賴麗琦

(浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311300)

近些年來，隨著無人機(jī)航拍技術(shù)日漸成熟，無人機(jī)航拍影像正在被越來越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。作為高空衛(wèi)星遙感影像的補(bǔ)充，無人機(jī)航拍影像以其獲取方便，成像分辨率高，受大氣因素干擾小的優(yōu)點(diǎn)[1]，在小區(qū)域遙感應(yīng)用方面擁有較大的前景[2-4]，基于無人機(jī)的林業(yè)資源信息獲取已成為一種研究熱點(diǎn)。林志瑋等[5]利用DenseNet，F(xiàn)C-DenseNet對無人機(jī)遙感影像中的不同樹種進(jìn)行細(xì)分，其分類精度均達(dá)80%以上，最高精度為87.54%；楊建宇等[6]使用SegNet對遙感影像中農(nóng)村建筑物進(jìn)行分割，得到了優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法的結(jié)果；劉文萍等[7]提出一種改進(jìn)的DeeplabV3+模型，編碼器中將主干網(wǎng)絡(luò)替換為ResNet+，增加聯(lián)合上采樣模塊，調(diào)整 ASPP 模塊，解碼器中融合更多淺層特征。該模型對無人機(jī)影像的不同土地類型進(jìn)行了較好地細(xì)分，得到效果更好的分類與分割結(jié)果；宋建輝等[8]利用基于遷移學(xué)習(xí)的DeeplabV3+模型進(jìn)行無人機(jī)地物場景語義分割，平均交并比達(dá)75.45%；戴鵬欽等[9]使用Resnet-Unet對結(jié)合了植被因子的遙感影像進(jìn)行識別，結(jié)合最優(yōu)尺度的面向?qū)ο蠓指罱Y(jié)果可以對其結(jié)果進(jìn)行修正，有效去除了“椒鹽噪聲”，提高了樹種分類精度；滕文秀等[10]采用超像素法結(jié)合語義分割模型對無人機(jī)影像進(jìn)行識別，該方法較單一模型收斂更快，精度更高。

傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法通常沿用了衛(wèi)星遙感圖像的處理思路，需要人為選取特征變量，工程量大，而且特征變量的選取對精度的影響較大[11，12]，深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的語義分割方法具有較好的魯棒性和分類分割效果，能較好地避免特征選擇對精度的影響，為無人機(jī)影像分割與分類提供了新思路[13]。

本文以無人機(jī)獲取的植被覆蓋影像為研究對象，使用傳統(tǒng)圖像分割模型隨機(jī)森林(Random Forest)和語義分割模型SegNet，U-Net，DeeplabV3+對影像進(jìn)行識別分割，并對DeeplabV3+模型進(jìn)行改進(jìn)，探討不同模型的指標(biāo)優(yōu)劣，以期得到最佳分割模型，為無人機(jī)植被影像精準(zhǔn)識別提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

使用六旋翼無人機(jī)DJI Matrice 600 Pro，最大載重5.5 kg，最大飛行高度500 m。搭載相機(jī)型號為Zenmuse X5，有效像素1 600萬，分辨率4608×3 456，鏡頭焦距15 mm，等效焦距30 mm。

影像拍攝地點(diǎn)位于臨安區(qū)榧子山附近的青山湖綠道，拍攝時(shí)天氣良好，受天氣影響較小，相機(jī)鏡頭保持垂直向下。

1.2 數(shù)據(jù)集的建立

根據(jù)拍攝地點(diǎn)無人機(jī)影像，結(jié)合青山湖地區(qū)植被分布情況，根據(jù)《中國植被》所提出的植被生活型劃分為4種植被類型，即喬木、草本、灌木、禾本類草本，將道路，水體等其他物體統(tǒng)一歸為背景。為提升模型的收斂速度，減少運(yùn)算量，將圖像裁剪為512像素×512像素，使用labelme進(jìn)行圖像像素級別標(biāo)注并生成標(biāo)簽圖。通過旋轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)，傾斜，彈性變換，透視，裁剪，縮放等不同操作對數(shù)據(jù)進(jìn)行增廣，共獲得 4 500 張圖像，按照7∶3的比例劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。圖1(a)為其中一幅樣本圖及其數(shù)據(jù)增廣圖，圖1(b)為對應(yīng)的標(biāo)簽圖。

圖1 數(shù)據(jù)增廣與標(biāo)簽圖Fig.1 Data augmentation and label map

1.3 分割方法

1.3.1隨機(jī)森林

隨機(jī)森林(Random Forest)由Breiman[14]于2001年提出，是指利用多棵決策樹對樣本進(jìn)行訓(xùn)練并預(yù)測的一種算法，屬于監(jiān)督分類方法。其通常包含多個(gè)決策樹，輸出的類別是由個(gè)別決策樹輸出的類別的眾樹來決定的。隨機(jī)森林方法實(shí)現(xiàn)簡單，精度高，具有較好的抗過擬合能力。

