关键词:
山体滑坡
图像语义分割
深度学习
超大尺寸图像
摘要:
滑坡是一种频发的地质灾害,对人类生命和经济造成巨大危害。近年来,航空无人机或卫星返回的高清(High Resolution,HR)图像为监测滑坡提供了可靠的手段。对于这类滑坡图像的分割,深度学习方法已得到了广泛的应用,但由于超大尺寸的山体滑坡图像中包含的滑坡分布情况非常复杂,精确的分割仍然十分困难。除此之外,人工标注的高成本和数据集的稀缺性使得训练具有强泛化能力的模型变得困难。同时,还存在正负样本不均衡、图像比例变化带来的扭曲形变和失真、尺寸缩小带来的细节信息丢失等问题。
鉴于地质学专家的经验在山体滑坡图像分割中十分重要,如果能够在分割过程中借助其帮助,可以显著的提升分割准确率。因此,本文提出一种通过遥感图像对山体滑坡灾害进行检测的新型深度学习方法,采用专家介入和深度学习相结合,对航空无人机或卫星返回的高清图像进行分割,以检测并勾画山体滑坡发生的区域位置。本文的主要贡献总结如下:
(1)本文提出一种通过遥感图像对山体滑坡灾害进行检测的新型交互式深度学习方法,将专家介入与深度学习相结合,基于单张图像进行分割。与几乎是所有流行的深度学习方法所必需的大规模的像素级标注训练集(由来自不同地点、不同滑坡的图像组成)不同,本文提出的方法需要的信息仅局限于单张图像中的模糊和不完整标注信息。此外,该方法成功避免了滑坡分割中正负样本不平衡的问题,因为正负样本的比例可以通过数据集生成环节中的参数来控制。该方法和其他基线模型在毕节数据集上进行了一系列对比实验,通过实验结果验证了有效性。
(2)针对超大尺寸滑坡图像语义分割的实际应用问题,本文沿用已经提出的方法,同时对该方法进行改进,在过程中采用三种策略或技巧,分别是分而治之、边缘填充和反转分割,成功应用该方法解决了超大尺寸山体滑坡图像分割。其中,分而治之的策略将超大尺寸的图像分割为等大小的子图后再输入分割框架进行训练,并在专家标注阶段剔除部分子图。该策略将超大尺寸滑坡图像转化为正常尺寸的滑坡图像语义分割问题,使得在较低算力的条件下进行训练成为可能,同时降低了训练时间、提升性能和分割效果。边缘填充技巧是指在分割子图的同时将边缘向外拓宽固定宽度的像素,在得到分割结果后再将重叠的填充部分融合,以优化子图边缘的分割表现。该技巧成功缓解了分割模型在子图分割边界可能出现的错误分类,优化了模型表现。反转分割策略在面对单张子图中正负样本比例颠倒时,将分割目标从滑坡区域转换为非滑坡区域,以实现分割。其解决了对超大尺寸滑坡图像划分得到的子图中,有可能出现发生滑坡区域面积远小于非滑坡的背景区域的问题。这三种策略或技巧在超大尺寸滑坡图像数据集上进行了消融实验,验证了其有效性。