基于級聯(lián)生成對抗網(wǎng)絡(luò)的遙感圖像去霧方法

孫 瀟，徐金東

（煙臺大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院，山東煙臺 264005）

0 引言

隨著對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星遙感和航空遙感提供了高空間分辨率和光譜分辨率的遙感圖像［1-4］。但對于任何光學(xué)遙感成像傳感器，大氣都是不可避免的噪聲源，如霧、霾、雪、灰塵或廢氣和云。因此，對遙感圖像有效去霧和保持地表原始細(xì)節(jié)之間的平衡非常重要。

為了提高遙感圖像的質(zhì)量，解決不適定的去霧問題，提出了許多基于先驗(yàn)的算法［5-7］。這些方法將霧作為頻率域中的一種特殊低頻成分［8-15］，但在抑制霧成分的同時，無霧區(qū)域中的原始低頻信息可能被損壞。因此，基于先驗(yàn)的算法性能很大程度上取決于霧區(qū)域檢測的準(zhǔn)確性。也有利用統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行圖像去霧，例如霧度優(yōu)化變換（Haze Optimized Transformation，HOT）［16］方法簡單且具有魯棒性，但HOT方法在沒有充分利用原始圖像中空間相關(guān)性的情況下性能受到了一定的限制。另外一些基于光譜分析的方法主要依賴于光譜域內(nèi)的互補(bǔ)信息［17-18］。文獻(xiàn)［19］中提出基于經(jīng)驗(yàn)輻射轉(zhuǎn)移模型尋找可見光和近紅外波段之間的光學(xué)數(shù)據(jù)關(guān)系，去除可見光波段中的霧和薄云。當(dāng)波段有限時，它們通常無法工作。目前已涌現(xiàn)出許多基于深度學(xué)習(xí)的去霧方法［20-24］，在給定成對的彩色室內(nèi)帶霧圖像及其真實(shí)圖像組成的數(shù)據(jù)庫上學(xué)習(xí)去霧，文獻(xiàn)［20］介紹了一種去霧網(wǎng)絡(luò)，通過特征提取、局部極值、非線性回歸和多尺度映射形成的端到端的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)去霧，最新自然圖像去霧專注于使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)（Generative Adversarial Network，GAN）［25］或 Conditional GAN［26］訓(xùn)練模型，但均需大量訓(xùn)練樣本對。

現(xiàn)有大多數(shù)工作都是關(guān)于自然圖像去霧，盡管自然圖像去霧的一些模型已有應(yīng)用于遙感圖像，但自然圖像和遙感圖像之間的成像機(jī)理差異致使去霧問題并不能得到很好的解決。對于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)去霧，有霧圖像和無霧圖像都是必不可少的，但在實(shí)際情況中，除了霧還會有多重因素（云、霾、雪、灰塵或廢氣）導(dǎo)致遙感圖像質(zhì)量不佳，如果無法獲取配對數(shù)據(jù)，將很難精確建模達(dá)到完全去霧等覆蓋物的效果。因此需要設(shè)計一種不假定任何特定影響因素類型的去霧方法，通過學(xué)習(xí)霧的生成過程，達(dá)到更好的去霧效果。

基于以上問題，本文提出了級聯(lián)生成對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遙感圖像去霧。以U-Net［27］的U型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)搭建學(xué)習(xí)霧生成的UGAN（U-Net GAN）和學(xué)習(xí)去霧的PAGAN（Pixel Attention GAN）。UGAN和PAGAN互為支撐，UGAN使用未配對的清晰圖像和霧圖像進(jìn)行訓(xùn)練生成逼真的帶霧遙感圖像，模擬真實(shí)霧對遙感圖像的影響，PAGAN模塊增加自我注意機(jī)制從前一階段生成的霧遙感圖像中恢復(fù)無霧遙感圖像。

1 級聯(lián)生成對抗網(wǎng)絡(luò)

1.1 模型結(jié)構(gòu)