1.3.2SegNet

SegNet是一個(gè)由Encoder和Decoder組成的對稱網(wǎng)絡(luò)[15，16]。其中Encoder使用的是微調(diào)過的VGG16中的前13層卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。SegNet的創(chuàng)新就在于其Encoder的每一個(gè)Max-pooling過程中保存其池化索引(最大值的Index)，在Decoder層使用這些得到的索引來做非線性上采樣，對經(jīng)過上采樣的特征圖進(jìn)行卷積操作產(chǎn)生密集特征圖(Feature maps)，送入softmax分類器中進(jìn)行分類。SegNet改善了邊界劃分，減少了端到端訓(xùn)練的參數(shù)量，模型較小，對內(nèi)存要求較低。

1.3.3U-net

U-net[17]包括兩部分，分別為特征提取和上采樣部分。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)像U型，所以叫U-net網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)FCN網(wǎng)絡(luò)不同，U-net采用了完全不同的特征融合方式：拼接(Concatenate)，U-net網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)卷積層得到的特征圖都會(huì)拼接到對應(yīng)的上采樣層，從而實(shí)現(xiàn)對每層特征圖均有效使用到后續(xù)計(jì)算中。這樣做的好處是結(jié)合了低級特征圖中的特征，從而可以使得最終所得到的特征圖中既包含了高維度的特征，也包含很多低維度的特征，實(shí)現(xiàn)了不同尺度下特征的融合，能有效提高模型的結(jié)果精確度，在小樣本集上也能獲得較為出色的表現(xiàn)，常用于醫(yī)療影像分割。

1.3.4DeeplabV3+

DeeplabV3+是Deeplab[18]系列網(wǎng)絡(luò)的第四代產(chǎn)品。DeeplabV3+為了融合多尺度信息，其引入了語義分割常用的encoder-decoder形式。在Encoder-Decoder 架構(gòu)中，引入可任意控制編碼器提取特征的分辨率，通過空洞卷積平衡精度和耗時(shí)。DeeplabV3+與SegNet、U-net相比，其最大的改進(jìn)之處就是引入了空洞卷積，空洞卷積加大了感受野，而且并不會(huì)造成信息損失，使得每個(gè)卷積輸出均包含了更大范圍的信息，并且DeeplabV3+將深度可分離卷積應(yīng)用于ASPP和解碼器，以替換所有的最大池化(Max-pooling)操作，有效減少了參數(shù)數(shù)量，提升模型訓(xùn)練速度。DeeplabV3+模型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 DeeplabV3+模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of DeeplabV3+ model

1.3.5改進(jìn)的DeeplabV3+

本文提出的分割方法基于DeeplabV3+語義分割模型，并對主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了替換，采用加入擴(kuò)張卷積的MobilenetV2作為主干網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步減少模型參數(shù)量，使模型更加輕量化。

相比原始DeeplabV3+使用的Xception+網(wǎng)絡(luò)，MobileNetV2網(wǎng)絡(luò)可以大幅度縮減參數(shù)量，并且可以用較少的運(yùn)算量得到較高的精度。在相同顯存大小的情況下，可以使用更大的batch size來訓(xùn)練模型。同時(shí)，輕量化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著降低了模型權(quán)重文件大小和模型預(yù)測速度。改進(jìn)的DeeplabV3+模型結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 改進(jìn)的DeeplabV3+模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of improved DeeplabV3+ model

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與模型訓(xùn)練

使用Keras構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型，處理器為i7-8750H，顯卡為GTX1080TI。按照7:3的比例隨機(jī)劃分訓(xùn)練集與驗(yàn)證集。模型以3幅圖像為一個(gè)批次進(jìn)行完整迭代。以交叉熵作為損失函數(shù)；以驗(yàn)證集損失函數(shù)值Val_loss為監(jiān)控對象，當(dāng)Val_loss經(jīng)過7個(gè)epoch不下降時(shí)，自動(dòng)降低1/2學(xué)習(xí)率；當(dāng)Val_loss經(jīng)過40個(gè)eopch不下降時(shí)，認(rèn)為模型已經(jīng)收斂，提前結(jié)束訓(xùn)練。

除圖像原始特征外，還使用32組不同參數(shù)組合的Gabor濾波器獲取圖像紋理特征，使用Roberts，Sobel等算子獲取邊緣特征，最后加入高斯、中值濾波器等，共獲取42個(gè)特征進(jìn)行隨機(jī)森林模型訓(xùn)練。

2.2 評價(jià)指標(biāo)

基于混淆矩陣基礎(chǔ)評估模型精度。采用的評價(jià)指標(biāo)有PA(Pixel Accuracy)，MIOU(Mean Intersection Over Union)，Precision(精確率)以及Recall(召回率)。具體計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，假定數(shù)據(jù)集中有n+1類(0～n)，0通常表示背景。真正(TP)和真負(fù)(TN)表示原本為i類同時(shí)預(yù)測為i類，假正(FP)和假負(fù)(FN)表示原本為i類被預(yù)測為j類。如果第i類為正類，當(dāng)i!=j時(shí)，使用Pii表示原本為i類同時(shí)預(yù)測為i類，Pij表示原本為i類被預(yù)測為j類，則Pii表示TP，Pjj表示TN，Pij表示FP，Pji表示FN。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1未改進(jìn)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

