基于人工智能的地形目標判讀*

汪莉莉 吳 帥

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.96823部隊 昆明 650219）

1 引言

近年來，隨著大規(guī)模數(shù)據(jù)集和高性能計算硬件的發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能在圖像的檢測［1～2］、分類［3～4］和分割［5］等領(lǐng)域取得了飛躍性的進步。但是從相關(guān)研究文獻看，人工智能技術(shù)在醫(yī)療診斷、指紋識別、面部識別、交通氣象以及衛(wèi)星云圖識別等方面［6～9］有著較好的應(yīng)用，但在地形目標判讀領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還不常見。在實際地形目標判讀和分析中，定性描述多、定量描述少，分析不夠快速、不夠精確的現(xiàn)象還一定程度的存在。

針對以上問題，本文提出了一種基于Mask R-CNN模型［10］的地形目標判讀方法，可以在復(fù)雜背景下有效檢測與分割場坪、居民地、工廠、水源、交通設(shè)施等不同地形，便于給出定量分析結(jié)論，以輔助人員分析地形環(huán)境。

2 深度學(xué)習(xí)基本原理

深度學(xué)習(xí)的概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，是指通過組合低層特征形成更加抽象的高層表示屬性類別或特征，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示的方法［11］。深度學(xué)習(xí)是當前人工智能技術(shù)中最具潛力的一種方法，是于2006年由加拿大高等研究院的Hinton教授等提出，在最近10多年得到了巨大發(fā)展，并使人工智能產(chǎn)生了革命性的突破。

深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是多層的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是當前基于深度學(xué)習(xí)方法的模型中最為典型的代表，模型和數(shù)據(jù)是影響人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征表達的兩個主要方面。傳統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只包含2層或3層，而深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受到了生物神經(jīng)系統(tǒng)的啟發(fā)，可能有幾百上千層或更多，它是人工智能的核心，是使計算機具有智能的根本途徑，其應(yīng)用遍及人工智能的各個領(lǐng)域。深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行使用神經(jīng)元模型操作，它由一個輸入層、多個隱藏層和一個輸出層組成，各層通過神經(jīng)元相互連接，每個隱藏層使用前一層的輸出作為其輸入。該類型的模型直接從圖像、文本或聲音中學(xué)習(xí)并執(zhí)行分類任務(wù)?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

基于深度學(xué)習(xí)的新一代人工智能的基本過程是用深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人類大腦，從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)技能，從而具備一定的人類技能，顯現(xiàn)出類似人類智能的過程。深度人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程如圖2所示。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的人工智能訓(xùn)練過程

深度學(xué)習(xí)分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和增強學(xué)習(xí)等，不同的學(xué)習(xí)框架下建立的學(xué)習(xí)模型不同。例如，掩碼區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Mask R-CNN）就是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)下的深度學(xué)習(xí)模型，而深度置信網(wǎng)（DBN）就是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)下的深度學(xué)習(xí)模型。

3 模型與算法

Mask R-CNN模型包括分類、定位與分割3個網(wǎng)絡(luò)。它將目標檢測識別和實例分割功能融為一體，繼承于Faster R-CNN［12］，是在Faster R-CNN的基礎(chǔ)上擴展了一個分割掩碼網(wǎng)絡(luò)，并且改良了感興趣區(qū)域池化算法，提出了感興趣區(qū)域排列算法。掩碼網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用到每個感興趣區(qū)域上的一個小的全卷積網(wǎng)絡(luò)，以像素到像素的方式預(yù)測分割掩碼，這個網(wǎng)絡(luò)與分類和定位網(wǎng)絡(luò)并行，性能上可以滿足實時檢測分割的要求。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Mask R-CNN結(jié)構(gòu)框圖

3.1 分類網(wǎng)絡(luò)

分類網(wǎng)絡(luò)是在ResNet101［13］經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上進行的結(jié)構(gòu)修改和參數(shù)調(diào)優(yōu)，如圖4所示。

圖4 分類網(wǎng)絡(luò)框圖

分類網(wǎng)絡(luò)的輸入是分塊好的遙感圖像，經(jīng)過特征金字塔網(wǎng)絡(luò)的特征提取得到整個輸入圖像的特征向量，然后經(jīng)過全連接網(wǎng)絡(luò)得到分類值，輸出是根據(jù)分類值得到地形目標的分類判讀結(jié)果。此模型的強大之處在于它的多層結(jié)構(gòu)能自動學(xué)習(xí)特征，并且可以學(xué)習(xí)到多個層次的特征，較淺的卷積層感知域較小，能夠?qū)W習(xí)到局部區(qū)域的特征，較深的卷積層具有較大的感知域，能夠?qū)W習(xí)到更加抽象的特征。這些抽象特征對物體的大小、位置和方向等敏感性更低，從而有助于判讀性能的提高。

3.2 定位網(wǎng)絡(luò)

定位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是在分類網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)（Region Proposal Network，RPN）結(jié)構(gòu)而形成的，如圖5所示。

圖5 定位網(wǎng)絡(luò)框圖

輸入的分塊圖像經(jīng)過特征金字塔卷積網(wǎng)絡(luò)后，提取出特征圖，特征圖數(shù)據(jù)經(jīng)過RPN網(wǎng)絡(luò)給出目標的邊框，并進行第一次邊框回歸損失函數(shù)計算，目標推薦區(qū)域經(jīng)過RoIAlign算法送入分類全連接網(wǎng)絡(luò)（可根據(jù)地形目標種類調(diào)整分類數(shù)），并再次進行邊框回歸損失函數(shù)計算，框選出某種地形目標區(qū)域，分別確定地形目標的類別和在輸入圖像中的相對位置。

3.3 分割網(wǎng)絡(luò)