遙感圖像去霧訓(xùn)練使用的合成數(shù)據(jù)并不能模擬真實(shí)的遙感圖像，成對遙感數(shù)據(jù)集的缺失導(dǎo)致深度學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練困難。為了解決這個問題，級聯(lián)GAN可以降低模型對大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求和對成對數(shù)據(jù)的依賴，拓寬模型的應(yīng)用場景。該網(wǎng)絡(luò)包含兩種GAN模型，即學(xué)習(xí)霧分布的UGAN和學(xué)習(xí)去霧的PAGAN。UGAN模型學(xué)習(xí)如何使用未配對的霧圖像和無霧遙感圖像集在保留遙感圖像細(xì)節(jié)的同時對無霧圖像進(jìn)行加霧處理，然后指導(dǎo)PAGAN正確地對此類圖像進(jìn)行去霧操作。級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)包含兩個主要模塊，UGAN和PAGAN，UGAN以噪聲和標(biāo)簽數(shù)據(jù)圖像作為輸入，輸出生成霧圖像并將其輸入PAGAN學(xué)習(xí)去霧。圖1給出了算法的整體架構(gòu)。

圖1 基于級聯(lián)對抗生成網(wǎng)絡(luò)的遙感圖像去霧算法的整體框架Fig.1 Overall framework of remote sensing image dehazingalgorithm based on cascaded GAN

在訓(xùn)練階段，將清晰的遙感圖像輸入UGAN生成器中，生成的模擬霧圖像輸入到PAGAN中學(xué)習(xí)如何去霧，通過對抗學(xué)習(xí)逐步提高UGAN的霧生成能力和PAGAN的霧去除能力，同時減少對成對數(shù)據(jù)的依賴性。UGAN和PAGAN模塊中的生成器生成相應(yīng)的圖像，鑒別器進(jìn)行鑒別，生成更加逼真的合成圖像。在測試階段，遙感圖像去霧任務(wù)只需PAGAN生成器網(wǎng)絡(luò)。

1.2 UGAN

UGAN模塊在清晰的遙感圖像上直接生成霧圖像，U型結(jié)構(gòu)和跳躍鏈接操作可以較好地保留邊界、角點(diǎn)等高頻內(nèi)容，最大限度保留遙感圖像地物細(xì)節(jié)。UGAN由一個生成器和一個鑒別器組成。

UGAN生成器 UGAN生成器的輸入是來自公共數(shù)據(jù)集的清晰遙感圖像。考慮到眾多可能導(dǎo)致不理想的霧霾覆蓋因素，本文將輸入圖像與噪聲映射連接起來，以模擬不同的條件在遙感圖像上生成霧。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括收縮路徑和擴(kuò)展路徑，各包含8層卷積，后半部分的前三層卷積使用Dropout。Dropout層在訓(xùn)練過程中以一定概率隨機(jī)去掉一些神經(jīng)元，起到防止過擬合的作用。卷積層代表的收縮路徑通過下采樣提取高維特征信息，每一次下采樣，圖片大小變?yōu)樵瓉淼?/2，特征數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?倍。對于圖像去霧問題，某些特征并不需要再進(jìn)入更深層的下采樣層中，而是可以直接跨越網(wǎng)絡(luò)到解碼器對應(yīng)的層。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能，在網(wǎng)絡(luò)中添加一種特殊的連接——跳躍連接（Skip Connection）。擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)在上采樣操作中，將每一次的輸出特征與相映射的收縮網(wǎng)絡(luò)的特征合并在一起，補(bǔ)全中間丟失的邊界信息。最后，加入1×1的卷積操作將之前獲得的特征映射到所屬分類上面。通過這種方法，可以在一幅清晰遙感圖像的基礎(chǔ)上生成帶霧的遙感圖像。UGAN生成器的輸出是與輸入圖像大小相同的圖像。

UGAN判別器 UGAN判別器的輸入是UGAN生成器的輸出。其架構(gòu)主要包括5個步長為2，卷積核大小為4的卷積模塊，輸出為生成帶霧的遙感圖像被劃分為真實(shí)圖像的概率。

