关键词:
遥感图像
深度学习
小目标检测
有向目标检测
细粒度目标检测
摘要:
近年来,随着光学遥感技术的快速发展,现代遥感影像数据的空间分辨率与广域覆盖能力大幅提升,其蕴含的丰富地物细节信息为城市规划、军事侦察、环境监测、灾害应急、智慧交通等领域提供了重要数据支撑。在深度学习技术的驱动下,遥感图像解译已实现从粗粒度地物分类向精细化检测的范式跃迁。作为遥感图像智能解译的核心环节,目标检测技术通过高效识别与精准定位地物目标,为后续高阶语义的解译任务奠定了重要基础。
然而,受成像机理与观测条件的影响,光学遥感图像目标检测技术在实际应用中仍面临着三大核心挑战:(1)小尺度目标因低像素占比导致特征表征模糊化,同时易受复杂背景干扰,造成特征提取失效与漏检问题;(2)大长宽比目标在鸟瞰视角下呈任意方向分布,导致传统水平检测框难以准确拟合目标形态,从而造成定位精度不足问题;(3)细粒度目标因具有高度相似的外观和细微的纹理差异,导致类间鉴别性较低,易引发特征混淆问题。上述问题严重制约了复杂场景下光学遥感图像目标检测技术的应用效能。为此,本论文围绕着复杂场景下光学遥感图像的高精度解译需求,重点针对小目标检测、有向目标检测及细粒度目标检测三大关键技术展开深入研究,旨在提升复杂遥感场景目标解译的精度与鲁棒性。本文的主要研究内容与创新性贡献包括如下三个方面:
(1)针对小目标像素占比低、特征模糊及背景干扰的检测难题,提出了一种基于退化重建辅助增强的小目标检测方法。该方法创新地设计了双分支协同框架:检测分支主导目标定位与识别,退化重建辅助分支则通过退化编码模块与特征超分辨率模块构建对抗性特征空间,并利用重建损失引导网络聚焦目标的高质量特征学习,显著增强目标特征的表征能力。同时,利用提出的混合并行注意力机制嵌入特征融合网络中,通过通道与空间维度的动态权重分配,有效增强目标特征响应并抑制复杂背景干扰。区别于传统的超分辨率重建与检测网络级联式架构,该方法利用动态可分离的架构设计,在训练阶段通过参数共享提升特征表征能力,而在推理阶段仅保留检测分支以实现高效检测,实现了端到端联合优化策略的深度融合,最终在检测精度与计算效率之间取得了平衡。在VEDAI和Airbus-Ships两个公开数据集上的实验结果表明,该方法的精度提升显著,尤其对复杂背景下的小尺度舰船和车辆等目标具有更强鲁棒性。
(2)针对任意方向目标定位精度不足的问题,提出了一种基于自适应双域动态交互的有向目标检测方法。该方法通过空间域与频域的协同建模来突破以往单一域特征表征的局限性,有效提升任意方向目标的检测性能。首先,设计了空间自适应选择模块,采用动态感受野机制提取多尺度目标的定位特征,解决目标形态多样性带来的空间上下文建模难题。然后,提出了频域自适应选择模块,通过将空间特征映射至频域,利用可学习的频率滤波器进行特征重组,克服任意方向目标特征表达退化问题,从而增强对目标方向性特征的建模能力。最后,构建了双域特征交互网络,通过跨域特征互补机制,将空间域的定位优势与频域的方向判别能力深度融合,形成兼具高精度定位与旋转鲁棒性的联合特征表征。实验结果表明,该方法在HRSC2016和DIOR-R数据集上较主流方法显著提升了检测精度,验证了双域特征协同建模对于有向目标检测的有效性。
(3)针对细粒度目标高相似性引起的类间混淆问题,提出了一种基于区域建议的两阶段无锚框细粒度目标检测方法。首先,创新地构建了无锚框旋转区域建议生成网络,通过融合全局上下文感知模块以及无锚框旋转候选框生成机制,在抑制复杂背景干扰的同时生成高质量的候选区域,避免传统预设锚框导致的计算冗余。其次,提出了自注意力特征细化模块,利用级联间的渐进式特征细化策略,缓解传统金字塔结构特征复用的语义耦合瓶颈,增强细粒度特征的鉴别性。最后,设计了任务导向型解耦检测头,通过分类分支局部语义增强与定位分支方向敏感回归的协同优化,实现分类与定位任务的精准解耦来平衡特定任务需求。该方法结合了单阶段无锚检测器的灵活性与两阶段级联框架的检测精度优势,在保持高定位精度的同时,显著提升了细粒度目标的辨识能力。实验结果表明,该方法在MAR20和Ship RSImage Net数据集上,分别取得了86.1%和75.5%的平均精度。与当前先进方法相比,该方法在细粒度鉴别能力与模型鲁棒性方面均展现出显著优势。
综上所述,本文针对复杂场景下光学遥感图像目标检测面临的核心挑战,重点围绕小目标检测、任意方向目标检测及细粒度目标检测等关键技术展开研究。实验结果表明,所提出的方法能够有效提升不同场景下的目标检测性能,为光学遥感图像智能解译提供了创新性技术支撑,具有重要的应用价值。