基于增强生成对抗网络的滑坡影像集超分辨率重建_方留杨.pdf

年第期 方 留 杨，等：基 于 增 强 生 成 对 抗 网 络 的 滑 坡 影 像 集 超 分 辨 率 重 建引 文 格 式：方 留 杨，刘 天 逸，赵 鑫，等基 于 增 强 生 成 对 抗 网 络 的 滑 坡 影 像 集 超 分 辨 率 重 建 测 绘 通 报，（）：-：-基于增强生成对抗网络的滑坡影像集超分辨率重建方 留 杨，刘 天 逸，赵鑫，吴昊，贾 志 文，曾珍，（昆 明 理 工 大 学，云 南 昆 明；云 南 省 交 通 规 划 设 计 研 究 院 有 限 公 司，云 南 昆 明；云 南 省 数 字 交 通 重 点 实 验 室，云 南 昆 明）摘 要：针 对 高 分 遥 感 影 像 用 于 滑 坡 智 能 识 别 缺 少 高 清 训 练 集 的 问 题，在 组 建 高 清 滑 坡 训 练 集 过 程 中，为 充 分 利 用 低 分 辨 率 滑 坡 影像，本 文 采 用 基 于 增 强 型 生 成 对 抗 网 络 模 型（）实 现 了 低 分 辨 率 滑 坡 影 像 集 超 分 辨 率 重 建。模 型 在模 型基 础 上，通 过 移 除 批 归 一 化 层、加 入 多 级 残 差 网 络 与 残 差 缩 放 系 数，提 升 了 生 成 器 的 特 征 提 取 性 能 与 稳 定 性，并 采 用 迁 移 学 习 方法，基 于 毕 节 滑 坡 影 像 集 与 云 南 南 景 高 速 公 路 滑 坡 影 像 集 进 行 试 验 验 证。试 验 结 果 表 明，基 于 迁 移 学 习 的模 型 在 峰 值 信噪 比（）与 结 构 相 似 性（）方 面 获 得 更 高 得 分，超 分 辨 率 重 建 取 得 更 优 结 果。本 文 研 究 结 果 为 获 取 滑 坡 高 分 辨 率 遥 感 影像 集 提 供 了 一 种 新 的 技 术 方 法。关 键 词：滑 坡 影 像 集；生 成 对 抗 网 络；超 分 辨 率 重 建；多 级 残 差 网 络；迁 移 学 习中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，；，）：-，-，-（）-，-，-（）（），-：；-；近 年 来，滑 坡 灾 害 已 成 为 我 国 最 主 要 的 自 然 灾害 之 一。随 着 我 国 对 地 观 测 技 术 的 进 步，高 分 辨率 遥 感 影 像 获 取 难 度 逐 渐 降 低，滑 坡 识 别 技 术 自 动化 水 平 也 在 逐 步 提 升，基 于 专 家 知 识 的 传 统 滑 坡 识别 方 法 逐 渐 被 计 算 机 主 导 的 智 能 滑 坡 识 别 方 法 替代。目 前，基 于 深 度 学 习 的 滑 坡 识 别 方 法 已 得 到 广泛 应 用-，但 这 类 方 法 普 遍 高 度 依 赖 大 量 的 滑 坡数 据 集。通 常 情 况 下，获 取 滑 坡 识 别 样 本 集 有种方 法：在 目 标 检 测 区 域 的 同 一 景 影 像 或 相 邻 影 像内 进 行 采 集；在 不 同 传 感 器 获 取 的 目 标 检 测 区 域附 近 进 行 样 本 采 集；采 用 具 有 相 似 滑 坡 特 征 的 公共 样 本 集。种 方 法 中 仅 有 同 一 景 影 像 提 取 的 样 本集 会 与 目 标 区 域 特 征 高 度 相 似，但 这 种 方 法 无 法 解决 数 据 集 数 量 过 少 的 问 题，导 致 特 征 学 习 不 完 全 或出 现 过 拟 合。另 外 两 种 方 法 由 于 传 感 器 不 同，获 取的 影 像 集 包 含 不 同 分 辨 率 影 像，比 目 标 识 别 区 域 分 辨收 稿 日 期：-；修 回 日 期：-基 金 项 目：云 南 省 数 字 交 通 重 点 实 验 室 项 目（）；云 南 省 交 通 运 输 厅年 科 技 创 新 管 理 咨 询 研 究 项 目（）；交 通 运 输部年 度 交 通 运 输 行 业 重 点 科 技 项 目 清 单 项 目（-）；云 南 省 交 通 规 划 设 计 研 究 院 有 限 公 司 科 技 项 目（-）作 者 简 介：方 留 杨（），男，博 士，高 级 工 程 师，主 要 从 事 交 通 灾 害 防 治 方 面 的 研 究。