1.3 PAGAN

PAGAN不同于UGAN，它的目標(biāo)是更有效地從霧遙感圖像中恢復(fù)清晰遙感圖像。自我注意模塊的加入是對卷積的補(bǔ)充，使生成器協(xié)調(diào)每個位置的細(xì)節(jié)和遠(yuǎn)端細(xì)節(jié)，精確地對全局圖像結(jié)構(gòu)執(zhí)行復(fù)雜的幾何約束。

PAGAN生成器 PAGAN生成器的輸入是一個帶霧的遙感圖像。在沿用UGAN生成器的同時加入自我注意機(jī)制（Self-Attention）。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在生成器的卷積過程中，模型嚴(yán)重依賴于卷積對不同圖像區(qū)域之間的相關(guān)性進(jìn)行建模。由于卷積操作符存在局部接受域，長距離的依賴關(guān)系必須經(jīng)過幾個卷積層才能處理，導(dǎo)致卷積效率低下。自我注意模塊計算一個位置的響應(yīng)作為所有位置特征的加權(quán)和，其中的注意力向量并不會增加計算成本且可以成功捕獲全局依賴關(guān)系，有效地對廣泛分離的空間區(qū)域之間的關(guān)系進(jìn)行建模。PAGAN生成器的輸出是所需的清晰遙感圖像。

圖2 自我注意機(jī)制Fig.2 Self-attention mechanism

PAGAN判別器 PAGAN判別器中同樣加入自我注意機(jī)制，檢查圖像中較遠(yuǎn)部分的細(xì)節(jié)特征是否一致。判別器的輸出為生成去霧遙感圖像被劃分為真實(shí)圖像的概率。

1.4 損失函數(shù)

GAN是生成模型，它將輸入圖像與噪聲映射連接起來，即將觀測到的圖像映射x和隨機(jī)噪聲向量z映射到輸出圖像y，G：{x，z}→y。GAN的生成器和判別器分別對合成圖像和真實(shí)圖像之間進(jìn)行對抗損失訓(xùn)練。UGAN和PAGAN的目標(biāo)可以表示為：

其中，生成器G試圖最小化這個目標(biāo)來生成更好的圖片，而判別器D會盡可能最大化目標(biāo)提高自己的判別能力，如式（2）所示：

將GAN目標(biāo)函數(shù)與更傳統(tǒng)的損失（如L1）混合有益于提升生成質(zhì)量，判別器只對高頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，讓L1對低頻進(jìn)行建模。判別器的工作保持不變，但生成器的任務(wù)不僅欺騙判別器，而且在L1約束下更加接近真值：

為了平衡不同類型的損失，使用超參數(shù)λ（將其設(shè)置為100.0）共同計算最終目標(biāo)：

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)集

為了驗(yàn)證算法的有效性，采用RICE［28］的兩個基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

1）RICE-Ⅰ數(shù)據(jù)集。采集自Google Earth，通過設(shè)置是否顯示云層，得到相應(yīng)的云和無云圖像，然后將獲取的圖像裁剪為512×512大小，不含重疊片區(qū)。RICE-Ⅰ總共包含500對圖像。

