基于深度学习的高分遥感影像农业大棚提取方法研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院空天信息创新研究院) | 被引量 : 0次 | 上传用户:mailyangli
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
农业大棚是现代设施农业的重要组成部分,具有减少不利气候条件等外部环境影响的优势,可以显著延长生长季节和提高作物产量,准确及时地获取农业大棚空间分布信息对于农业科学管理和规划至关重要。山东省作为我国的农业大省,拥有多个规模庞大的农业大棚聚集区,其中寿光市更是被誉为“中国蔬菜之乡”。近年来,研究者们逐渐尝试使用高分辨率遥感影像提取农业大棚,然而由于地物目标类型多样,背景环境复杂,传统的机器学习算法需要人工设计和筛选特征,存在智能化不足、分割不合理等缺陷,无法满足农业部门精细化管理的需求。近年来,深度学习技术发展迅速,特别是卷积神经网络在自然语言处理、计算机视觉等领域取得了显著性的突破,研究者们逐渐将其应用于遥感图像解译,这为研究农业大棚信息的提取方法提供了新的思路和契机,但是传统的深度学习方法无法充分理解高分辨率遥感影像的地物特征,容易产生混淆和误分类的现象。本文基于深度学习语义分割技术的理论基础,研究分析了网络模型结构的设计思想,对农业大棚的提取算法进行了深入的研究。本文的主要研究内容如下:(1)以国产高分二号卫星影像为数据源,构建了高质量的高分辨率农业大棚数据集。本研究以山东省寿光市等多个示范区为例,分析了不同区域中高分二号影像上的各类农业大棚的光谱特征、空间分布等特征,选取多时相数据,构建了高精度的数据集,为农业大棚提取算法的研究和优化提供了数据支撑。(2)对比多种全监督语义分割算法,深入分析现有算法在农业大棚提取任务中存在的弊端,提出了一种新型的全监督语义分割框架——高分辨率边缘优化网络。首先,针对网络主干特征提取能力不强,地物易发生混淆的问题,提出了金字塔交叉通道注意模块,并将其与Res Net的基本残差模块相结合,生成两个新的残差单元,作为新主干的基本单元;然后,引入空间增强模块聚合多尺度信息,消除尺度不一致性引起的问题;最后,设计了边界细化模块让网络更关注边缘区域的像素,解决边界信息模糊、定位不准确的问题;相应地,结合分割损失和边界约束损失的联合损失函数来监督学习过程。基于构建的数据集进行了对比实验,深入分析了模型在性能和效率上的优势,证明了所提算法的有效性和鲁棒性。最终,结合所提算法实现了研究区域的大范围高精度制图。(3)不同区域农业大棚类型多样,地物背景信息复杂,遥感影像成像条件多变,一个区域数据集的预训练模型在其他区域表现不会很好。为了避免费时费力地样本标注过程,解决跨区域农业大棚提取任务的难题,提出了一种新的无监督对抗域适应框架,该方法结合信息熵和对抗训练的思想,不仅以源域到目标域的结构自适应为目标,还以目标熵最小化为目标,有效地解决了源域到目标域的域偏移难题。本研究将算法应用到山东省和江苏省的其他区域,实验结果表明,相比起全监督方法,该算法可以有效提高分割结果的精度;相比起风格迁移方法和传统的无监督对抗方法,该算法有更出色的性能表现,适用于跨研究区域的农业大棚提取任务。
其他文献
伴随人类社会与经济不断发展,人们对自身的健康问题与生活质量越来越重视,但气候改变与工业的发展所导致的空气污染对人类健康产生了严重威胁,尤其是空气内细小颗粒物对机体的危害特别明显。近年来的相关研究显示,PM2.5对健康的危害不但和其化学成分相关,还和颗粒物表面大小、数量多少、直径大小等联系紧密,如在表面较大的颗粒物上更易聚集空气中的病毒、有毒重金属、酸碱性氧化物和有机污染物等。PM2.5会造成很多临
学位
冰川是气候变化的敏感指标,其对区域水循环、人类生存和社会发展具有重要影响。亚洲高山区是中纬度地区冰川分布最为集中的地区,被称为地球“第三极”。全球变暖导致了亚洲高山区冰川发生了巨大的变化。研究冰川的变化对局部地区的水循环、水资源、灾害防治、社会发展具有重要意义,尤其是干旱和半干旱地区,冰川融水是重要的水源之一。冰川高程变化是冰川变化最为重要的因子之一,冰川高程变化受气候因素和冰川表面性质的影响,是