-：通 信 作 者：刘 天 逸。-：测绘通报年第期率 更 高 的 样 本 集 影 像 具 备 更 丰 富 的 影 像 特 征，但 比 目标 识 别 区 域 分 辨 率 更 低 的 样 本 集 影 像 却 不 具 备 足 够的 特 征 用 于 特 征 学 习。因 此，为 低 分 辨 率 样 本 集 影 像提 供 更 丰 富 的 细 节，可 使 更 多 数 据 资 源 被 充 分 利 用。图 像 超 分 辨 率 重 建 技 术 可 以 将 输 入 的 低 分 辨 率影 像 变 换 为 高 分 辨 率 影 像。超 分 辨 率 重 建 技 术 包 括基 于 内 插 的 方 法、基 于 重 构 的 方 法和 基 于 学 习 的方 法-。其 中，基 于 生 成 对 抗 网 络 的 重 建 方 法 是 超分 辨 率 重 建 方 向 的 研 究 热 点。文 献 通 过 添 加 遥感 影 像 特 征 之 间 的 空 间 位 置 信 息，减 少 了 特 征 匹 配 错误，使 生 成 对 抗 网 络 超 分 辨 率 重 建 效 果 得 到 进 一 步 提升；文 献 提 出 了 一 种 以 最 近 邻 插 值 和 亚 像 素 卷 积方 法 优 化 的 上 采 样 模 块，以 此 为 基 础 构 建 了 用 于影 像 的 超 分 辨 率 重 建 的-模 型；文 献 以 生成 对 抗 网 络 为 核 心 设 计 了 一 种 激 光 雷 达 超 分 辨 率 模型，并 实 现 激 光 雷 达 点 云 线 束 超 分 辨 率 重 建 工 作；文献 采 用方 法 实 现 单 幅 遥 感 影 像 超 分 辨率 重 建 工 作；文 献 采 用方 法 实 现 了 高分 一 号 遥 感 影 像 集 的 超 分 辨 率 重 建。由 上 可 知，基 于 生 成 对 抗 网 络 的 遥 感 影 像 超 分辨 率 重 建 方 法 具 有 较 好 的 效 果，但 选 用 的 待 处 理 对象 均 为 边 缘 较 为 突 出 的 物 体（如 飞 机、船、球 场、道路 等），而 滑 坡 因 其 复 杂 的 内 部 纹 理 与 边 缘 的 不 确定 性，使 得 该 方 法 在 滑 坡 影 像 集 中 的 应 用 效 果 仍 有待 证 明。因 此 本 文 提 出 一 种 增 强 型 生 成 对 抗 网 络模 型结 合 迁 移 学 习 技 术 实 现 低 分 辨 率 滑坡 影 像 集 超 分 辨 率 重 建 的 方 法。该 方 法 充 分 利 用模 型 强 大 的 重 建 性 能 与 去 伪 影 能 力，并 针 对滑 坡 目 标 进 行 模 型 专 项 训 练，以 期 有 效 拓 宽 高 清 滑 坡数 据 集 获 取 的 路 径，为 后 续 滑 坡 智 能 识 别 提 供 支 持。研 究 方 法.总体架构模 型 与 传 统 的 生 成 对 抗 网 络 模 型（）主 体 架 构 相 似，主 要 由 生 成 器 与 判 别器 组 成。低 分 辨 率 影 像 进 入 生 成 器 以 提 升 分 辨 率，获 得 伪 影 像，再 将 分 辨 率 提 升 后 的 伪 影 像 输 入 判 别器 网 络 中，与 原 始 影 像 进 行 对 比，计 算 判 别 结 果。在 循 环 生 成 器 与 判 别 器 相 互 对 抗 过 程 中，当 生 成 器输 出 的 伪 影 像 与 原 始 影 像 差 距 小 于 设 定 阈 值 时，认为 生 成 器 的 输 出 结 果 足 以“欺 骗”判 别 器，此 时 生 成器 模 型 可 以 用 于 超 分 辨 率 重 建 任 务。