函數(shù)理論上能夠使網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意數(shù)據(jù)分布。目前比較常用的激活函數(shù)有以下幾種：（1）Sigmoid激活函數(shù)Sigmoid函數(shù)在邏輯斯蒂回歸中占有重要地位，后被引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。Sigmoid激活函數(shù)能夠把輸入的連續(xù)實值變換為0和1之間的輸出，如果是非常大的負數(shù)，那么輸出就是0；如果是非常大的正數(shù)，輸出就是1。它的公式為：x1Sigmoidx1e=+（）（2-4）Sigmoid函數(shù)示意圖如圖2-3所示。圖2-3Sigmoid激活函數(shù)Figure2-3SigmoidactivationfunctionSigmoid激活函數(shù)曾經(jīng)被大量使用，但現(xiàn)在使用者較少，主要是其固有的幾個缺點導(dǎo)致。①從Sigmoid函數(shù)的示意圖可以看出，Sigmoid函數(shù)在輸出在0和1處的導(dǎo)數(shù)接近于0，當(dāng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行反向傳播時，如果該點輸入值較大或較小，梯度趨于0，那么最終相乘得到的結(jié)果就會趨于0，經(jīng)過多層反向傳播，就會產(chǎn)生梯度消失的現(xiàn)象，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法更新，如果要訓(xùn)練深層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用Sigmoid函數(shù)就無法得到很好的結(jié)果，所以在后續(xù)的模型中逐漸被替代。②Sigmoid激活函數(shù)是非原點對稱的，即輸出為非零均值，輸出均為正數(shù)將導(dǎo)致梯度呈Z字型下降，收斂緩慢。③冪運算計算時開銷較大。（2）Tanh激活函數(shù)
【參考文獻】

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本文編號：2890321