不同模型在數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)如表1所示。

表1 不同模型指標(biāo)對比

從表1中可以看到，傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型Random Forest表現(xiàn)較差，在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集上的表現(xiàn)較深度學(xué)習(xí)模型有所差距。U-net表現(xiàn)略好于SegNet，在驗(yàn)證集上的MIOU比SegNet高出2.41%；DeeplabV3+的平均交并比MIOU達(dá)到66.43%，比U-net高出2.94%，其他指標(biāo)也都優(yōu)于SegNet和U-Net的表現(xiàn)?？梢缘贸鼋Y(jié)論：DeeplabV3+模型在本次實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)最好，空洞卷積的引入使得模型的感受野加大，能夠獲取更多上下文信息，使得模型的MIOU較其他模型有很大提升。

DeeplabV3+模型的部分指標(biāo)如圖4所示。

從圖4可以看到，模型的指標(biāo)曲線均在80個(gè)epoch左右趨于平緩，到120個(gè)epoch時(shí)模型已達(dá)到收斂。

圖4 Indicators of DeeplabV3+ model Fig.4

2.3.2改進(jìn)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文提出的改進(jìn)的DeeplabV3+模型與原始DeeplabV3+模型對比效果見表2，以驗(yàn)證集指標(biāo)作為評估指標(biāo)。模型1為原始DeeplabV3+模型，模型2為本文提出的改進(jìn)模型。

從表2中可以看出，模型2各項(xiàng)指標(biāo)較模型1均有所提升。模型2在模型1基礎(chǔ)上，Accuracy提升1.07%，Precision提升2.22%，Recall提升0.19%，MIOU提升4.46%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)模型能夠獲得更好的分類與分割效果。與原模型相比，改進(jìn)模型在各項(xiàng)性能指標(biāo)上均有所改善，且MIOU有明顯提升。

表2 模型指標(biāo)對比

模型各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如表3所示。

從表3可知。與模型1相比，使用MobilenetV2作為主干網(wǎng)絡(luò)后，模型2的參數(shù)個(gè)數(shù)從41,254,101降到2,766,933，僅為模型1的6.71%，更少的參數(shù)使模型訓(xùn)練更快，更加輕量化；單epoch訓(xùn)練時(shí)長從485s降到363s，總訓(xùn)練Epoch次數(shù)從158次降到125次，訓(xùn)練時(shí)長也有明顯縮短。

兩個(gè)模型部分預(yù)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種模型分割效果對比Fig.5 Comparison of the segmentation results of two models

由圖5可以看出，模型1誤分割情況較多，在邊界分割上效果并不理想。模型2誤分割情況有所改善，在植被覆蓋圖像上的分割分類精度較高，能夠?qū)吔邕M(jìn)行更好地劃分，具有更好的魯棒性和實(shí)用性。但仍存在一定“椒鹽噪聲”，存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能。

3 結(jié)論與討論

針對現(xiàn)有林地覆蓋數(shù)據(jù)獲取方法耗時(shí)慢、成本高、工程量大等問題，基于深度學(xué)習(xí)方法，提出一種面向無人機(jī)航拍影像的語義分割方法。結(jié)果表明，基于深度學(xué)習(xí)的語義分割方法能夠在植被識別任務(wù)上取得一定成果。

1)使用語義分割模型以及傳統(tǒng)圖像分割模型分別對研究區(qū)無人機(jī)影像進(jìn)行識別分割，表明語義分割模型在圖像分割上的表現(xiàn)要優(yōu)于傳統(tǒng)圖像分割模型，可應(yīng)用于無人機(jī)航拍影像識別；在語義分割模型中，DeeplabV3+表現(xiàn)最好，在驗(yàn)證集上的像素準(zhǔn)確率為93.64%，精確率為94.28%，召回率為93.96%，平均交并比為66.43%。

2)本文提出的改進(jìn)DeeplabV3+模型在驗(yàn)證集上的像素準(zhǔn)確率為94.71%，查準(zhǔn)率為96.50%，召回率為94.15%，平均交并比為70.89%，相比原始DeeplabV3+模型像素準(zhǔn)確率提高了1.07%，精確率提高了2.22%，召回率提高了0.19%，平均交并比MIOU提高了4.46%，得到了更高的分割與分類效果。訓(xùn)練時(shí)長為原模型的78.76%，參數(shù)量僅為原模型的6.74%，具有一定的適用性和實(shí)用價(jià)值。

3)本實(shí)驗(yàn)無人機(jī)航拍高度固定為20 m，后續(xù)可使用不同航拍高度圖像進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分析不同航拍高度對分割精度的影響[19]。