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吴一全团队:光学遥感图像目标检测的深度学习算法研究进展

遥感学报 • 2 周前 • 15 次点击  

第1155期推文,点击关注不迷路!

遥感学报NRSB


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图1 光学遥感图像中的典型实例  


光学遥感图像目标检测技术广泛应用于军事侦察、测绘工程、农林管理、气象预报、资源勘探、灾害预防、环境监控、城市规划、海洋监测等领域。早期的光学遥感图像目标检测技术一般基于传统人工的方式设计并提取特征,最后使用分类器输出目标的类别和坐标,极大消耗硬件和人力资源,且在应对复杂的光学遥感图像时鲁棒性不足。进入到21世纪,深度学习取得突破性发展,深度学习算法不仅能够有效提取图像中的深层语义信息,而且在鲁棒性和应用范围方面都比传统算法更有优势。由于各种类型图像中的目标特征各异,目标检测所面临的挑战也不尽相同。


南京航空航天大学电子信息工程学院徐丹青、 吴一全在《遥感学报》发表文章光学遥感图像目标检测的深度学习算法研究进展,详细综述了基于深度学习的光学遥感图像目标检测算法研究进展。以深度学习为出发点,概述了经典的目标检测框架,并根据光学遥感图像目标的特点,分别针对尺度多样性、方向多样性、形状多样性、小尺寸、特征相似性、背景复杂性、分布密集性、弱特征的光学遥感图像目标检测问题,对各种改进算法进行了系统性的总结。此外,归纳了针对光学遥感图像目标检测的非全监督学习算法,介绍了常用的开源光学遥感图像数据集和目标检测的性能评估指标,指出了现阶段在光学遥感图像目标检测领域仍然面临的主要挑战和下一步的发展方向。





研究创新点


(1)梳理了光学遥感图像目标检测算法经历了从传统方法,包括模板匹配、先验知识和机器学习到基于深度学习算法的发展历程,并且 针对深度学习算法,阐明了光学遥感图像目标检测的大体流程,包括数据预处理、特征提取、生成Bounding Box和检测及后处理。


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图2 光学遥感图像目标检测算法发展历程


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图3 基于深度学习的光学遥感图像目标检测流程


(2)阐述了经典的深度学习目标检测模型,并针对光学遥感图像中的目标特点,如:尺度多样性、方向多样性、形状多样性、小尺寸、特征相似性、背景复杂性、分布密集性、弱特征,总结了近年来研究人员提出的一系列改进算法。


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图4 经典的深度学习目标检测模型汇总


(3)介绍了常用的光学遥感图像数据集和评价指标并对光学遥感图像目标检测算法进行了性能评估。


(4)现有的光学遥感图像目标检测综述,有的针对特定类别的目标检测算法进行归纳,泛用性不强,有的缺乏对光学遥感目标特点的分类或者缺乏对算法优缺点的对比,有的列举的光学遥感图像数据集也不够完整,有的侧重于传统算法,对深度学习算法的涉及较少。与现有的综述相比,本文对目标特点的归纳较为完整,对各个改进算法和常用数据集的总结比较系统、全面和深入,另外详细地进行了各种算法的性能对比。




研究结果


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图5 研究流程


  • 针对尺度多样性的光学遥感图像目标检测算法,目前主流的研究方向是多尺度特征融合,但是面对尺寸特别巨大的光学遥感图像目标,现有的模型仍然不能够直接将整幅图像输入进行全局处理,通过分割的方式会造成计算资源的消耗,此外,人为地分割图像有可能导致目标信息的丢失。


  • 针对方向多样性的光学遥感图像目标检测算法,目前主流的研究方向是数据集扩增和旋转检测框。


  • 针对形状多样性的光学遥感图像目标检测算法,目前主流的研究方向是增加锚框数量和关键点检测。


  • 针对小尺寸的光学遥感图像目标检测算法,目前的主流研究方向是融合浅层特征和特征图尺寸扩增。


  • 针对特征相似的光学遥感图像目标检测算法,目前的主流研究方向是注意力机制和采用辅助网络,不过目前仍然没有系统性的解决办法。


  • 针对复杂背景下的光学遥感图像目标检测算法,目前的主流研究方向是增强目标特征和减少背景干扰。


  • 针对分布密集的光学遥感图像目标检测算法,目前的主流方法是增强目标特征和增强目标位置信息精度的方式解。


  • 针对弱特征的光学遥感图像目标检测算法,目前的主流方法主要是增强目标特征和增强目标位置信息精度。




研究结论


本综述以深度学习为出发点,研究了光学遥感图像中的目标检测算法。


分析了光学遥感图像中目标的特点,包括尺度多样性、方向多样性、形状多样性、小尺寸、特征相似、背景复杂、分布密集和特征弱,并总结了光学遥感图像目标检测算法经历了从传统方法,包括模板匹配、先验知识和机器学习到基于深度学习算法的发展历程。


阐明了光学遥感图像目标检测的具体步骤,包括数据预处理、特征提取、生成Bounding Box和检测及后处理。


概述了经典的深度学习目标检测算法;重点针对光学遥感图像目标的特点总结了对应的改进算法;然后介绍了常用的光学遥感图像数据集以及评价指标并对一系列的算法进行性能比较。


针对目前仍然存在的问题,如光学遥感图像尺寸过大、目标类间相似性、深层语义信息的解释性较差、数据集标注困难、旋转框检测、精度和实时性平衡问题进行总结,并对未来的发展方向,如主干网络改进、轻量化网络研究、弱监督学习、小目标检测、旋转检测机制进行展望。




作者简介


徐丹青(第一作者)南京航空航天大学电子信息工程学院博士研究生,研究方向为遥感图像目标检测算法。

Email:xudanqing@nuaa.edu.cn


吴一全(通信作者)南京航空航天大学电子信息工程学院教授、博士生导师,研究方向为遥感图像处理与理解、目标检测与识别、视频处理与智能分析、视觉检测与图像测量等。

Email: nuaaimage@163.com




🔸 论文信息

题目:光学遥感图像目标检测的深度学习算法研究进展

作者:徐丹青, 吴一全

第一作者单位南京航空航天大学

发表期刊遥感学报

DOI10.11834/jrs.20243166

论文链接:

https://www.ygxb.ac.cn/zh/article/doi/10.11834/jrs.20243166/


屏幕截图 2025-02-23 175847.png


01
引用格式

徐丹青,吴一全.2024.光学遥感图像目标检测的深度学习算法研究进展.遥感学报,28(12):3045-3073 [DOI:10.11834/jrs.20243166]

Xu D Q and Wu Y Q. 2024. Progress of research on deep learning algorithms for object detection in optical remote sensing images. National Remote Sensing Bulliten, 28(12):3045-3073[DOI:10.11834/jrs.20243166]




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