在 超 分 辨 率 重 建 任 务 中，完 全 基 于的 方 法会 在 重 建 过 程 中 产 生 少 量 的 噪 声 与 伪 影，从 而 影 响超 分 辨 率 重 建 影 像 的 质 量。峰 值 信 噪 比（，）是 使 用 最 广 泛 的 评 鉴 画质 的 客 观 量 测 法，通 过值 对 噪 声 影 响 进 行 定量 评 定。在 基 于的 模 型 中 加 入 面 向的网 络，可 以 有 效 控 制中 产 生 的 噪 声，从 而 减 小噪 声 对 超 分 辨 率 重 建 影 像 质 量 的 影 响。中提 出 了 一 种 网 络 内 插 模 型，通 过 为 面 向的 模型 与 面 向方 法 的 模 型 添 加 适 当 的 权 重，实 现 重建 图 像 中 噪 声 控 制 与 感 知 质 量 的 平 衡，内 插 模 型 公式 为（）（）式 中，、分 别 为 网 络 内 插 模 型、面 向模 型、面 向模 型的 参 数；为 插 值 权 重，。.改进的生成对抗网络.生 成 器 架 构面 向 超 分 辨 率 重 建 的 生 成 对 抗 网 络 中，生 成 器的 主 要 作 用 是 将 输 入 的 低 分 辨 率 影 像 经 过 神 经 网络 处 理 得 到 高 分 辨 率 影 像。本 文 采 用 的 生 成 器 架构 如 图所 示，在 生 成 器 架 构 中 仍 沿 用的 高层 框 架 设 计，主 体 框 架 由 浅 层 特 征 提 取 网 络、深 层特 征 提 取 网 络、密 集 特 征 融 合 网 络、上 采 样 网 络个重 要 部 分 组 成。图生 成 器 架 构 其 中，深 层 特 征 提 取 网 络 由 多 组 基 础 模 块 组成，深 层 特 征 提 取 网 络 可 以 获 取 低 分 辨 率 影 像 中 的深 层 特 征 信 息，而 深 层 特 征 信 息 会 影 响 重 建 后 高 分辨 率 影 像 的 质 量。因 此，基 础 模 块 是 生 成 器 架 构 中的 核 心 部 分。为 了 提 高 特 征 提 取 能 力 与 网 络 稳 定性，在 传 统模 型 基 础 模 块 上，进 行 如 下点年第期 方 留 杨，等：基 于 增 强 生 成 对 抗 网 络 的 滑 坡 影 像 集 超 分 辨 率 重 建改 进。（）移 除 残 差 块 中 的 批 归 一 化（，）。在 超 分 辨 率 重 建 任 务 中，层对 网 络 特 征 进 行 归 一 化 会 影 响 残 差 模 块 的 范 围 灵活 性，并 增 加内 存 的 负 载。因 此，在 改 进 的生 成 器 架 构 中 移 除 了层，残 差 密 集 块 结 构 如 图所 示。图残 差 密 集 块 结 构（）采 用 多 级 残 差 网 络。文 献 提 出在 网 络 中 加 入 残 差 结 构、增 加 网 络 深 度，以 有 效 提高 网 络 性 能，获 得 更 强 的 语 义 信 息 表 达 能 力。因 此改 进 的 基 础 模 块 采 用 比的 残 差 基 础 模 块 更复 杂 的 多 层 残 差 密 集 块 结 构（-，），具 体 结 构 如 图所 示。结 构 由 外 而 内 分 为 全 局 残 差 结 构 与 密 集 块 结 构，全局 残 差 结 构 以 每 个 密 集 块 为 基 础 单 位，实 现 标 准 残差 结 构；密 集 块 结 构 中 的 残 差 结 构 通 过 将 输 入 信 息或 前 一 层 卷 积 模 块 的 输 出 信 息 分 别 叠 加 到 当 前 特征 提 取 网 络 后 续 的 每 一 层 卷 积 模 块 输 入 信 息 中。图多 层 残 差 密 集 块 结 构（）加 入 残 差 缩 放。当 网 络 中 复 杂 程 度 不 断 增高，网 络 整 体 的 稳 定 性 将 受 到 影 响，即 使 采 用 降 低学 习 率 或 添 加层 也 无 法 使 网 络 恢 复 正 常 训练。因 此，通 过 在 网 络 中 加 入 残 差 缩 放 系 数，