学位
轻小型无人机雷达系统具有低成本、高机动性、高分辨率等优势,其独特的目标高度维探测能力可以为林地监测、规划和管理提供高效的数据获取手段。然而,轻小型无人机雷达的研究刚刚起步,在探测植被高度方面的效果仍有待进一步探索。与传统雷达成像不同,无人机雷达成像属于近场条件,且受到微型雷达尺寸、功率等方面的限制,对杂波和干扰更加敏感。针对上述问题,本文基于一种自行研制的轻小型无人机雷达系统,在数据预处理、时域成
学位
在全球气候变化背景下,极地冰盖正发生着巨大的变化,通过研究冰盖表面特征可以帮助人类研究气候变化科学,应对气候灾害等问题。冰裂隙作为冰川表面重要的结构,几乎在所有冰川、冰盖和冰架中都很常见,是冰川内应力的外在表现,是评估冰川稳定性,量化物质损失的重要指标。同时,冰裂隙也是冰川表面水文过程的基本水文单元,影响冰面融水输送的效率和方式,是反映冰川物质平衡的重要指标。目前针对于冰裂隙研究探测精度有待提高,
学位
近年来,随着遥感卫星技术的发展,遥感在资源环境监测、矿产资源勘探、土地调查、气象预测等方面的应用越来越广泛。随着每天接收卫星数据量的增加,遥感数据逐渐向大数据、海量化的趋势发展,这为遥感数据的筛选工作带来了挑战。目前国内外的主流遥感数据共享平台提供了基于空间查询引擎的方式,用户根据目标区域、传感器类型、成像时间范围以及最高云量阈值等进行数据检索。对于小区域的数据优选,采用系统检索和人工挑选结合的方
学位
欧亚大陆气候环境脆弱,易受高温灾害侵袭。高温热浪是远超出气候常态的持续性高温天气事件导致的气象灾害,是全球最活跃的要素之一,未来高温热浪的频率、持续时间和强度将进一步增加,其对社会经济的影响也将持续增加,高温热浪的监测预警是应对气候变化行动的重要方面。卫星遥感数据可以从大尺度角度分析高温和高温热浪的时空格局,提供空间连续且分辨率更高的结果。本文基于多源遥感数据,结合站点数据和模式模拟数据,采用机器
学位
陆地总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)是全球生态系统碳交换中最重要的组成部分,准确估算生态系统GPP对评价生态系统碳动态和气候变化至关重要。农田作为最重要的陆地生态系统之一,可以为人类提供食物、纤维和木制品等基本的社会服务。因此,农业生态系统生产力评价与预测是农业管理、作物产量预测和生态系统碳循环研究的关键。近年来,基于遥感观测的模型已被广泛用于模拟陆地生
学位
作为世界上破坏力最强的自然灾害之一,洪涝灾害往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡。及时准确的获取洪水淹没范围,并分析洪水的时空分布信息以及演进趋势,可为防灾减灾业务部门开展洪涝灾害的应急响应和抗灾救灾决策提供有效的信息和技术支持。针对已有研究中缺少系统应用深度学习模型对SAR影像进行洪水淹没提取以及提取精度较低等问题,本文以Sentinel-1 SAR影像为数据源,首先设计了一种基于SAR数据的洪水
学位
陆表水体指液态水在陆地区域形成的标志性聚集体,主要包括湖泊、水库、河流、养殖区和季节性水体等。陆表水体的形成、膨胀、收缩和消失是影响人类生活、区域气候变化和生态环境的重要因素。鉴于此,陆表水体的快速获取与精细制图对气候变化、生态环境评估、水资源调查与水利规划等具有重要意义。目前,利用遥感技术对陆表水体进行监测已经成为常态,空间分辨率不断提高的遥感影像为陆表水体的精细提取提供了可靠的数据支持。近年来
学位
城市绿地被普遍认为是提升城市环境质量、改善城市生态环境的重要因素,为城市的可持续发展提供多方面的功能保障。准确识别和提取城市绿地、分析城市绿地的时空变化及其驱动因素,对改善城市生态环境、促进资源合理配置具有重要的现实意义。珠三角城市群作为构成粤港澳大湾区的核心部位,该地区快速发展过程中的生态环境保护问题备受关注,了解其城市化进程需要对该区域的城市绿地等信息进行动态监测。对地观测技术的发展为大面积城
学位