2）RICE-Ⅱ數(shù)據(jù)集。RICE-Ⅱ數(shù)據(jù)來自Landsat 8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)集，并且在美國國家地質(zhì)調(diào)查局地球探索者數(shù)據(jù)庫中使用了具有地理參考的LandsatLook圖像。在數(shù)據(jù)集中使用了LandsatLook圖像的自然彩色圖像（landsat8 OLI，波段6、5、4）和高質(zhì)量圖像（Landsat Level-1質(zhì)量帶生成的8位文件）。云圖像是間隔至少15 d在同一地區(qū)截取真實(shí)遙感圖像制作。獲取圖像大小為512×512，不含重疊片區(qū)?？偣舶?00對圖像。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在訓(xùn)練UGAN和PAGAN時，均將學(xué)習(xí)率設(shè)定為0.000 2、epoch為200、超參數(shù)β為0.5、λ為100.0。如圖3所示，霧圖像被大面積均勻的霧及其相關(guān)陰影所覆蓋，該圖像數(shù)據(jù)集包含山川、河流和城鎮(zhèn)遙感圖像。CAP（Color Attenuation Prior）和DCP（Dark Channel Prior）是基于統(tǒng)計學(xué)并融合相關(guān)先驗(yàn)信息的去霧算法。結(jié)果顯示，CAP對于非均勻的霧并不能完全識別，只能減輕霧的厚度無法達(dá)到去除的效果，致使去霧后的圖像不能準(zhǔn)確區(qū)分細(xì)節(jié)信息。觀察DCP算法和GCANet（Gated Context Aggregation Network）的去霧圖像，在處理細(xì)節(jié)及飽和度、對比度方面欠佳。基于深度學(xué)習(xí)的MOF（Multiscale Optimal Fusion）方法將圖像分為有霧層和無霧層融合多尺度模塊去霧，但過度增強(qiáng)導(dǎo)致結(jié)果過飽和，存在光譜失真問題。不同于近景的自然圖像，遙感圖像大量的地物細(xì)節(jié)信息對去霧算法提出了更高的要求。FFANet（Feature Fusion Attention Network）［29］是2020年提出的基于深度學(xué)習(xí)模型針對自然圖像去霧算法，但對遙感圖像去霧效果不夠理想。相比之下，本文方法更能反映遙感圖像地面真值且無光譜失真。

圖3 RICE-Ⅰ數(shù)據(jù)集去霧效果Fig.3 Dehazing effect on RICE-Ⅰdataset

為了進(jìn)一步探討本文方法對大氣中其他顆粒的處理情況，在薄云遙感圖像上做了對比去除實(shí)驗(yàn)。與霧的均質(zhì)分布不同，云存在多種分布類型，如大團(tuán)的積云、大片的層云和纖維狀的卷云，不同形狀的云在遙感圖像形成過程中產(chǎn)生了不同的影響。當(dāng)云層密度相對較低時，薄云會減弱電磁信號的能量，被薄云遮擋的片區(qū)形成陰影。薄厚不一的云覆蓋了圖像的大部分區(qū)域，因此，大多數(shù)的圖像特征都變得不可見，對于地物細(xì)節(jié)的恢復(fù)一直是遙感圖像處理領(lǐng)域的難題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，多種類型的云覆蓋了大部分像素，因此CAP、GCANet、MOF和DCP均沒有對薄云進(jìn)行完整去除。與其他算法相比，本文方法能有效地將云移除。

圖4 RICE-Ⅱ數(shù)據(jù)集去薄云效果Fig.4 Effect of thin cloud removal on RICE-Ⅱdataset

為了對算法進(jìn)行定量評估，選擇峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio，PSNR）和 結(jié) 構(gòu) 相 似 性（Structural SIMilarity，SSIM）兩個指標(biāo)來評估圖像去霧效果。PSNR數(shù)值越大表示失真越小，SSIM的取值范圍［0，1］，值越大表示分離的圖像與源圖像越接近。表1列出了每組實(shí)驗(yàn)的度量指標(biāo)，可見本文方法在兩組實(shí)驗(yàn)中均取得了最好的指標(biāo)。

表1 不同數(shù)據(jù)集圖像去霧指數(shù)測量（PSNR，SSIM）Tab.1 Image dehazing index measurement for different datasets（PSNR，SSIM）

3 結(jié)語

本文提出了一種新的框架來解決遙感數(shù)據(jù)缺失問題，通過級聯(lián)生成對抗網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)霧分布并將帶霧遙感圖像恢復(fù)為清晰的遙感圖像。與只專注于學(xué)習(xí)去霧的相關(guān)工作相比，該方法使用未配對的無霧和帶霧遙感圖像來真實(shí)地合成云霧效果，從而加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的去霧性能。為了產(chǎn)生更逼真的無霧遙感圖像，PAGAN模塊采用的自我注意機(jī)制能夠?qū)θ謭D像結(jié)構(gòu)實(shí)施復(fù)雜的幾何約束，縮小生成和真實(shí)無云圖像之間的差距。該方法不僅可以將遙感圖像中的霧有效去除，而且對薄云去除和地物重建也取得了較好的效果。