分割網(wǎng)絡(luò)是在定位網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，再增加一個全卷積掩碼分割支路，可以對分類和定位后的地形目標進行像素級分割，如圖6所示。

圖6 分割網(wǎng)絡(luò)框圖

分割過程可以分解為兩個階段。第一階段，對輸入圖像進行卷積和池化，得到具有類別信息的特征圖，這一部分在分類和定位網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)完成，而且是共享一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第二階段，利用具有語義信息的特征圖，進行反卷積和上采樣，得到分割的標簽圖，實現(xiàn)地形目標分割的目的。

3.4 模型訓(xùn)練算法

分割網(wǎng)絡(luò)與分類、定位網(wǎng)絡(luò)并行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)同步調(diào)整，損失函數(shù)見式（1）。

總體損失函數(shù)可以分為區(qū)域推薦網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)LRPN(p，t)和感興趣區(qū)域網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)LRoI(x，c，l，m，g)兩部分。其中區(qū)域推薦網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)包括RPN分類損失函數(shù)Lcls(pi，pa i)和RPN定位損失函數(shù)Lreg(ti，tia)；感興趣區(qū)域網(wǎng)絡(luò)損失函數(shù)包括RoI分類損失函數(shù)Lcls(x，c)、RoI定位損失函數(shù)Lloc(x，l，g)和 RoI分割損失函數(shù)Lmask(x，m，g)三部分。分類損失函數(shù)采用Softmax函數(shù)，定位損失函數(shù)采用L1平滑損失函數(shù)，分割損失函數(shù)采用平均二元交叉熵損失函數(shù)。

4 實驗分析

以地形目標判讀中的場坪和居民地判讀為例，開展智能判讀實驗，驗證模型與算法的有效性。實驗采用英特爾CPU、英偉達圖形處理器、Ubuntu操作系統(tǒng)、Tensorflow計算環(huán)境和Python 3.6編程語言。

4.1 數(shù)據(jù)集準備

該算法在自制數(shù)據(jù)集上進行測試，數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集。在民用遙感圖像中收集1m分辨率的某大學(xué)場坪遙感圖像，并收集0.5m分辨率的居民地遙感圖像，采用數(shù)據(jù)擴增技術(shù)制作成300幅遙感圖像數(shù)據(jù)集，從數(shù)據(jù)集中隨機選取其中200幅圖像為訓(xùn)練集，40幅圖像為驗證集，另外60幅圖像作為測試集。并采用多邊形標注方式對訓(xùn)練集和驗證集圖像進行標注。

4.2 模型訓(xùn)練

按照總體模型損失函數(shù)公式進行迭代訓(xùn)練，一次迭代處理一個圖像，λ設(shè)置為10，Ncls設(shè)置為256，Nreg設(shè)置為2400。這樣設(shè)置，RPN的兩部分損失值能保持平衡。在圖像中，選擇匹配度大于0.7的先驗框或匹配度最大的先驗框與正確標注的邊框作為正樣本。負樣本從匹配度低于0.3的樣本中隨機選擇。采用隨機梯度下降法對訓(xùn)練進行優(yōu)化。初始學(xué)習(xí)率為0.001，迭代次數(shù)為30000次，訓(xùn)練結(jié)果如表1所示。

表1 損失函數(shù)訓(xùn)練結(jié)果

4.3 性能評價指標

使用平均精確率（AP）值來評估模型與算法的性能。AP是精確率-召回率曲線下的面積。精確率是正確檢測與檢測到的地形目標總數(shù)的比率。召回率是正確檢測與正確標注地形目標總數(shù)的比率。當改變分數(shù)閾值，將得到不同的精確率和召回率。精確率-召回率曲線顯示了召回率變化之后的精確率變化，從而可以反映算法的整體性能。

4.4 實驗結(jié)果

為測試不同數(shù)量訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對模型性能的影響。分別從200幅訓(xùn)練集中隨機選出50、100兩種數(shù)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進行再訓(xùn)練，對訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)與原網(wǎng)絡(luò)進行性能比較實驗，分析其性能評價指標，結(jié)果如表2所示。

其中訓(xùn)練數(shù)據(jù)集數(shù)量為200的網(wǎng)絡(luò)模型性能最佳，其判讀結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 某大學(xué)場坪智能判讀結(jié)果

圖8 某居民地智能判讀結(jié)果

實驗表明，當訓(xùn)練較少的數(shù)據(jù)時，模型性能不理想。訓(xùn)練樣本越多，目標地形目標的尺寸越大，算法的魯棒性越強，性能越好。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于Mask R-CNN深度學(xué)習(xí)模型的地形目標智能判讀方法，該方法采用遷移學(xué)習(xí)和多任務(wù)學(xué)習(xí)技術(shù)，分三路對遙感圖像中的地形目標進行分類、定位和分割。在訓(xùn)練階段，利用正確的標注框匹配最好的先驗框，得到正樣本信息，用于學(xué)習(xí)地形目標特征。在測試階段，將測試圖像輸入網(wǎng)絡(luò)，進行前向計算，得到目標地形的分類、定位和分割值。然后，根據(jù)設(shè)定的閾值，判斷是否為目標地形，得到最終的分類、定位和分割結(jié)果。實驗結(jié)果表明，該方法能較好地判讀出目標地形，得到準確的地形目標位置，并根據(jù)分割結(jié)果計算該地形目標的量化指標。從原理上看，該方法不僅適用于公共場坪、居民地、工廠、水源、交通設(shè)施等多種地形目標，適用于可見光、紅外、多光譜、激光雷達、SAR等多種圖像，而且也適用于機場、港口、要塞等多種重要目標判讀，對于減輕人員工作量，推動地形和重點目標判讀的自動化、智能化發(fā)展具有重要意義。